一種離心風機蝸殼自動焊接工作站研制

楊紹忠 陳培茂

開發設計

一種離心風機蝸殼自動焊接工作站研制

楊紹忠1陳培茂2

（1.佛山市南海區信息技術學校，廣東 佛山 528000 2.佛山市順德區勒流職業技術學校，廣東 佛山 528000）

針對離心風機蝸殼輪廓線手工焊接勞動強度大、質量不穩定問題，研發一種自動跟蹤離心風機蝸殼輪廓線的焊接工作站。通過轉盤變位機的旋轉實現焊槍相對移動，設計焊縫跟蹤器追蹤離心風機蝸殼阿基米德螺線，實現一次性焊接成形。基于焊縫跟蹤器結構與焊接工藝要求，研發滿足阿基米德螺線轉速計算方程的穩定焊接速度、實時反饋閉環轉速控制等關鍵技術。該工作站在某廠實際應用，達到提高產品質量和生產效率及擴大產能的效果。

離心風機蝸殼；阿基米德螺線；自動軌跡跟蹤；PLC控制

0 引言

離心風機是一種重要通風設備，具有結構簡單、能耗低、風速高、流量大等特點，在隧道、地鐵、地下停車場等地下建筑，以及樓宇、冶金生產廠等場所應用廣泛。離心風機加工制造過程中，蝸殼制造是難點。離心風機蝸殼焊接通常由手工完成，工作量極大，蝸殼兩條阿基米德螺線焊縫焊接約占整個焊接量的45%[1]；大型離心風機蝸殼體積龐大、重量大，單人操作困難，需要小組配合完成，勞動強度大；離心風機蝸殼屬于薄壁曲線焊接，對焊接工人技能要求高，產品返工率高。為解決以上問題，本文設計一種離心風機蝸殼全自動焊接工作站，較好地解決離心風機蝸殼焊接時勞動強度大、占用人工多、產品質量不穩定等問題。

1　工作站功能

離心風機外形如圖1所示，離心風機蝸殼外輪廓焊縫線由葉輪空氣離心部分的阿基米德螺線和出風口直線組成。阿基米德螺線形狀相對復雜，無法像圓形工件一樣采用回轉運動焊接。因此，離心風機蝸殼自動焊接工作站應包括曲線輪廓跟蹤、直線跟蹤的焊縫輪廓自動跟蹤機構。

此外，離心風機蝸殼自動焊接工作站作為一種自動化程度較高的焊接設備，需配備傳感器、電子檢測線路，以實現對焊接電流、焊接電壓、送絲速度和焊接速度等參數的控制；且整個焊接過程可按預先設置的程序、工藝參數自動完成，以降低操作人員的技能要求[2]。

圖1　離心風機外形

2　工作站結構設計

2.1　工作站整體結構

離心風機蝸殼自動焊接工作站機械結構如圖2所示，主要由轉盤變位機、軸軌道、軸軌道、焊縫跟蹤器和跟蹤器橫臂等組成。主要機械結構功能如下：

1）轉盤變位機，由伺服電機帶減速箱驅動，用于放置、驅動離心風機蝸殼或其他工件，采用焊槍固定、工件旋轉方式進行離心風機蝸殼或圓形工件焊接；

2）、軸軌道，由伺服電機+滾珠絲杠驅動，用于跟蹤器橫臂、焊縫跟蹤器、焊槍在、軸上直線運動，調整焊槍位置或在焊接直線時用于直線插補，擴大應用范圍；

圖2　風機自動焊接工作站機械結構圖

3）跟蹤器橫臂，用于安裝、固定焊縫跟蹤器，并在焊接時提供軸方向跟蹤貼合力；由齒輪齒條傳動副、直流減速電機組成，減速電機驅動軸與齒輪之間通過電磁離合器連接，實現扭矩控制，并通過齒條獲得合適推進力，使焊縫跟蹤器探頭隨時接觸蝸殼邊緣，實現蝸殼輪廓跟蹤；根據離心風機蝸殼常用尺寸，跟蹤器橫臂行程設計為900 mm[3-4]；

4）焊縫跟蹤器，安裝于跟蹤器橫臂前端，其與跟蹤器橫臂連接處的軸方向裝有齒輪齒條傳動副，軸方向跟蹤動力來自減速電機驅動力、離心風機蝸殼旋轉時對上探頭的反向推力，保證焊槍與焊縫在軸方向貼合；在焊縫跟蹤器軸方向裝有帶彈簧導軌，軸方向跟蹤動力來自彈簧彈力和下探頭上的磁鐵吸力，使跟蹤器做軸方向自適應跟蹤，焊縫跟蹤器結構圖如圖3所示。

圖3　焊縫跟蹤器結構

焊槍安裝在焊縫跟蹤器支架上，調節焊縫跟蹤器位置，使焊縫跟蹤器上、下探頭分別接觸蝸殼邊緣和底板，如圖4所示。在焊接離心風機蝸殼時，蝸殼隨轉盤變位機轉動，焊縫跟蹤器帶著焊槍跟隨離心風機蝸殼焊縫在軸、軸方向上移動；焊絲端部始終位于焊縫幾何交線處并指向焊縫中心。

圖4　焊縫跟蹤器安裝示意圖

2.2　免工裝設計

通過轉盤變位機和焊縫跟蹤器，可實現離心風機蝸殼輪廓自動跟蹤。在實際測試中，焊接工作站的自動跟蹤功能不僅適用于離心風機蝸殼阿基米德螺線的輪廓，也適用于與阿基米德螺線相切的風機出風口直線的輪廓，可實現一次性焊接成形。這樣即使離心風機蝸殼阿基米德螺線極坐標原點不在轉盤變位機圓心上，也能很好地跟蹤焊縫，省去設計制作特殊工裝夾具。

為使離心風機蝸殼自動焊接工作站自動化程度更高，操作更簡便，在焊縫跟蹤器上安裝焊接起點、終點行程開關，如圖5所示。焊接起點行程開關用于尋找焊接起點，由工人擺放離心風機蝸殼并調整好焊縫跟蹤器上下探頭與焊絲位置。啟動轉盤變位機反轉，當起點行程開關動作時停止，此位置為風機輪廓線焊接起點。焊接終點行程開關在風機輪廓線焊接結束時，由風機出口連接處擋板觸動，向可編程邏輯控制器PLC發出焊接停止指令。

圖5　跟蹤器行程開關

3　工作站控制系統設計

3.1　工作站控制系統原理

離心風機蝸殼自動焊接工作站由FX3U-32MT PLC作為主控單元，采用集中控制模式，通過RS-485總線與各控制單元連接，實現手動控制、模擬焊接和自動焊接等工作模式[5]。離心風機蝸殼自動焊接工作站控制系統框圖如圖6所示。

圖6　離心風機蝸殼自動焊接工作站控制系統框圖

離心風機蝸殼自動焊接工作站焊接工作流程：人工將預處理好的離心風機蝸殼放上轉盤變位機→調整跟蹤器位置使焊槍對準焊縫→反轉轉盤變位機使焊槍對準焊縫起點→不起弧狀態下執行模擬焊接→確認焊接軌跡準確，并返回原點→正式焊接→焊接結束，并取出成品。

離心風機蝸殼自動焊接工作站焊接工藝控制流程[6]：焊槍對準焊縫起點→按下啟動按鈕→啟動跟蹤功能→保護氣體接通→焊接電源引弧→自動送絲、轉盤變位機啟動并進行自動焊接→終點行程開關動作→送絲、轉盤變位機停止→焊接電源收弧→保護氣體斷開→停止跟蹤功能→焊接完成，并取出成品。

通過人機交互系統可對焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、起弧前提前送氣時間、收弧后延時停氣時間等焊接工藝參數進行設置。

3.2　工作站控制系統關鍵技術

在焊接蝸殼阿基米德螺線時，焊槍相對不動，靠轉盤變位機帶動蝸殼旋轉實現焊接。由于蝸殼不是圓形，螺線的半徑隨角度旋轉而增大，根據=，可知當角速度（轉速）不變時，螺線半徑越大，焊槍處的線速度就越大。若轉盤變位機轉速保持不變，則焊縫處線速度逐漸增加，影響焊接質量。根據焊接工藝要求，焊接速度要相對穩定，可通過控制蝸殼旋轉速度來實現焊接點線速度不變。

3.2.1基于阿基米德螺線方程的轉速計算方法

阿基米德螺線示意圖如圖7所示，從阿基米德螺線[7]的A點旋轉到B點，旋轉弧度為，假設A點半徑為，螺旋線每增加單位角度時增加的數值為，則B點半徑的極坐標方程式[2]為

當時，a（a > 0）為起點到極坐標原點的距離，相當于蝸殼最小半徑，而極坐標原點就是轉盤變位機圓心[6]。

結合式(1)，可得焊接轉速與回轉角度關系為

式中，為轉盤轉速；為焊接速度；為蝸殼起點半徑；為相對起點回轉的弧度；，為常數。

由式(4)可計算蝸殼焊接過程中任意一點轉盤轉速，轉換成驅動轉盤變位機的伺服電機脈沖數、脈沖頻率，從而控制蝸殼焊接速度，保持焊接速度相對穩定[5]。

3.2.2基于傳感器獲取離心風機蝸殼半徑的轉速計算方法

上述基于阿基米德螺線方程的轉速計算方法，在實際應用中針對批量產品焊接應用具有便利性，但對于需要經常修改參數，和的小批量產品不太便利，故提出基于位置傳感器獲取離心風機蝸殼半徑的轉速計算方法。

位置傳感器安裝示意圖如圖8所示，在焊縫跟蹤器橫臂的齒輪齒條傳動副處安裝一個位置傳感器，并通過齒輪、齒條連接，反饋焊縫跟蹤器橫臂齒條伸縮的長度，獲得焊槍位置[7]。如圖2所示，令轉盤變位機圓心到焊縫跟蹤器橫臂支點的直線距離為；位置傳感器反饋焊縫跟蹤器橫臂支點到焊槍的距離為1，根據焊槍緊貼離心風機蝸殼外輪廓，可計算出當前觸點的離心風機蝸殼半徑為

由=，可得

圖8　位置傳感器安裝示意圖

在焊接速度一定情況下，可得到轉盤變位機轉速與1關系為

此時，，為固定值。

此方法宜選擇有位置記錄的傳感器，無需每次開機都返回原點操作[8]。本文采用多圈式電阻傳感器，通過A/D轉換向PLC提供位置數據。

4　工作站實踐效果

離心風機蝸殼自動焊接工作站在北京某鍋爐廠風機分廠實際應用，達到預期效果，主要表現在：

1）提高產品質量，以往采用人工焊接離心風機蝸殼會出現焊道彎曲、中斷不連續、咬邊等現象，焊接完成后還需進行修補、打磨；但采用離心風機蝸殼自動焊接工作站，可達到焊道波形、寬度、高度均勻的效果，無需后期打磨，產品質量穩定可靠；

2）提高生產效率、降低勞動強度，離心風機蝸殼自動焊接工作站可一次性完成離心風機蝸殼所有角焊縫的自動焊接，提高了生產效率；以8#~13#離心風機蝸殼為例，由于蝸殼尺寸較大，單人操作困難，使用本工作站后，單個普通工人單班產量即達13件，綜合效率提高近2倍；

3）擴大產能，北京某鍋爐廠風機分廠年產值約7000萬元，采用本工作站僅4個月即完成全年離心風機蝸殼產量。目前全國近30家風機企業采用本工作站進行蝸殼焊接。

[1] 宋長健.離心風機蝸殼自動焊接機控制系統[J].天津職業院校聯合學報,2006(2):34-36.

[2] 劉濤,李銀萍.基于等誤差阿基米德螺線法的渦旋型線的擬合算法研究[J].組合機床與自動化加工技術,2019(6):17-19.

[3] 胡國飛,朱建春,張高超,等.變電站接地扁鋼自動焊接機的焊接系統設計[J].機電工程技術,2019,48(5):120-121,233.

[4] 譚智,宋福林,何文學.鈑金零件孔特征的提取及其PLC控制模型[J].機械工程師,2019 (9):82-84.

[5] Deanna Sessions, Alexander Cook, Kazuko Fuchi, et al. Origami-inspired frequency selective surface with fixed frequency response under folding [J]. Sensors,2019,19(21): 4808.

[6] Kelley M, Huff G. Dual-band frequency selective surfaces based on multi-arm sub-wavelength Archimedean spirals[J]. electronics letters, 2015,51(19):1476-1478.

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[8] 譚坤.基于數字控制的環縫自動焊接機的應用設計分析[J].科教導刊(上旬刊),2018(10):58-59.

Development of Automatic Welding Workstation for Volute of Centrifugal Fans

Yang Shaozhong1Chen Peimao2

(1.Nanhai Information Technology School, Foshan 528000, China 2.Le Liu Vocational-Technical School, Foshan 528000, China)

The design and implementation of an automatic welding workstation for centrifugal fans aim at the problems of high dynamic strength and unstable quality in traditional manual welding of fan volute contour. This paper introduces an automatic welding workstation for volute contour of centrifugal fan. The structure and working principle of seam tracker are introduced in detail, control system principle of workstation and key technology of welding process. The workstation is applied in a factory to improve product quality, production efficiency and expand production capacity.

volute of centrifugal fans; Archimedes spiral; automatic welding; automatic track tracking; PLC control

楊紹忠，男，1983年生，本科，機電高級講師，主要研究方向：PLC自動控制系統應用、工業機器人系統集成應用。E-mail: YSZ1717@nhedu.net

陳培茂，男，1978年生，本科，電子講師，主要研究方向：工業自動化控制系統、工業機器人系統集成應用。E-mail: cpm21@163.com

TP23

A

1674-2605(2020)03-0007-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.007