風機自動化焊接技術研究

崔中慧

摘 要：風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。其廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻等。焊接作業，是一種有害的工種，焊接過程中所產生的煙塵、弧光和高溫直接損害焊工的身體健康，而且手工焊接很難持續保持穩定的焊接質量，另外手工焊接的低效率往往成為工廠進一步發展的最大障礙。針對風機外殼的焊接作業，設計了風機外殼焊接工作機。文章對風機外殼焊接工作機進行了總體及控制系統設計，并搭建試驗臺，驗證設計方案的可行性與可靠性。

關鍵詞：三軸聯動；數控系統；風機

近20年來，焊接工藝已發展成為一種先進的制造技術，它在各工業部門生產中所發揮的作用越來重要，應用范圍迅速擴大。但必須注意到，焊接作業，特別是弧焊是一種有害的工種，焊接過程中所產生的煙塵、弧光和高溫不僅直接損害焊工的身體健康，而且還污染生產車間的環境；其次，手工操作的弧焊作業是一種繁重的體力勞動，不僅勞動強度大，且還受弧光和高溫的輻射，容易疲勞，不能堅持長時間的連續工作。因此，由于人體生理上的原因，手工焊接很難持續保持穩定的焊接質量。在現代工業生產中，隨著焊接結構向大型化、重型化、高參數化和精密化方向的發展，對產品的焊接質量也提出了愈來愈高的要求，若只借助手工操作就很難達到高質量標準的要求。在某些大型焊接工程或大批量工業生產中，手工操作的低效率往往成為按期完成預定生產計劃的最大障礙。焊接生產過程的機械化和自動化是焊接結構制造工業現代化發展的必然趨勢。

1 剛性自動化焊接設備

剛性自動化焊接設備亦可稱為初級自動化焊接設備，其大多是按照開環控制的原理設計。雖然整個焊接過程是由焊接設備自動完成的，但對焊接過程中焊接參數的波動不能進行閉環的反饋控制，焊接機頭或焊件的運動只能按照預先規定的路徑進行，而不能隨機糾正可能出現的形位偏差，操作工還需目測監視焊頭運動的方向、焊絲（電極）對準接縫的偏差和焊接參數的變化，并作適當的手工調整。這種初級化自動焊接設備還稱不上真正意義上的自動化焊接設備，但與機械化焊接設備相比，已前進了一大步，在焊接結構的生產中已得到較廣泛的應用。

2 自適應控制自動化焊接設備

自適應控制自動化焊接設備是一種自動化程度較高的焊接設備。它配用高度靈敏傳感器和電子檢測線路，對焊接的軌跡自動導向和跟蹤，并對主要焊接參數實行閉環的反饋控制。通過對焊接參數的程序控制，可以實現焊接過程的全程自動化。對焊接過程中可能出現的偏差能以最快的速度予以自動糾正，使焊接熔池始終保持良好的狀態。焊接過程中能持續穩定維持預置的各重要焊接參數，無需操作工隨機監視和手工調整。使用這種自適應控制的焊接設備時，操作工只需在焊接前作必要的預調整和焊接參數的設置，設備啟動焊接后，操作工不必再干預。整個焊接過程將按預置的程序和工藝參數自動完成。

3 智能化自動焊接設備

智能化自動焊接設備是一種具有人類某些智能而實現焊接過程的過度自動化的最新一代先進焊接設備。它利用各種高級傳感原件，如視覺傳感器、觸覺傳感器、光敏傳感器、聽覺傳感器和激光掃描器等，并借助計算機軟件系統、數據庫和專家系統而具有識別、判斷、實時監測、運算、自動編程、參數優化、自動編排焊道順序、焊接參數存儲和調用及自動生成焊接質量記錄文件等功能。這種智能化自動焊接設備已能部分取代焊接工程師的工作。在焊接產品焊縫之前，焊接操作人員只需在人機界面或在控制面板上輸入焊件的原始數據，焊接工藝參數即能自動生成。

3.1 焊接工作機機械結構主要由焊槍夾持機構、風機外殼夾具、十字滑臺、旋轉工作臺、送絲機和機架六部分組成，本文主要針對焊槍夾持機構、風機外殼夾具和機架三部分進行具體的結構設計，對十字滑臺不做具體的結構設計，對于送絲機及焊機電源等則直接使用廠家現有設備，不做任何機構設計。利用三維軟件Pro/E對焊接工作機進行三維建模并進行簡單的運動學仿真分析。

控制系統采用華中數控的世紀星銑床數控系統“HNC-18xpM”，通過對數控系統的三個進給軸的控制來驅動十字滑臺帶動焊槍移動和旋轉工作臺帶動風機外殼旋轉，從而實現控制焊槍相對風機外殼做焊接運動的操作。主要工作包括系統電氣結構的接線、控制程序的編寫及調試。要求工作機可在運動范圍內任意確定表面內完成焊接功能，焊接時保證焊槍與焊接表面垂直，工作機可依據給定工件的尺寸和形狀自動完成焊接作業。搭建試驗臺以驗證設計方案的合理性和可靠性。

3.2 由焊接工作機運動方案可知，系統需要實現三軸聯動的功能，即各個軸以一定的運動規律相互配合完成風機外殼的焊接，整個系統的運動精度不高，選用三個步進電機分別驅動三個軸的運動。控制系統選用華中數控的世紀星銑床數控系統“HNC-18xpM”，其有一個主軸運動，三個進給軸運動，三個進給軸可實現三軸聯動的功能，可通過對數控系統的三個進給軸的控制來驅動十字滑臺帶動焊槍移動和旋轉工作臺帶動風機外殼旋轉，從而實現控制焊槍相對風機外殼做焊接運動的操。

3.3 焊槍的移動是靠十字滑臺帶動的，其傳動機構采用滾珠絲杠副。滾珠絲杠傳動的特點是傳動效率高、系統剛度好、傳動精度高、使用壽命長、運動具有可逆性但不能自鎖。使用滾珠絲杠副傳動可保證得到較高的運動控制精度，但是對于Z方向的垂直滑臺必須安裝制動器，防止運動結束后滑塊在自身重力下下滑。

X和Z向滑臺的行程根據工件尺寸和焊接時焊槍相對工件的運動方式確定。最大工件670-1邊緣距回轉中心的最大距離為1059mm，最小工件450-8mm邊緣距回轉中心的最小距離為300，而Z向滑臺的行程應該大于最大距離與最小距離的差值（即為1059-300=759mm）759mm，取Z向滑臺有效行程為800mm。X向滑臺的行程為最大工件（即670-1）在X方向的焊接行程（635+576=1211）1211mm，取X向滑臺有效行程為1400mm。X和Z向滑臺都采用導程為5mm的滾珠絲杠，矩形滾動直線導軌導向，其中Z向滑臺安裝有配重塊，以抵消由于滑塊處受力所引起的對X滑臺處的傾覆力矩。滑臺起支撐作用處大部分采用鋁合金板以減輕機構自身的重量。Z向滑臺最大負重為30Kg，滑板工作面與地面垂直，步進電機驅動，定位精度。X向滑臺最大負重為Z向滑臺+30Kg，滑板工作面與地面平行，步進電機驅動，定位精度。

4 完成了焊接工作機的原理與方案設計，提出了兩種運動方案，對各方案的優缺點進行了比較并選擇出工件立著，兩個焊槍同時焊接的最優方案。完成了焊接工作機的結構設計。對焊槍夾具、工件夾具、機架及相關零件分別進行了具體的結構設計以及必要的計算，對十字滑臺和轉臺進行了選定。進行了步進電機的選擇和校核，并對壓緊彈簧進行了計算。完成了機構的整體設計。進行了焊接工作機的驅動系統和控制系統設計，完成了焊接工作機的運動軌跡設計，然后對HNC-18xpM在焊接工作機中的應用作了具體介紹，畫出了系統接線圖，對數控系統的參數進行了設置，完成了控制程序的編制。建立了焊接工作機的PRO/E三維模型，并進行了運動學分析。完成了焊接工作機的裝配過程與調試過程，對工件進行了焊接，焊接質量良好。

進行了方案的總體設計，提出兩種運動方案，并對比兩方案的優缺點選擇了以方案二為基礎的工件立放，龍門式結構兩焊槍同時焊接的方案。運動方案確定后，對方案進行了詳述。包括機架方案、十字滑臺、轉臺、焊槍夾具和工件夾具。為下一步結構的設計做好準備。