變壓器油箱焊接流水線機械系統(tǒng)設(shè)計

姚佳誠，張春偉*

（學(xué)院鹽城工學(xué)院機械工程，江蘇鹽城，224051）

引言

作為應(yīng)壓器重要組成部分，應(yīng)壓器油箱加工始終停留在手工焊接的尷尬境地，很難保證應(yīng)壓器油箱質(zhì)量的穩(wěn)定性。這種狀況和應(yīng)壓器油箱工藝要求高相矛盾，例如應(yīng)壓器油箱加工時要求無夾砂、無滲漏以及焊縫均勻等[1]；在運行過程形應(yīng)少[2]等；另一方面，高水平的焊工當前也是極其短缺。為此，本文提出一種應(yīng)壓器自動焊接流水線的方案，可以很好解決當前應(yīng)壓器生產(chǎn)企業(yè)面臨的問題。

采用PLC控制方式，劉宗佳設(shè)計了一種自動化焊接流水線[3]。采用此流水線極大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時克服人工操作帶來的人為干擾因素。但是這種流水線是一種通用流水線，并沒有考慮到應(yīng)壓器焊接的實際情況。當前焊接流水線全部采用機器人[4,5]，雖然可以避免人工手動焊接的缺陷，但都存在各種各樣的弊端，例如價格昂貴、使用過程復(fù)雜，對操作者技術(shù)要求較高、焊接調(diào)試過程周期長等問題。因此，本文在深入研究應(yīng)壓器油箱焊接工藝路線基礎(chǔ)上，通過分析應(yīng)壓器油箱泄露、滲透、外觀不美觀的原因著手，考慮到操作方便性條件，提出應(yīng)壓器油箱自動焊接方案。

1 應(yīng)壓器油箱機械系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

本文要解決的焊接產(chǎn)品如圖1所示，主要包括5大部分，包括長短散熱翅、上下底板和立柱。因此，為了實現(xiàn)應(yīng)壓器油箱自動焊接，需要解決各個部分的下料裁剪、運輸、擺放、固定等關(guān)鍵的動作。為了生產(chǎn)效率的最大化，各個環(huán)節(jié)要實現(xiàn)時序的無縫銜接。這個問題可以通過控制系統(tǒng)的調(diào)試來完成。另外，為了適應(yīng)不同型號應(yīng)壓器的焊接，整個流水線的設(shè)計具有一定彈性。

圖1 產(chǎn)品三維圖

在考慮上述因素后，有合人工手動焊接流程，總體加工路線如圖2所示。從這個加工路徑能夠看出，應(yīng)壓器焊接流水線機械系統(tǒng)包括三大子系統(tǒng)，即送料系統(tǒng)、擺放系統(tǒng)以及焊接系統(tǒng)。送料系統(tǒng)主要功能是將框架材料以及散熱片輸運到指定的位置，并將焊接好的產(chǎn)品輸運到出料口，例如角鋼經(jīng)過裁切機構(gòu)裁切后通過翻轉(zhuǎn)機構(gòu)輸運到焊接位置；擺放系統(tǒng)主要將送料系統(tǒng)輸運來的零配件安放在確定的位置并夾緊，防止焊接過程中各個零部件相對運動；焊接系統(tǒng)功能按設(shè)置的時序?qū)Π惭b好的零部件進行加工。

圖2 變壓器油箱總體加工路徑

經(jīng)過對流水線的功能分析后，最終確定應(yīng)壓器油箱自動焊接流水線的總體設(shè)計方案如圖3所示。為了保證系統(tǒng)的連續(xù)工作，提高生產(chǎn)率，各個子系統(tǒng)在位置上要緊湊，在時序上要能匹配。

圖3 變壓器油箱自動焊接流水線的機械系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2 子系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 運料系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)總體設(shè)計方案，運料系統(tǒng)需要解決底板、等邊和不等邊角鋼以及散熱翅輸運問題。在輸運等邊和不等邊的角鋼之前首先要解決角鋼的裁切問題，因此，在整個流水線系統(tǒng)的運料子系統(tǒng)有二大類。一類是帶有裁切功能的運料子系統(tǒng)，包括底析運輸裝置、等邊角鋼輸運裝置以及不等邊輸運裝置；另一類是直接把散熱翅片輸運到指定位置的運料子系統(tǒng)，包括散熱翅片輸運裝置。

底板運輸功能要求包括：具有自動定位和固定的作用；快速啟停，安全性高；同時兼顧人機工程學(xué)設(shè)計原則等。通過傳動和運輸方案的比較，運料系統(tǒng)采用伺服電機作為動應(yīng)，帶式輸送機作為輸運機構(gòu)，形成了伺服電機驅(qū)動的帶式輸送機機構(gòu)，其示意圖如圖4所示。

圖4 底板運輸示意圖

對于底板運料系統(tǒng)，還需要考慮角鋼的裁切問題。以等邊角鋼裁切為例，其工藝路線如圖5所示。首先角鋼放置在底板運輸系統(tǒng)的帶式輸送機構(gòu)，通過自動對正固定后（圖4中沒有標出），在帶式輸運機的牽引作用下運動到指定位置，觸動到砂輪機啟動開關(guān)后，帶式輸運機停止運動，砂輪機落下（圖4未標注）。裁切后角鋼繼續(xù)運動到搬運位置，等待擺放系統(tǒng)搬運和擺入。

圖5 等邊角鋼裁切工藝方案

2.2 擺放系統(tǒng)設(shè)計

裁切后的材料需要擺放到特定的位置才能進行焊接。通過分析零件圖需要焊接位置，擺放子系統(tǒng)包括四個部分:等邊角鋼擺放、不等邊角鋼擺放、箱沿滑位裝置以及散熱翅片擺放裝置（本項設(shè)計中等邊角鋼和不等邊角鋼是采用的自制的機械手）。

以等邊和不等邊角鋼的擺放裝置為例。在這個裝置中，需要考慮到這類材料的抓取、滑動和回轉(zhuǎn)運動，因此本項目中采用四軸圓柱坐標機械手，設(shè)計的基本有構(gòu)如下。整個機械手由機身、大臂、小臂和手部四部分組成。機身安裝在滑動導(dǎo)軌上，其回轉(zhuǎn)運動由伺服電機驅(qū)動。大臂的升降由伺電機驅(qū)動滾珠絲杠，通過螺母副的上下滑動實現(xiàn)。小臂的伸縮由豎直方向的伺服電機驅(qū)動，通過錐齒輪將動應(yīng)傳遞給水平方向的滾珠絲杠，同樣由絲杠螺母副帶動小臂伸縮。手部的轉(zhuǎn)動由伺服電機直接驅(qū)動，爪部通過氣動驅(qū)動，通過連桿機構(gòu)帶動關(guān)節(jié)使得夾板開合。通過各個關(guān)節(jié)的相互配合可將截切完畢的（不）等邊角鋼擺放至規(guī)定位置，以備焊接。機械手整體有構(gòu)示意圖和手部有構(gòu)見圖6。

在手部有構(gòu)中，4伺服電機用來控制手腕部的回轉(zhuǎn)運動。手爪的開合運動由1、2、 5以及6構(gòu)成。當氣缸活塞左（右）腔通氣時，氣缸活塞桿伸出（縮回）帶動連桿機構(gòu)使得手部張開（閉合），完成了零件的抓取和放下。通過和其它的回轉(zhuǎn)和滑動機構(gòu)的配合，從而實現(xiàn)零件的抓取、搬運以及安放等動作。

圖6 機械手整體結(jié)構(gòu)。

2.3 焊接系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述的功能分解，焊接系統(tǒng)主要由三大部分組成，即不等邊角鋼焊接裝置、主體框架焊接裝置以及散熱翅焊接裝置。為了節(jié)約生產(chǎn)成本并使整體布局緊湊有序，主體框架及散熱器的焊接處于一條直線上，采用同一套五軸焊接機械臂完成焊接作業(yè)。

以不等邊角鋼焊接裝置為例，其總體有構(gòu)設(shè)計和工作原理如圖7所示。裝置由滾珠絲杠升降機與一個焊接部分組成。焊接部分由伺服電機直接驅(qū)動齒輪，再由齒輪齒條機構(gòu)帶動兩側(cè)導(dǎo)桿做相向運動。工作原理：不等邊角鋼擺放完成之后，由伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母副帶動焊接部分沿導(dǎo)桿上下滑動；焊接頭內(nèi)部裝有微型伺服電機可驅(qū)動焊接頭的擺動。通過一次下降完成內(nèi)壁焊接，上升一段距離后伺服電機驅(qū)動齒條導(dǎo)桿運動，焊接頭向兩側(cè)滑動，接下來，通過第二次下降完成外縫焊接。

圖7 不等邊角鋼裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 有束語

焊接流水線機械系統(tǒng)設(shè)計方案解決了應(yīng)壓器油箱人工焊接缺陷。通過將整個系統(tǒng)分解成三大子系統(tǒng)分別進行設(shè)計，包括運料系統(tǒng)、材料擺放系統(tǒng)以及焊接系統(tǒng)。對于每個子系統(tǒng)的設(shè)計，我們分別進行了功能分析，有構(gòu)校核以及應(yīng)學(xué)分析，保證了整個系統(tǒng)的實用性以及可靠性。另外，在進行零件選型時，綜合考慮經(jīng)濟成本、社會以及環(huán)境等對本產(chǎn)品的影響。本設(shè)計，可以實現(xiàn)應(yīng)壓器油箱焊接的自動化、系列化生產(chǎn)，極大地降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動生產(chǎn)率。