龍門式自動焊接機(jī)開發(fā)

梁國勇 閻嘉琪 王曉霞

摘 要：針對手工焊接的弊端，研制了一種龍門式自動焊接機(jī)，介紹了其性能特點(diǎn)，CNC系統(tǒng)的硬件、軟件構(gòu)成與焊接過程，試驗(yàn)證明，其焊接的產(chǎn)品外觀整潔，加工尺寸有保證，焊接精度高，為企業(yè)降低成本，提高了效益。

關(guān)鍵詞：龍門式；自動；焊接

焊接作為一種先進(jìn)的制造工藝技術(shù)，已發(fā)展成為融材料學(xué)、冶金學(xué)、自動控制學(xué)、檢驗(yàn)學(xué)等學(xué)科為一體的綜合性學(xué)科。焊接技術(shù)正逐步集成到產(chǎn)品的全生命周期，其應(yīng)用范圍不僅包括石油化工、機(jī)械電力、航天航空等行業(yè)，還擴(kuò)大到通訊工程、醫(yī)療器械、電子器件等領(lǐng)域。

1 龍門式自動焊接機(jī)產(chǎn)生背景

手工焊接加工要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平，另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。焊接時，有經(jīng)驗(yàn)的焊工根據(jù)眼睛所觀察到的實(shí)際焊縫位置適時地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊點(diǎn)及焊接軌跡的變化，所以，焊接是有一定技術(shù)含量的工作崗位，產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和產(chǎn)量受到焊接工的工藝水平、焊接技能和速度的限制，對企業(yè)來說，要招聘一個熟練的焊接工，還存在成本核算問題。自動焊接機(jī)，不但可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，縮短焊接時間，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，產(chǎn)品產(chǎn)量也大幅度提高，可以給公司帶來極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益，受到企業(yè)的追捧。然而，高成本的自動焊接機(jī)，對小微企業(yè)來講遙不可及，所以研制適合小微企業(yè)的成本合理的自動焊接機(jī)，將有良好的開發(fā)前景和社會效益。《2015中國高等職業(yè)教育質(zhì)量年度報告》首次采用了“服務(wù)貢獻(xiàn)表”，引導(dǎo)高職院校更加注重服務(wù)區(qū)域和中小微企業(yè)發(fā)展，本課題研制了一款應(yīng)用于汽車部件、自行車零件、大中型的板材拼接焊接的自動焊接機(jī)，能完成平面自動焊接，主要服務(wù)于小微企業(yè)，彌補(bǔ)當(dāng)今社會發(fā)展的空白。

2 龍門式自動焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能

2.1 龍門式自動焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)

該自動焊接機(jī)主要由支架、立柱、橫臂、升降機(jī)構(gòu)、控制箱等組成，如圖1所示。支架為鋁型材連接件，矩形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)形式，由伺服電機(jī)直接聯(lián)接絲杠帶動立柱實(shí)現(xiàn)直線移動；立柱為方形鋁型材，立柱頂端為橫臂，由伺服電機(jī)直接聯(lián)接滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)，絲杠連接橫臂的滑板機(jī)構(gòu)，滑板機(jī)構(gòu)外連接升降機(jī)構(gòu)，橫臂另一側(cè)固定在立柱上另加配重保證平衡。升降機(jī)構(gòu)由平行鋁型材為支架，由伺服電機(jī)直聯(lián)絲杠帶動外連接板（電焊槍）實(shí)現(xiàn)直線移動，其運(yùn)動速度可根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)。控制箱由數(shù)字控制系統(tǒng)伺服控制、伺服控制系統(tǒng)、強(qiáng)電控制系統(tǒng)組成，控制箱有人機(jī)對話裝置可根據(jù)焊接形狀進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)自動加工。由伺服控制系統(tǒng)的控制立柱、橫臂、升降機(jī)構(gòu)的移動可實(shí)現(xiàn)電焊槍平面軌跡的移動焊接。

2.2 龍門式自動焊接機(jī)的性能

自動焊接機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用龍門式立柱結(jié)構(gòu)，外形尺寸為2000mm×1300mm×1800mm。彌補(bǔ)了懸臂焊接機(jī)臂力不足和加工范圍受限制的不足，大幅度降低操作者的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，改善了工作條件。自動焊接機(jī)最大焊接長度1600mm，最大焊接寬度800mm，最大焊接高度300mm。焊接數(shù)控系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)ISO代碼，可實(shí)現(xiàn)手工編程或自動編程，具備了焊接軌跡動態(tài)仿真功能。

3 龍門式自動焊接機(jī)的焊接過程

龍門式自動焊接機(jī)主要用于汽車部件、自行車零件、大中型的板材拼接自動焊接，該機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，功能齊全，操作方便，對提高焊接質(zhì)量起了可靠的保證作用，其焊接過程如下：

1）將電氣箱上的電源開按鈕按下，將電源接通，進(jìn)行各電器按鈕操作，試行走時要確保導(dǎo)軌上無障礙物。

2）撥動橫臂升降開關(guān)，使橫臂伸縮 升到最高點(diǎn)或最低點(diǎn)，監(jiān)視行程開關(guān)是否動作。撥動橫臂伸縮開關(guān)，使橫臂伸以最長點(diǎn)和最短點(diǎn)，查看行程開關(guān)是否動作。如果有任何一路限位發(fā)生卡阻，只要立即按下總停按鈕，使所有接觸器都處于斷路狀態(tài)，然后檢修，確保人身安全。

3）將工件安裝在工作臺上，運(yùn)用基準(zhǔn)工具進(jìn)行焊接位置的測量，并設(shè)置焊接參數(shù)和編程原點(diǎn)。

4）焊接手動/自動編程，并實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真。

5）龍門式自動焊接機(jī)對工件進(jìn)行自動焊接，實(shí)時觀測焊接速度、焊接軌跡，保證焊接質(zhì)量

6）設(shè)備在使用完畢后，將橫梁降到最下端，把橫臂平衡，保持重心穩(wěn)定，然后切斷電源。

需要注意的是：該機(jī)在作各種功能的運(yùn)動時不得出現(xiàn)抖動，停頓或異常聲響，如有應(yīng)立即停車，檢查消除故障。不論作伸縮或升降，行走等運(yùn)動，在需要改變方向時，首先必須撥到停止位置，等電機(jī)停止轉(zhuǎn)動后，然后再改變方向。

4 龍門式自動焊接機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)

龍門式自動焊接機(jī)采用了目前市場自主研發(fā)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)TSNC-SX-B1M數(shù)控系統(tǒng)，對自動焊接機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，大大降低了自動焊接機(jī)的成本，容易被小微企業(yè)接受，為企業(yè)降低成本，提高效益。TSNC-SX-B1M具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1）集成度高，整機(jī)工藝結(jié)構(gòu)合理，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

2）屏幕分辨率為800×480的7英寸LCD彩色顯示器，中文顯示，界面友好、操作方便。

3）加減速可調(diào)，可配套步進(jìn)驅(qū)動器或伺服驅(qū)動器。

4）系面板前置U盤接口和UART串口，利用U盤可實(shí)現(xiàn)程序、參數(shù)等數(shù)據(jù)的存儲和系統(tǒng)軟件升級。

5）完善的自診斷功能，內(nèi)部、外部狀態(tài)實(shí)時顯示，出現(xiàn)異常立即報警。

6）刀具軌跡圖形顯示，全中文操作界面，完整的幫助信息，操作更方便。

7）可變電子齒輪比，應(yīng)用方便。

TSNC-SX-B1M數(shù)控系統(tǒng)具備插補(bǔ)功能、進(jìn)給功能、刀具功能、主軸速度功能、輔助功能，配備操作面板、界面顯示及數(shù)控的修改與設(shè)置、手動/手輪操作、自動運(yùn)行、程序存儲于編輯介紹，系統(tǒng)按照圖、接口定義、參數(shù)表等，可以讓用戶輕松學(xué)習(xí)、使用。

5 結(jié)論

自動焊接機(jī)采用龍門式立柱，彌補(bǔ)了懸臂焊接機(jī)臂力不足和加工范圍受限制的不足，能同時實(shí)現(xiàn)平面直線和曲線的自動焊接，避免了重復(fù)裝夾帶來的誤差，可靠性高，結(jié)合目前市場自主研發(fā)的品牌數(shù)控系統(tǒng)，對自動焊接機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，大大降低了自動焊接機(jī)的成本，提高了焊接精度。

本次設(shè)計的龍門式自動焊接機(jī)為某汽車座椅生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行焊接工作，為其節(jié)省工序人力50%，每年節(jié)省人員工資20萬元以上；為公司節(jié)省由于人為焊接錯誤造成的廢品5萬元以上；提高生產(chǎn)效率200%，保證了產(chǎn)品的外觀整潔，其加工的外形尺寸得到的保證，得了客戶的認(rèn)可，每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到60萬元以上，總計為該公司每年創(chuàng)效85萬元以上。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：

2015年度天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研計劃立項(xiàng)課題“龍門式自動焊接機(jī)設(shè)計與制造”（課題編號：201501）。

作者簡介：梁國勇（1977-），天津人，天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級技師，實(shí)訓(xùn)中心主任，本科，主要從事機(jī)械加工、數(shù)控加工技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。