絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備設(shè)計(jì)

劉 波 潘宏俠 郭彥青

(中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西太原030051)

脫水篩作為洗選廠的一種脫泥、脫介、脫水振動(dòng)分級(jí)設(shè)備，既可用于中細(xì)粒煤的脫水、脫介，也可用于中細(xì)粒煤的干式、濕式分級(jí)脫泥［1-2］。篩藍(lán)是其主要的組成部分，由若干片絲網(wǎng)拼焊而成。如圖1及圖2所示，絲網(wǎng)由若干根依次排列的絲焊接在一起構(gòu)成，同時(shí)焊縫呈同心圓弧狀排列。相鄰絲之間留有0.15～0.3 mm的縫隙，煤水混合物流經(jīng)篩網(wǎng)時(shí)，水會(huì)順著絲之間的縫隙流下，而煤泥則留在了篩網(wǎng)的上方，保證了脫水篩的脫水、脫泥功能。

手工焊接時(shí)，由于絲網(wǎng)相鄰絲之間的間隙太小以及絲網(wǎng)焊縫為圓弧狀，焊接質(zhì)量難以保證，廢品率非常高。因此，國內(nèi)的絲網(wǎng)基本上依賴于進(jìn)口。本文根據(jù)絲網(wǎng)的功能和尺寸要求，設(shè)計(jì)了一種絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備。該設(shè)備是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，既能滿足絲網(wǎng)的尺寸要求，又具有操作簡便、成本低、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，同時(shí)具有通用性，只需要對(duì)程序進(jìn)行部分修改，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸要求的絲網(wǎng)的焊接。

1 絲網(wǎng)焊接設(shè)備技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)

根據(jù)絲網(wǎng)的尺寸要求及實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備提出了以下的技術(shù)要求:

(1)保證焊接完成后75%以上絲之間的間隙在0.15～0.3 mm之間。

(2)實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)化，工人穿絲完成后，整個(gè)焊接過程自動(dòng)完成。

(3)具有靈活性和適應(yīng)性，在不對(duì)設(shè)備進(jìn)行很大改變的前提下，適應(yīng)不同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)(6種)。

(4)勞動(dòng)生產(chǎn)率高，焊接絲網(wǎng)每個(gè)焊縫的時(shí)間平均不超過2 min。

(5)良好的人機(jī)交互環(huán)境，能反映焊接過程的狀態(tài)，工人操作方便。

基于上述的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)完成了絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備，如圖3所示。該設(shè)備主要由三部分組成:機(jī)械夾具部分、電氣控制系統(tǒng)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)。

2 機(jī)械夾具部分設(shè)計(jì)

如圖3所示，絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備機(jī)械夾具部分主要包括焊接工作臺(tái)、左夾具、右夾具、梳理輥和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等，其中焊接工作臺(tái)用來固定絲網(wǎng)、左夾具、右夾具、梳理輥和移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

如圖4所示，左、右夾具上有與絲相對(duì)應(yīng)的齒槽，絲依次穿過左、右夾具的齒槽形成絲網(wǎng)。夾具上的槽嵌入相鄰的絲之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)絲網(wǎng)的定位和夾緊，并保證相鄰絲之間的縫隙尺寸。左夾具通過定位銷和夾緊裝置固定在工作臺(tái)上;右夾具通過3個(gè)連桿機(jī)構(gòu)和3個(gè)氣缸固定到移動(dòng)機(jī)構(gòu)上。氣缸活塞桿伸出，連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)右夾具向下運(yùn)動(dòng)壓緊絲網(wǎng);氣缸活塞桿縮回，連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)右夾具向上運(yùn)動(dòng)，松開絲網(wǎng)。每個(gè)氣缸的兩端分別各裝有1個(gè)磁性開關(guān)，前端的磁性開關(guān)用來檢測氣缸活塞桿是否運(yùn)動(dòng)到夾緊位置;后端的磁性開關(guān)用來檢測氣缸活塞桿是否運(yùn)動(dòng)到松開位置。氣缸活塞桿的伸出/縮回由電控裝置控制與氣缸相連的電磁閥實(shí)現(xiàn)。

每根絲都或多或少存在著一定的尺寸和形狀誤差，焊接過程中，絲與絲之間容易出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，稱為“亂絲”，通過梳理輥可以對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行梳理，避免出現(xiàn)“亂絲”現(xiàn)象。梳理輥的兩端通過連桿機(jī)構(gòu)與固定在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的兩個(gè)氣缸相連。氣缸活塞桿伸出，連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)梳理輥向上運(yùn)動(dòng)，松開絲網(wǎng);氣缸活塞桿縮回，連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，帶動(dòng)梳理輥向下運(yùn)動(dòng)，壓緊絲網(wǎng)。焊接時(shí)，氣缸帶動(dòng)梳理輥向下運(yùn)動(dòng)，壓緊絲網(wǎng);某一焊接工位完成后，氣缸帶動(dòng)梳理輥向上運(yùn)動(dòng)，松開絲網(wǎng)，梳理輥隨移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行梳理，防止“亂絲”。梳理輥氣缸的兩端也分別安裝磁性開關(guān)，用來檢測氣缸活塞桿是否運(yùn)動(dòng)到夾緊或松開位置。氣缸活塞桿的伸出/縮回由電控裝置通過電磁閥控制。

移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過絲桿、減速裝置連接到伺服電動(dòng)機(jī)。每一焊接工位焊接完成后，根據(jù)絲網(wǎng)類型，電氣控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)程序，控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，拖動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括右夾具和梳理輥)移動(dòng)一個(gè)焊縫間距。移動(dòng)到位后，電控系統(tǒng)控制電磁閥、氣缸組件動(dòng)作，右夾具和梳理輥向下運(yùn)動(dòng)，壓緊絲網(wǎng)。這樣設(shè)計(jì)的目的有2個(gè):一是在焊接不同工位的焊縫時(shí)，可以讓右夾具運(yùn)動(dòng)到該位置，然后壓緊絲網(wǎng)，對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行定位和壓緊，而不用在每一焊接工位安裝同樣的夾具，實(shí)現(xiàn)一次裝夾多工位焊接，節(jié)省了成本，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度;二是通過梳理輥的移動(dòng)，可以對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行平整處理，避免“亂絲”現(xiàn)象。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制部分主要完成對(duì)焊接過程的自動(dòng)控制和監(jiān)控功能。根據(jù)前述的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了基于觸摸屏(HMI)+PLC的絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)方案，如圖5所示。這種方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，物理尺寸非常適合安裝在小型機(jī)床上，價(jià)格也比較便宜。控制軟件開發(fā)采用梯形圖語言，幾乎不需要程序維護(hù)［3-5］。主要由西門子S7-200可編程控制器(PLC)CPU 224XP、3個(gè)數(shù)字量輸入/繼電器型輸出模塊、臺(tái)灣威綸通MT6100i觸摸屏和臺(tái)達(dá)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)/控制器構(gòu)成。

如圖6所示，觸摸屏提供了良好的人機(jī)交互環(huán)境，通過RS485通信接口與PLC之間實(shí)現(xiàn)信息傳輸和共享，方便操作人員對(duì)焊接過程的監(jiān)控。操作人員可以通過觸摸屏選擇焊接的絲網(wǎng)產(chǎn)品類型，隨時(shí)查看焊接過程中設(shè)備的工作狀態(tài)和當(dāng)前焊接工位等信息。

整個(gè)系統(tǒng)的I/O信號(hào)主要包括36個(gè)輸入信號(hào)，如氣缸上磁性開關(guān)信號(hào)、機(jī)器人故障信號(hào)、機(jī)器人焊接完成信號(hào)、伺服電動(dòng)機(jī)狀態(tài)信號(hào)及手動(dòng)操作時(shí)的按鈕信號(hào)等;33個(gè)輸出信號(hào)，如電磁閥控制信號(hào)，焊接工位信號(hào)、夾具定位完成信號(hào)、伺服電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)和指示燈控制信號(hào)等。

電氣控制系統(tǒng)通過這些信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械夾具和焊接機(jī)器人的控制。通過對(duì)電磁閥的控制，控制夾具的夾緊和松開;通過伺服電動(dòng)機(jī)控制/驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，拖動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多焊接工位的定位、夾緊以及對(duì)絲網(wǎng)的梳理;接收焊接機(jī)器人的狀態(tài)信號(hào)，監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài);接收焊接機(jī)器人的焊接完成信號(hào)，控制夾具的夾緊、松開和移動(dòng);定位和夾緊后，給機(jī)器人發(fā)送“夾具定位完成”和“焊接工位”信號(hào)，機(jī)器人開始焊接下一道焊縫。

焊接機(jī)器人為松下YA-1NA，其接收電氣控制系統(tǒng)送來的“定位完成”和“焊接工位”信號(hào)，進(jìn)行絲網(wǎng)相應(yīng)工位的焊接;焊接完成后送出“焊接完成信號(hào)”，電氣控制系統(tǒng)松開夾具，控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，使夾具移動(dòng)到要求位置并夾緊絲網(wǎng);有故障時(shí)，給電氣控制系統(tǒng)送出故障信號(hào)。

4 工作步驟

(1)穿絲。電氣控制系統(tǒng)控制氣缸動(dòng)作，使右夾具和梳理輥處于松開狀態(tài)，同時(shí)控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，使右夾具移動(dòng)到起始焊接工位;操作人員將絲穿入左、右夾具構(gòu)成絲網(wǎng)。

(2)穿絲完成后，操作人員夾緊左夾具，在觸摸屏上選擇產(chǎn)品類型，并確認(rèn)。

(3)PLC收到觸摸屏的產(chǎn)品類型信號(hào)和確認(rèn)信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)絲網(wǎng)產(chǎn)品類型對(duì)應(yīng)的程序，氣缸桿伸出，右夾具、梳理輥壓緊工件，到位后，相應(yīng)磁性開關(guān)發(fā)出接點(diǎn)信號(hào);收到磁性開關(guān)信號(hào)(壓緊信號(hào))，PLC給機(jī)器人送出“夾具定位完成”和“第一焊接工位”信號(hào)，機(jī)器人移至第一焊接工位開始焊接工作并送“焊接中”狀態(tài)信號(hào)給PLC。

(4)第一焊接工位完成后，機(jī)器人給PLC送“焊接完成”狀態(tài)信號(hào)，收到信號(hào)后，電氣控制系統(tǒng)控制氣缸組頂桿收回，松開右夾具和梳理輥。在得到磁性開關(guān)信號(hào)(松開信號(hào))后，控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，將右夾具移至第二焊接工位(移動(dòng)距離根據(jù)產(chǎn)品類型由程序控制)，隨后控制氣缸組頂桿伸出，壓緊絲網(wǎng);到位后，磁性開關(guān)發(fā)出接點(diǎn)信號(hào);收到磁性開關(guān)信號(hào)(壓緊信號(hào))，PLC給機(jī)器人送出“夾具定位完成”和“第二焊接工位”信號(hào);機(jī)器人收到信號(hào)后移至第二焊接工位開始焊接工作并送“焊接中”狀態(tài)信號(hào)給PLC。

(5)由此往復(fù)步驟4，直到所有焊接工位完成。

(6)在完成所有焊接工位的焊接后，電氣控制系統(tǒng)給PLC送“夾具定位中”信號(hào)，控制氣缸組頂桿收回，松開右夾具，伺服系統(tǒng)帶動(dòng)右夾具向后移動(dòng)兩個(gè)焊縫間距，絲網(wǎng)和右夾具完全脫離;工人松開左夾具，取焊接好的絲網(wǎng)，完成后點(diǎn)擊觸摸屏上“完成”按鈕;PLC收到“完成”信號(hào)后，控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)至焊接起始位置，處于工作預(yù)備狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文針對(duì)工程實(shí)際中絲網(wǎng)焊接問題，設(shè)計(jì)了一種絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備，該設(shè)備綜合運(yùn)用了機(jī)電液一體化技術(shù)。在該設(shè)備中，設(shè)計(jì)了可以移動(dòng)的夾具和梳理輥裝置，實(shí)現(xiàn)了一次裝夾多工位焊接;采用氣缸控制其上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行定位和控制相鄰絲之間的縫隙;以PLC和觸摸屏為核心設(shè)計(jì)了電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)通過與焊接機(jī)器人之間的信息交換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)焊接過程的自動(dòng)控制;同時(shí)，該設(shè)備具有良好的人機(jī)交互環(huán)境，操作人員僅僅通過對(duì)觸摸屏的簡單操作，即可完成整個(gè)焊接工作。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該絲網(wǎng)自動(dòng)焊接設(shè)備操作簡單，自動(dòng)化程度高，既保證了絲網(wǎng)的焊接質(zhì)量，又提高了生產(chǎn)效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］米哈拉(波蘭).一種有效的細(xì)粒動(dòng)力煤洗選系統(tǒng)［J］.中國煤炭，2004，30(7):58.

［2］侯玉剛，于春風(fēng).基于PLC跳汰機(jī)控制系統(tǒng)的研制［J］.中國煤炭，2007，33(8):62.

［3］張積洪，趙海洋，趙海龍.基于PLC和觸摸屏的高精度皮革壓花機(jī)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26(10):69-72.

［4］李鐵，翁興媛，李明宇.石圪臺(tái)洗煤廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(增刊):94-97.

［5］馬進(jìn)中，韓江.數(shù)控機(jī)床程控多工位自適應(yīng)夾具的開發(fā)與應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27(5):90-94.