變壓器油箱焊接流水線機械系統設計

(學院鹽城工學院機械工程，江蘇鹽城，224051)

引言

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

采用PLC控制方式，劉宗佳設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品的質量，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，并沒有考慮到變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、使用過程復雜，對操作者技術要求較高、焊接調試過程周期長等問題。因此，本文在深入研究變壓器油箱焊接工藝路線基礎上，通過分析變壓器油箱泄露、滲透、外觀不美觀的原因著手，考慮到操作方便性條件，提出變壓器油箱自動焊接方案。

1 變壓器油箱機械系統的總體設計方案

本文要解決的焊接產品如圖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，為了實現變壓器油箱自動焊接，需要解決各個部分的下料裁剪、運輸、擺放、固定等關鍵的動作。為了生產效率的最大化，各個環節要實現時序的無縫銜接。這個問題可以通過控制系統的調試來完成。另外，為了適應不同型號變壓器的焊接，整個流水線的設計具有一定彈性。

1-短散熱翅 2-長散熱翅 3-底板 4-側立柱 5-箱沿

圖1 產品三維圖

在考慮上述因素后，結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，變壓器焊接流水線機械系統包括三大子系統，即送料系統、擺放系統以及焊接系統。送料系統主要功能是將框架材料以及散熱片輸運到指定的位置，并將焊接好的產品輸運到出料口，例如角鋼經過裁切機構裁切后通過翻轉機構輸運到焊接位置；擺放系統主要將送料系統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；焊接系統功能按設置的時序對安裝好的零部件進行加工。

圖2 變壓器油箱總體加工路徑

經過對流水線的功能分析后，最終確定變壓器油箱自動焊接流水線的總體設計方案如圖3所示。為了保證系統的連續工作，提高生產率，各個子系統在位置上要緊湊，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總體設計方案

2 子系統方案設計

2.1 運料系統設計

根據總體設計方案，運料系統需要解決底板、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，在整個流水線系統的運料子系統有二大類。一類是帶有裁切功能的運料子系統，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，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設計原則等。通過傳動和運輸方案的比較，運料系統采用伺服電機作為動力，帶式輸送機作為輸運機構，形成了伺服電機驅動的帶式輸送機機構，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，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的帶式輸送機構，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)。裁切后角鋼繼續運動到搬運位置，等待擺放系統搬運和擺入。

圖5 等邊角鋼裁切工藝方案

2.2 擺放系統設計

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，擺放子系統包括四個部分: 等邊角鋼擺放、不等邊角鋼擺放、箱沿移位裝置以及散熱翅片擺放裝置(本項設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、移動和回轉運動，因此本項目中采用四軸圓柱坐標機械手，設計的基本結構如下。整個機械手由機身、大臂、小臂和手部四部分組成。機身安裝在滑動導軌上，其回轉運動由伺服電機驅動。大臂的升降由伺電機驅動滾珠絲杠，通過螺母副的上下移動實現。小臂的伸縮由豎直方向的伺服電機驅動，通過錐齒輪將動力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。手部的轉動由伺服電機直接驅動，爪部通過氣動驅動，通過連桿機構帶動關節使得夾板開合。通過各個關節的相互配合可將截切完畢的(不)等邊角鋼擺放至規定位置，以備焊接。機械手整體結構示意圖和手部結構見圖6。

在手部結構中，4伺服電機用來控制手腕部的回轉運動。手爪的開合運動由1、2、 5以及6構成。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。通過和其它的回轉和移動機構的配合，從而實現零件的抓取、搬運以及安放等動作。

下圖中，1-手腕(氣缸固定蓋)、2-氣缸、3-聯軸器、4-伺服電機、5-活塞桿、6-夾爪(多桿機構)

圖6 機械手整體結構。

2.3 焊接系統設計

根據上述的功能分解，焊接系統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。為了節約生產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。

以不等邊角鋼焊接裝置為例，其總體結構設計和工作原理如圖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動齒輪，再由齒輪齒條機構帶動兩側導桿做相向運動。工作原理：不等邊角鋼擺放完成之后，由伺服電機驅動滾珠絲杠旋轉，螺母副帶動焊接部分沿導桿上下移動；焊接頭內部裝有微型伺服電機可驅動焊接頭的擺動。通過一次下降完成內壁焊接，上升一段距離后伺服電機驅動齒條導桿運動，焊接頭向兩側移動，接下來，通過第二次下降完成外縫焊接。

3 結束語

焊接流水線機械系統設計方案解決了變壓器油箱人工焊接缺陷。通過將整個系統分解成三大子系統分別進行設計，包括運料系統、材料擺放系統以及焊接系統。對于每個子系統的設計，我們分別進行了功能分析，結構校核以及力學分析，保證了整個系統的實用性以及可靠性。另外，在進行零件選型時，綜合考慮經濟成本、社會以及環境等對本產品的影響。本設計，可以實現變壓器油箱焊接的自動化、系列化生產，極大地降低了生產成本，提高了勞動生產率。