雙工位數(shù)控焊接機(jī)床設(shè)計

朱華炳 余先照 胡孔元 曹 斌

（①合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009;②合肥工業(yè)大學(xué)工業(yè)培訓(xùn)中心，安徽合肥 230601）

汽車后橋軸端法蘭是汽車傳動系的重要部件之一，除了承受汽車的整車重量和驅(qū)動力，還要求一定的強(qiáng)度和剛度來克服復(fù)雜多變的路面產(chǎn)生較大的扭矩和轉(zhuǎn)矩，其焊接質(zhì)量的好壞關(guān)系到汽車行車的安全性和汽車的整車性能。若采用單工位焊接機(jī)器人或者半自動CO2保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊縫位置和質(zhì)量難以保證，且生產(chǎn)效率低下，勞動強(qiáng)度大，不能滿足公司高效大批量生產(chǎn)要求。因此，設(shè)計了可同時焊接兩個工位的雙工位數(shù)控焊接機(jī)床，該機(jī)床的探測手臂能夠自動找準(zhǔn)焊接參考點，實現(xiàn)高效全自動焊接。

1 焊接機(jī)床加工零件工藝

汽車后橋結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，整個橋殼是一個整體的空心梁，其強(qiáng)度和剛度大，能夠承受較大的載荷。橋殼與輪轂是通過汽車法蘭用螺栓固定連接，因此法蘭與橋殼的環(huán)焊焊縫接頭一是條受力焊縫，是橋殼生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，在本道加工工序前法蘭與橋殼已經(jīng)通過點焊焊接固定。為了保證焊縫質(zhì)量，對工件尺寸、焊縫坡口、裝配尺寸須進(jìn)行嚴(yán)格的工藝規(guī)定，焊縫在本道工序前應(yīng)清洗干凈，保證無油污、鐵銹、焊渣，焊接位置應(yīng)該具有足夠的空間供焊槍擺動，此外，加工時須在CO2保護(hù)的環(huán)境下進(jìn)行。

2 焊接機(jī)床工作原理

根據(jù)加工工件工藝特點及焊接質(zhì)量要求，確定了焊接機(jī)床的總體方案，其配置形式為臥式雙工位數(shù)控焊接機(jī)床，如圖2。主要由床身、主軸、氣壓傳動裝置、焊槍、自動送絲裝置、焊接電源、西門子PLC、主機(jī)和電氣控制柜等主要部件組成。機(jī)床完成焊接工藝需要以下步驟:一是操作人員對焊接機(jī)床進(jìn)行示教，向主機(jī)中輸入焊接軌跡、焊槍姿態(tài)及焊接參數(shù)等;二是主機(jī)根據(jù)內(nèi)部程序負(fù)責(zé)焊接機(jī)床系統(tǒng)的管理、信息獲取及信息處理、焊槍行走軌跡的規(guī)劃、焊接參數(shù)規(guī)劃等;三是主機(jī)將信號命令傳遞給下位機(jī)，由西門子PLC轉(zhuǎn)化成驅(qū)動信號，驅(qū)動伺服電動機(jī)及控制電磁閥線圈通斷電，實現(xiàn)焊槍高精度運動及工件的夾緊、焊接電源的通斷;四是通過傳感器反饋，保證機(jī)床正確地完成焊接任務(wù)，同時將工作信息反饋到控制器中，以便實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作情況［1］。雙工位數(shù)控焊接機(jī)床是一臺多用途柔性化設(shè)備，內(nèi)部程序靈活復(fù)雜，而對于操作人員來說簡單且易操作使用，其操作流程如圖3。

3 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計

3．1 床身設(shè)計

由于汽車后橋體積大、質(zhì)量較重，且在加工焊接過程中隨主軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，為了保證機(jī)床的整體剛性，考慮到加工與裝配的工序、生產(chǎn)周期及經(jīng)濟(jì)效益等因素，最終我們選擇將機(jī)床床身設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)。采用不同規(guī)格的槽鋼和鈑金按照設(shè)計圖紙焊接而成，焊接后進(jìn)行多次人工時效處理，以便消除焊接應(yīng)力，減小機(jī)床床身整體變形。床身設(shè)計有吊環(huán)裝置、主軸及夾緊部件的安裝調(diào)整位置，且內(nèi)部有足夠的空間用于布線。

3．2 工件夾緊

加工工件的夾緊根據(jù)一面一銷的定位原理設(shè)計，采用氣壓傳動自動夾緊，動作迅速、反應(yīng)快，上、下料方便。應(yīng)用三位五通閥的中位機(jī)能進(jìn)行系統(tǒng)保壓，從而確保工件在加工過程中不因欠壓而掉落，夾具上安裝有旋轉(zhuǎn)增量式編碼器檢測系統(tǒng)，確保工件焊接位置準(zhǔn)確無誤，否則機(jī)床自動報警且程序停止運行，等待工作人員的處理。

3．3 焊槍運動

焊槍是雙工位焊接機(jī)床的執(zhí)行部件，其結(jié)構(gòu)與運動控制的好壞直接關(guān)系到焊縫質(zhì)量，是機(jī)床的核心部分。焊槍在加工過程中首先完成沿著X、Y、Z軸方向的移動，然后繞X軸的擺動。在Z軸方向，伺服電動機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動滾珠絲杠且在帶有阻尼滑座的滾動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)引導(dǎo)下運動;Y軸方向是通過伺服電動機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動螺桿部件并且在滑動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作用下運動;焊槍在X軸方向的運動是通過氣缸的伸縮來完成，其擺動是利用減速比為1∶64的減速器和控制伺服電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。

3．4 送絲機(jī)構(gòu)

送絲裝置主要由送絲機(jī)、電源電纜、控制電纜和氣管等組成。電源電纜固定在焊機(jī)電源輸出端，控制電源的通斷由西門子PLC來控制，氣管固定在氣體調(diào)節(jié)器上。機(jī)床進(jìn)行工件焊接時，焊絲直行選擇 φ1.0 mm，額定焊接電流為350 A，送絲電動機(jī)電壓為DC24 V，送絲速度為3 m/min。導(dǎo)絲管與送絲輪須定期清理以免因混合物粒子、毛刺、脫離的鍍層銅等污物堆積阻礙順利送絲，焊接加工保護(hù)氣體選擇CO2。

3．5 氣壓傳動系統(tǒng)

該機(jī)床的氣壓傳動系統(tǒng)（如圖4）共選用5只雙作用氣缸，主要完成3個動作:一是檢測手臂的伸出與縮回;二是帶動焊槍的前進(jìn)與后退;三是完成工件的夾緊－保壓－松開。氣缸的速度回路控制通過在每一個氣缸的進(jìn)氣口中安裝一個單向節(jié)流閥來控制，采用二位五通閥分別對檢測手臂和焊槍氣缸換向、三位五通閥來完成工件的夾緊松開。當(dāng)停電、停氣或電源、氣源發(fā)生故障時，利用閥3的中位機(jī)能保持工件的夾緊，防止因氣壓不足而發(fā)生生產(chǎn)事故，同時氣壓表P將故障狀態(tài)信號反饋給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并命令運行程序暫停且給出故障指示。

4 機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計

4．1 電路設(shè)計

該焊接機(jī)床的電路（如圖5）主要由主電路和控制電路組成。主電路是由熔斷器、4個交流接觸器、4個變壓器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻電動機(jī)及變頻調(diào)速制動三相異步電動機(jī)組成。當(dāng)打開旋鈕開關(guān)S，KM閉合，經(jīng)TC變壓器將380 V的電壓轉(zhuǎn)變成線電壓為200 V為伺服系統(tǒng)供電;控制電路由一些線圈、繼電器、開關(guān)、電源及二極管等組成，主要是負(fù)責(zé)控制機(jī)床強(qiáng)電和為CNC系統(tǒng)提供電源。

4．2 伺服系統(tǒng)［2］

伺服系統(tǒng)是機(jī)械運動的驅(qū)動設(shè)備，是以電動機(jī)為控制對象，控制器作為核心，電力電子功率變換裝置作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)［3］。雙臂數(shù)控焊接機(jī)床的位置控制是由PLC高速脈沖輸出指令輸出脈沖信號，脈沖信號通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制平移、升降、擺動伺服電動機(jī)，使焊接加工按照給定的位置和速度數(shù)據(jù)進(jìn)行工作循環(huán)，且在整個機(jī)床控制系統(tǒng)中，除主軸電動機(jī)的反饋為閉環(huán)外，其余的均采用半閉環(huán)反饋。根據(jù)計算的結(jié)果選擇相應(yīng)的伺服電動機(jī)及伺服驅(qū)動系統(tǒng)，確保伺服電動機(jī)的額定扭矩大于實際中計算扭矩。

脈沖當(dāng)量Δ=（ΔS÷Pt）×I×（A÷B）

或者Δ=（Δθ÷Pt）×I×（A÷B） （1）

脈沖頻率F=移動速度/脈沖當(dāng)量

脈沖數(shù)量C=移動距離/脈沖當(dāng)量

其中:ΔS為伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈相當(dāng)?shù)奈灰?Δθ為伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈相當(dāng)?shù)慕嵌?A為電子齒輪比分子;B為電子齒輪比分母;Pt為伺服電動機(jī)分辨率;I為速比。

式中:T為施加在電動機(jī)輸出軸總扭矩，N·cm;P為軸向外部負(fù)載，N;L為滾珠絲杠螺距，cm;η為機(jī)械傳動效率，90%;Z1為主動齒輪齒數(shù);Z2為從動齒輪齒數(shù);Jm為伺服電動機(jī)軸上的慣性矩，kg·cm2;J1為主動齒輪慣性矩，kg·cm2;J2為從動齒輪慣性矩，kg·cm2;J3為滾珠絲杠慣性矩，kg·cm2;J4為伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子慣性矩，kg·cm2;J5為焊槍及氣缸等慣性矩，kg·cm2;N為伺服電動機(jī)軸轉(zhuǎn)速，r/min;t為加速時間，s;γ為材料密度 γ =7．8 ×10－3kg/cm2;l為柱體寬度，cm;M為焊槍及氣缸重量，kg。

4．3 人機(jī)界面

雙臂數(shù)控焊接機(jī)床采用TCL顯示屏作為顯示界面，pcm3350為主機(jī)，PLC為下位機(jī)。機(jī)床在運行加工調(diào)試操作時可顯示以下畫面:（1）自動運行畫面，可以對自動焊接加工過程進(jìn)行監(jiān)視，包括焊槍具體焊接位置、移動擺動速度、主軸旋轉(zhuǎn)角度及速度、氣壓是否正常、有無程序報警;（2）手動運行畫面，用于手動運行狀態(tài)監(jiān)視;（3）焊接參數(shù)設(shè)置界面，用于焊接不同工件型號程序編制，可輸入的參數(shù)包括工件型號、焊絲直徑、加工過程中焊槍位置、移動擺動速度、主軸轉(zhuǎn)速、氣壓大小等;（4）機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，用于設(shè)定手動速度、復(fù)位速度等，其界面如圖6所示。

5 安全性設(shè)施

機(jī)床在焊接加工過程中會產(chǎn)生氧化錳、氧化鐵、氟化物、二氧化硅、二氧化鈦、丙烯醛和甲醛等有害物質(zhì)，以及因焊接電弧的紫外線輻射和高溫產(chǎn)生的臭氧和一氧化碳等氣體，都對人有極大的傷害。考慮到這方面的原因，在機(jī)床上設(shè)計安裝安全門，在焊接加工時安全門關(guān)閉，排氣裝置打開，減少因污染的空氣和強(qiáng)紫外線光對操作人員的危害。此外，機(jī)床上還設(shè)置不同顏色的工作燈，緊急停止等按鈕以便在出現(xiàn)突發(fā)情況時工作人員能夠及時地采取處理措施。

6 結(jié)語

本文介紹了汽車后橋法蘭焊接機(jī)床的設(shè)計，在對汽車后橋法蘭工藝進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上確定了機(jī)床的工作原理、整體結(jié)構(gòu)配置、電氣控制系統(tǒng)和安全防護(hù)設(shè)施等。經(jīng)使用證明:該焊接機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計合理，工作穩(wěn)定、可靠，焊縫質(zhì)量高，生產(chǎn)節(jié)拍是單臂焊接機(jī)的2倍以上，完全能夠滿足汽車后橋法蘭工藝和使用性能要求，而且改善了操作人員的工作環(huán)境。該機(jī)床除了用于汽車橋殼法蘭的焊接，還可以焊接其他兩端對稱圓弧面工件，具有較高的市場應(yīng)用價值。

［1］胡繩蓀．焊接自動化技術(shù)及其應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［2］吳志敏，陽勝峰．西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程［M］．北京:中國電力出版社，2009．

［3］朱華炳，張國亮，曹斌．基于主從控制的中間驅(qū)動雙頭車床數(shù)控化改造［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2009（2）:127－130．

［4］趙俊生，樊文欣，張保成，等．電動機(jī)與電氣控制及PLC［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2009．

［5］吳宗澤．機(jī)械零件設(shè)計手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003．