多工位電子束焊接裝置設(shè)計(jì)及控制

王　毓　郭　旭　崔　娜　秦洪運(yùn)（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司　技術(shù)中心機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)研究所，遼寧　沈陽(yáng)　110043）

多工位電子束焊接裝置設(shè)計(jì)及控制

王毓郭旭崔娜秦洪運(yùn)
（中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)研究所，遼寧沈陽(yáng)110043）

摘要：本文針對(duì)小零件電子束焊單件焊接效率低下的問題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)了電子束焊多工位焊接裝置，一次抽真空可焊接多個(gè)零件，實(shí)現(xiàn)工作過程中工位轉(zhuǎn)換的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：電子束焊；多工位焊接；自動(dòng)控制

電子束焊機(jī)工作時(shí)需將工作倉(cāng)抽真空，達(dá)到工藝規(guī)定的真空度才能進(jìn)行電子束焊接工作。在較大的電子束焊機(jī)上焊接小型零件時(shí)，抽真空時(shí)間所占比例非常大，可達(dá)焊接工作周期的80%。為提高小零件的焊接效率，本文設(shè)計(jì)了多工位電子束焊接裝置，工作時(shí)可同時(shí)裝夾多個(gè)零件，在一次抽真空后由原來只能焊接一個(gè)零件變?yōu)楹附佣鄠€(gè)零件，使工作效率大大提高。

1　總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)焊接零件的尺寸及設(shè)備的工作空間，多工位焊接裝置由分度機(jī)構(gòu)和夾頭轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。焊接時(shí)零件旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力由焊機(jī)轉(zhuǎn)盤夾頭輸入，通過齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入、輸出齒輪嚙合尺寸完全相同，保證零件旋轉(zhuǎn)速度與電子束焊機(jī)轉(zhuǎn)盤夾頭一致，分度時(shí)還可使零件通過自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)始終保持裝夾時(shí)的垂直位置。工位轉(zhuǎn)換由伺服電機(jī)帶動(dòng)分度盤實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定角度的自動(dòng)分度，也可實(shí)現(xiàn)任意角度的手動(dòng)分度。分度機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、分度盤、底座組成。當(dāng)一個(gè)工作位置的焊接工作結(jié)束后，分度轉(zhuǎn)盤由伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)到下個(gè)焊接工作位置。為保證分度過程的平穩(wěn)，分度盤的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為2rpm。分度角度可預(yù)先設(shè)置，由控制系統(tǒng)控制伺服電機(jī)自動(dòng)完成預(yù)設(shè)角度，如需做調(diào)整，也可使用設(shè)備的手動(dòng)調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)正反方向任意角度的手動(dòng)微調(diào)。根據(jù)零件細(xì)長(zhǎng)的外型特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中采用了主動(dòng)齒輪與被焊零件分布于分度盤兩側(cè)的結(jié)構(gòu)方式，以節(jié)省空間，采用專用夾頭或通用性很強(qiáng)的自定心三爪卡盤夾持零件，保證零件回轉(zhuǎn)時(shí)的精度。

2　多工位焊接裝置的控制

多工位焊接裝置采用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分度角度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，同時(shí)設(shè)置了手動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能，實(shí)現(xiàn)任意方向任意角度的手動(dòng)調(diào)節(jié)。分度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了帶有制動(dòng)器的伺服電機(jī)，保證分度精度及分度后的位置鎖定不變。當(dāng)一個(gè)工位的焊接工作結(jié)束后，啟動(dòng)分度控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先置入的分度角度參數(shù)及分度轉(zhuǎn)速參數(shù)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)自動(dòng)完成從一個(gè)焊接工位到下一個(gè)焊接工位的轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行多工位電子束焊接時(shí)，同時(shí)焊接多個(gè)零件，為使操作者更好地了解目前焊接零件的位置，控制系統(tǒng)中還設(shè)置了工位顯示器，提示操作者目前正在進(jìn)行焊接的工位。

2.1控制系統(tǒng)的組成。控制系統(tǒng)由PLC、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、操作單元、顯示單元等組成。其中PLC選用CP1H-XA40DT-D，是小型一體化、高功能的可編程序控制器。伺服電機(jī)選用MADDT1205交流伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用與之相配的MSMD012P1V。由于本裝置是獨(dú)立于電子束焊機(jī)，無法構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以只能靠高精度的伺服電機(jī)來保證精度。MADDT1205交流伺服電機(jī)它內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

2.2主回路與控制回路。控制系統(tǒng)的電氣原理如圖1所示。

2.3電氣原理圖。HL1為電源指示燈，當(dāng)QF1閉合后，電源指示燈亮。SB1為給PLC和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電的按鈕，按下SB1則繼電器KM1吸合，PLC和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器得電，可以進(jìn)行對(duì)多工位焊接裝置的操作。HL2為可以對(duì)多工位焊接裝置操作的指示燈。SB2為切斷PLC和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電源的按鈕，按下SB2則無法對(duì)多工位焊接裝置進(jìn)行操作。兩個(gè)電源分別為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和PLC的24V電源。HL3和HL6分別為他們的指示燈。

2.4伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與分度控制。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種控制方式。我們選用的是位置控制方式，在這種控制方式下，位置信號(hào)輸出一個(gè)脈沖，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度（由用戶自己定義，本文選用一個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)60°）。COM+和COM-為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的24V電源接口。ALM+，和ALM-為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器報(bào)警信號(hào)輸出端口，它們之間為一常閉觸點(diǎn)，當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生報(bào)警后，觸點(diǎn)斷開。SPV-ON為伺服使能開關(guān)，當(dāng)不需要控制伺服使能時(shí)可以長(zhǎng)接電源負(fù)極。PG為旋轉(zhuǎn)編碼器，用來保證伺服電機(jī)的精度。分度盤的旋轉(zhuǎn)是由伺服電機(jī)帶動(dòng)的，在位置控制方式下，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)60°，通過減速機(jī)帶動(dòng)分度盤旋轉(zhuǎn)一定角度。減速機(jī)到分度盤的總傳動(dòng)速比為595×41/20 ＝1219.75。從一個(gè)工位轉(zhuǎn)換到下一工位，分度盤旋轉(zhuǎn)45°，伺服電機(jī)需旋轉(zhuǎn)1219.75×45/360＝152.47（圈），則位置信號(hào)需要發(fā)出的脈沖數(shù)應(yīng)為152.5×360/60 ＝914.8（個(gè)）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證，使分度盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位需要915個(gè)脈沖，與理論計(jì)算值相同。

2.5PLC系統(tǒng)。本系統(tǒng)共有5個(gè)開關(guān)量輸入，5個(gè)開關(guān)量輸出PLC的。通過程序編寫實(shí)現(xiàn)多工位裝置定角度的自動(dòng)分度，也可實(shí)現(xiàn)任意角度的手動(dòng)分度。按下按鈕，分度裝置就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位，系統(tǒng)擁有急停按鈕、微調(diào)旋鈕、分度允許指示燈、分度禁止指示燈。

圖1

結(jié)語(yǔ)

多工位電子束焊接裝置最多可同時(shí)裝夾八個(gè)零件，可實(shí)現(xiàn)預(yù)置角度的自動(dòng)分度和任意角度的手動(dòng)分度及工位顯示，抽真空時(shí)間大幅縮短，加工效率大幅度提高，對(duì)小型零件的電子束焊接具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]姚儒彬.雙工位電子束齒輪焊機(jī)的設(shè)計(jì)

[J].電工電能新技術(shù)，1990（03）：43-47.

中圖分類號(hào)：TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A