全焊接球閥正交相貫線自動(dòng)焊接工位的設(shè)計(jì)及研究

張躍飛，蔣立正，張 苗，吳達(dá)洲

（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，溫州 325003；2.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)系，杭州 310053；3.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，杭州 310014）

0 引言

近年來，隨著能源結(jié)構(gòu)及區(qū)域重點(diǎn)的調(diào)整，我國石油、天然氣管線取得了飛速發(fā)展[1]。在以西氣東輸為代表的管線工程建設(shè)中，其開關(guān)調(diào)節(jié)閥門很多都是采用國際上成熟應(yīng)用的全焊接球閥，它具有啟閉迅速、密封性能良好等優(yōu)點(diǎn)，且可以直埋于地下，能與管線同壽命，是石油、天然氣長輸管線最理想的閥門，也是長輸管線閥門發(fā)展的方向[2,3]。

由于我國的管路系統(tǒng)對壓力、材料和環(huán)境的要求都比較高，也就對全焊接球閥提出了更高的要求[1]。國內(nèi)江蘇神通閥門股份有限公司、蘭州高壓閥門有限公司等企業(yè)先后投資閥門智能制造生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目，為輸氣管線、石油化工等提供高品質(zhì)的配套閥門，替代進(jìn)口；該類技術(shù)應(yīng)用可提高生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和智能制造水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升以有效降低成本，提升企業(yè)整體競爭能力[4,5]。

1 自動(dòng)焊接工位的總體設(shè)計(jì)

1.1 全焊接球閥及傳統(tǒng)焊接方法簡介

圖1所示為企業(yè)委托的某全焊接球閥實(shí)物及裝配結(jié)構(gòu)組成。該全焊接球閥主要由支管、閥體、中口閥套、手柄及內(nèi)部組件（球體、閥座、閥桿等）、閥桿軸套、手柄等零件構(gòu)成。當(dāng)前，支管與閥體間的軸向環(huán)縫采用埋弧自動(dòng)焊方法，而閥體與閥桿軸套間的正交相貫線采用手工焊方法，焊接效率低，焊縫不均勻，容易造成大批產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

為此，我們擬根據(jù)相貫線的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合自動(dòng)焊接生產(chǎn)線的前后工藝及工序，力求使開發(fā)的自動(dòng)焊接工位的焊接操作便捷、生產(chǎn)效率及焊縫強(qiáng)度相比傳統(tǒng)方式有大幅度地提高。

圖1 全焊接球閥實(shí)物及結(jié)構(gòu)組成

圖2 點(diǎn)焊件的自動(dòng)焊接工藝流程

1.2 自動(dòng)焊接工藝流程分析

為了實(shí)現(xiàn)工位的自動(dòng)焊接，閥體與閥桿軸套可先點(diǎn)焊連接，后采用如圖2所示的焊接工藝流程。1）點(diǎn)焊件上料后完成快速裝夾，將其調(diào)整到施焊點(diǎn)；2）調(diào)整焊槍位姿并施焊、收弧；3）施焊完成、焊槍復(fù)位；4）零件搬運(yùn)至下料點(diǎn)，并自動(dòng)下料；5）重復(fù)上述步驟，可確定工位的工作順序和動(dòng)作方式。

1.3 自動(dòng)焊接工位的總體方案及布局

自動(dòng)焊接工位的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，由自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)、定位夾緊機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、工件搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)、工件、安裝支架及控制系統(tǒng)組成。

圖3 自動(dòng)焊接工位的總體結(jié)構(gòu)

其中，安裝支架上安裝固定有自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)，而工作臺(tái)作為整個(gè)工位的支撐，支撐著定位夾緊機(jī)構(gòu)等其他工作裝置，其下部安裝有控制系統(tǒng)，控制各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序及自動(dòng)焊機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

1.4 自動(dòng)焊接工位的工作原理

采用自動(dòng)焊方式，夾緊機(jī)構(gòu)松開，上料機(jī)械手將工件放置于定位機(jī)構(gòu)上，夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，快速夾緊工件；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，將工件轉(zhuǎn)過90°轉(zhuǎn)至施焊方向；工件搬運(yùn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將工件運(yùn)輸至自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)正下方的施焊點(diǎn)；自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)工作，調(diào)整焊槍位姿并施焊、收弧、焊槍復(fù)位；工件搬運(yùn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將工件運(yùn)輸至下料點(diǎn)；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，將工件轉(zhuǎn)過90°至下料方向；夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，快速松開工件；下料機(jī)械手將工件取出。

2 自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制策略

2.1 正交相貫線數(shù)學(xué)模型的建立

要完成正交相貫線焊縫的自動(dòng)焊接，控制系統(tǒng)需要控制各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成焊接，就必須要建立相貫線的數(shù)學(xué)模型[6,7]，為控制算法的實(shí)現(xiàn)打好基礎(chǔ)，圖4給出了正交相貫線的空間坐標(biāo)系模型。

圖4 正交相貫線的空間坐標(biāo)系模型

圖5 正交相貫線模型的側(cè)向視圖

在三維坐標(biāo)系內(nèi)，相貫線上任意一點(diǎn)都可以向x、y、z軸投影得到在各個(gè)坐標(biāo)軸上的長度。反之，如果確定了一個(gè)點(diǎn)在各坐標(biāo)上的投影長度，也可以唯一確定在三維坐標(biāo)系內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。表達(dá)式如下：

式中，φ為平面z=0截得閥體界面參數(shù)角φ=2πnt，其中R，r為閥體、支管的半徑；n為焊槍繞z軸周轉(zhuǎn)的速度；t為焊槍繞z軸周轉(zhuǎn)的時(shí)間。

圖5為沿y軸正向看工件的側(cè)向視圖。相貫線的投影是閥體大圓上的一段圓弧，它的變化范圍是弧頂和弧底的高度差。圓弧段上A點(diǎn)和Z軸的夾角為c，該角度為焊槍的姿態(tài)，用來保證焊槍始終垂直于圓心，則可知：

由式(2)可知，相貫線的夾角c隨A點(diǎn)位置在不斷變化，但焊槍實(shí)際位置要保證準(zhǔn)確的理論角度很困難，由-r≤x1≤r，則夾角c的變化范圍為：

2.2 自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由式(3)知夾角c變化范圍較小，故在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不對焊槍偏擺作控制，可降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。焊槍回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制，通過傳感器獲取位置信息。控制系統(tǒng)根據(jù)位置信息、相貫線參數(shù)計(jì)算得到焊槍的上下移動(dòng)位置，并通過升降電機(jī)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)焊槍進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。整個(gè)焊接過程完全智能化，無需作任何調(diào)節(jié)，相貫線可一次焊接成型。

自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中，升降電機(jī)1通過同步帶傳動(dòng)5帶動(dòng)豎向移動(dòng)板7上下移動(dòng)；豎向移動(dòng)板7上安裝有帶抱閘旋轉(zhuǎn)電機(jī)2，而電機(jī)輸出軸下方連接旋轉(zhuǎn)軸6；氣缸3、焊槍4連同安裝在L型板8上隨旋轉(zhuǎn)軸6一起運(yùn)動(dòng)；焊槍角度可調(diào)整，以控制焊接氣缸得到引弧和斷弧；焊槍4的圓周運(yùn)動(dòng)與上下移動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)相互合成，并控制焊槍按照閥體與支管正交相貫線的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，就可以焊接出需要的相貫線。

圖6 自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的控制策略

相貫線是一條連續(xù)的空間封閉曲線，為便于進(jìn)行軌跡控制，可將它轉(zhuǎn)換成一系列的離散點(diǎn)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將相貫線作等分處理，同時(shí)考慮工作速度和擬合曲線的平滑度，保證離散點(diǎn)擬合成的相貫線曲線失真度很小，以滿足焊接要求。

由于焊縫的存在，需預(yù)留一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)，這個(gè)補(bǔ)償系數(shù)會(huì)自動(dòng)增加閥體的半徑數(shù)值，保證焊接曲線和實(shí)際焊縫的高度契合，控制策略如圖7所示。

圖7 自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的控制策略

3 其他輔助機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 定位夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于自動(dòng)焊接工位來說，定位與夾緊機(jī)構(gòu)是一個(gè)重要部分，影響工位焊接的精度和可靠性。

定位夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，其中，工件的定位方案：采用三個(gè)短V塊外圓定位，y方向兩個(gè)短V塊1限制4個(gè)自由度，x方向的短V塊2限制剩余的2個(gè)自由度；工件的夾緊方案：采用旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸5裝上V型壓塊4，對閥體左右兩端上表面施壓，該氣缸可以實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)。

圖8 定位夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)工件焊接位姿的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

其中縱向安裝桿5上固定有氣動(dòng)手指4，與轉(zhuǎn)動(dòng)桿8連接；主動(dòng)軸7、齒輪3及轉(zhuǎn)動(dòng)桿8三者同軸并固定于軸承座6上；氣動(dòng)手指4夾緊工件的閥體撥桿，推拉氣缸1動(dòng)作，可推動(dòng)齒條2前后移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)氣動(dòng)手指4翻轉(zhuǎn)過90°至焊接位姿；齒條2上安裝了油壓緩沖器觸碰板，并在齒條2前后安裝了前油壓緩沖器和后油壓緩沖器，以保護(hù)推拉氣缸1，保證翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使用的可靠性。

圖9 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)構(gòu)由x、y向滑臺(tái)組成，如圖10所示。

圖10 搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖10中，x向滑臺(tái)由電機(jī)+滾珠絲杠+直線導(dǎo)軌組合，采用電機(jī)自動(dòng)控制方式；y向滑臺(tái)由滾珠絲杠+直線導(dǎo)軌組合，短行程采用手動(dòng)控制。當(dāng)工件需要調(diào)整至焊接姿態(tài)呈待施焊接及施焊后待下料狀態(tài)，可調(diào)整x向滑臺(tái)沿x軸移動(dòng)；y向滑臺(tái)采用手動(dòng)微調(diào)方式，可調(diào)整y向短程移動(dòng)，保證工件與自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)之間處于正確位置。

4 結(jié)論

1）實(shí)踐證明：由于相貫線焊縫的空間存在，可考慮加上補(bǔ)償系數(shù)，綜合焊槍的行走速度和擬合曲線的平滑度，對相貫線進(jìn)行補(bǔ)償，從而使相貫線焊縫的曲線失真度很小，能夠符合產(chǎn)品要求。

2）設(shè)計(jì)的定位夾緊機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)等可實(shí)現(xiàn)工件的快速定位夾緊、翻轉(zhuǎn)至待施焊位置及上下料的快速搬運(yùn)等功能，該些機(jī)構(gòu)的可靠性及焊接效率較高，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）自動(dòng)焊接工位避免了焊接質(zhì)量不穩(wěn)定和人為差錯(cuò)現(xiàn)象，提高了焊接效率，改善了生產(chǎn)環(huán)境，可以為泵閥制造企業(yè)的焊接自動(dòng)化改造提供借鑒。