基于PLC 的電動三輪車車邦自動焊接設備及生產線研究*

李濟洲，陳 靜

（淮北職業技術學院機電工程系，安徽 淮北 235000）

電動三輪車以經濟、環保、便捷等特點，廣泛地應用在城鄉結合部的大街小巷。但其產品質量和生產效率一直難盡如人意，尤其是產品質量不高的電動三輪車給道路交通帶來了安全隱患，以至于許多地方相繼出臺了電動三輪車“禁售禁行”的管理政策。電動三輪車生產技術含量低，大多數廠家采用手工焊接車邦、外購電機、控制器等，手工組裝而成，工藝落后、效率低下，產品質量一致性差。部分生產規模較大的廠家在胎具上手工組配車邦坯料，采用通用機器人焊接車邦單葉，人工組裝車邦、電機和其他附件等，目前尚未開發電動三輪車的全自動連續生產線，基于此，以徐州某車業公司生產線改造為例，設計了車邦4 自由度可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 自動控制焊接專用設備和自動生產流水線。工業試驗表明，單個車邦焊接效率是手工焊接的2 倍，成本是采用通用機器人焊接的70%～80%，產品焊接缺陷也大幅度降低，具有很強的應用價值。

1 車邦自動焊接設備及生產線的技術方案設計

電動三輪車由邊邦、底邦、車架、電機、控制器及附件組合而成，邊邦和底邦統稱車邦。本研究以電動三輪車車邦焊接自動線為例，探討了利用專用焊接設備進行自動焊接的設計方案。

1.1 車邦焊接結構制造工藝過程

以電動三輪車比較常見的邊邦為例，介紹車邦焊接結構制造工藝過程。該邊邦的規格為1250×407 mm，框架為材質Q235 的方管，內側覆0.1～0.3 mm 鋼板，鋼板與框架連接的主要形式為點焊或短連續焊，設計32 個焊點。

為完成該邊邦焊接成型，其工序流程見第53頁圖1。具體工序流程如下：等離子切割機將檢驗合格的方管下料→方管經折邊機彎曲、沖壓、折邊成型滿足形狀尺寸要求的邊框和輻筋→PLC 自動控制滾子鏈運動將固定邊邦覆筋胎具（見第53 頁圖2） 送入指定工位→機械手將邊框和輻筋布樣成型并自動夾緊（見圖2） →啟動自動送料機構將布樣成型胎具送到指定工位→啟動自動焊接設備PLC 自動控制施焊→焊后產品質檢→對不合格產品進行后續返修→合格產品進行覆板并夾緊固定→自動焊接設備焊接覆板→產品質檢→合格的產品→表面處理（噴砂除銹、洗滌、涂漆等） →轉入部件裝配→總件裝配→成品質檢→入庫。

1.2 多點自動控制焊接流水線

以江蘇徐州某廠電動三輪車車邦焊接技術改造為例，該廠產品的國內占有率約為15%，一度采用手工焊接，產品存在燒穿、焊瘤、成形差、咬邊、未焊透、未融合和焊縫不良等較多焊接缺陷[1]。通過技術改造，采用通用機器人末端加裝焊炬人工示教器編程自動控制焊接，效率較以前提高了約30%，焊接缺陷也大幅度下降。然而，技術改造后的生產方式使用的夾具和工序之間的產品傳遞仍然靠人工完成，沒有實現自動生產流水線。基于此，為進一步提高生產效率和產品質量、降低技術改造成本，探討了技術改造方案為采用PLC 控制的4 自由度自動控制焊接專用設備和自動生產流水線，即車邦多點自動控制焊接流水線，見圖3。

圖1 邊邦焊接成型工序流程圖

圖2 固定邊邦覆筋胎具和人工布料夾緊示意圖

采用雙焊槍多點自動控制焊接比采用通用機器人的技術改造方案可節約資金約40%，尤其是其結構布局緊湊，非常適用于該廠車間狀況，能夠實現自動送料、自動焊接、自動翻轉、自動焊接背面、自動送入物料車，完成一個流水線的工作節拍，但不適用于多車型的生產。采用彈匣送料方式，圖3所示的生產流水方向為由左往右，依次為第一工位、第二工位、第三工位、第四工位。具體工序流程如下：首先，設計一個物料車，按照需要連接的方式，人工將物料擺放入內，一次放入10 個，這個物料車可以推入第一工位，到達第一工位后，啟動雙點焊專用自動焊機，雙點焊專用自動焊機開始焊接這個部件的正面焊縫，焊接完畢后，焊機抬起，卡部件的卡具抬起，檢測右邊工位是否為空，不為空則等待，為空則由左側推具右推，已焊好的部件沿滑道進入第二工位；其次，第二工位拉動部件到位，人工檢測焊接質量并補焊（如需要），然后翻轉，通過腳踏開關將之右推，送入第三工位；再次，第三工位也裝有雙點焊專用自動焊機，傳感器檢測到位后，雙點焊專用自動焊機開始工作，完成后，檢測第四工位如果為空則將之送入第四工位，否則等待；最后，在第四工位人工檢測，發現需要補焊的地方進行補焊，完成后通過腳踏開關將焊接完成的部件送入右方物料車，物料車自動下移一格，10 個裝滿后，將物料車推走，去總裝工位。

圖3 多點自動控制焊接流水線示意圖

在該工序流程中，第一工位物料送至第二工位后，上方卡具回位，物料車通過電動傳動機構將下方物料上托，使之到達焊接位置，到達后，雙點焊專用自動焊機開始進行下一輪焊接。如此，本條線可以一次焊接10 個部件，10 個焊接完成后，將第一工位已經空了的物料車推走，換上一個裝滿的物料車，繼續進行，這樣就極大地提高了效率。盡管一條線一個人就可以完成，但由于焊接效率太高，一個人可能勞動強度過大，因此可以安排兩個人，一個人裝物料，一個人補焊。

對本條流水線的討論：可以將4 個工位改成2 個工位，人工檢測的2 個工位可省去，只要一個工位焊接正面焊縫，另一個工位翻轉和焊接背面焊縫即可，當一個物料車全部焊接完成后，可以由專人進行檢測和補焊。這樣的流水線對車廂部件是適用的，多少個車廂就可以建多少條流水線。對于底邦可以分解2 個部件，使用多點焊專用自動焊機進行焊接。對使用多點焊專用自動焊機的要求：物料精度要高，不能長短不一，因為專用自動焊機不具備自動尋縫的功能，所以也不能進行槍頭擺動焊接。對使用彈匣送料方式的要求：下料精度要高，如果是用切割機切下來的，則注意不要有毛邊。

結合通用機器人進行焊接，一些復雜、多面、多點的焊接不適用多點焊專用自動焊機，比如車底座部分、車的總裝部分等，這就需要更靈活的通用機器人，總裝部分至少需要裝5 臺通用機器人，才能滿足需要，不至于在總裝部分出現效率瓶頸。

2 多點焊專用自動焊機結構設計

多點焊專用自動焊機結構包括水平傳動機構、垂直傳動機構等，根據技術改造生產需要確定設計參數，并給出了計算和校核結果。

2.1 水平運動機構的設計

設計水平傳動機構需要確保其運動的靈活性和精度，要盡可能縮短傳動鏈，電機采用步距角0.9°的步進電機，并由單片機控制脈沖分配方式，從而減少系統器件數量，提高系統可靠性。驅動電源采用單電壓驅動，通過細分調節驅動器的控制精度，可以實現快慢速控制步進電機轉速，步進電機通過無齒錐環聯軸器直聯滾珠絲杠螺母副，減少中間傳動部件，步進電機非輸出軸端安裝編碼器實現對運動速度和位移的檢測、信號反饋，由控制系統完成對誤差的糾正[2]。直線運動設計參數如下：載重質量M=50 kg；精度為±0.1 mm；重復定位精度為±0.05 mm；最大運動速度vmax=14 m/min；最大行程smax=1000 mm；設計壽命Lt=250000 h。

步進電機直聯滾珠絲杠螺母副，無中間傳動機構，傳動比i=1，選擇步進電機最大轉速Nmax=2000 r/min，導程L≥7 mm。查《機械設計手冊》，選擇絲杠標準規格為8 mm。取絲杠螺母間摩擦系數μ=0.1，滑動阻力Fa=μ.F=49 N，設計軸向平均負荷為Fm=F+ fa=539 N，fw=1.2，絲杠外徑D 取20～40 mm。選擇的直線模組為絲桿型，根據實際計算和設計生產需要，滾珠絲杠螺母副主要參數選擇如下：絲杠外徑為26 mm；絲杠長度為1300 mm；絲杠導程為8 mm；最大行程為1000 mm；動負荷為660 kg；最大轉速為2000 r/min；固定形式為固-固；螺母為內循環滾珠螺母。

2.2 垂直運動機構的設計

專用自動焊機在施焊時要采用上下運動形式，跟蹤和焊接要有一定的精度要求，考慮焊炬及設備自重下垂，要有自鎖功能，綜合考慮選擇滑動螺旋傳動，雖然其效率損失較多，但是具有很好的自鎖性能，采用30°角的梯形螺紋[3]，其垂直運動設計參數如下：載重質量M=30 kg；行程為800 mm；最大速度為2 m/min；精度為0.1 mm。

選擇螺桿和螺母的材料分別為45 號鋼和ZCuSn10Zn2 鑄造銅合金，則螺紋中徑計算公式為

式中：ξ 為梯形螺紋尺寸影響系數；M 為最大載重質量；φ 為載荷系數；[P]為活動螺旋副許用壓力。查手冊，選取參數計算螺紋升角，計算公式為

式中：l 為導程，單頭螺紋l=p=2 mm。螺旋副當量摩擦角的計算公式為

式中：f 為摩擦因數，取0.09；α 為螺旋角，取30°。由于計算結果λ≤ρ，因此滿足自鎖條件。最大輸入轉速的計算公式為

電機驅動功率的計算公式為

輸入力矩為

最終，選取步進電機步距角為1.8°，參考型號為42BYG250CK-0081，符合設計需求。絲杠螺母副的結構、安裝調隙形式與水平傳動機構相同。

3 多點焊專用自動焊機的PLC 控制系統

1） 系統設計。通過PLC 控制多點焊專用自動焊機的平行移動X，Y，Z 軸和焊頭的旋轉A 軸，需要112 個輸入點、68 個輸出點，1 個主站PLC、1 個從站PLC 和4 個擴展模塊，使用4 臺驅動器驅動伺服電機控制4 個軸的運動，觸摸屏作為人機對話界面，與PLC 建立通信后，通過觸摸屏運用，配合PLC 硬件電路監控和操作焊機，提高了整個控制系統的自動化程度[4]。使用RS485 通信接口連接主站PLC 與觸摸屏，而從站PLC 與示教器連接則使用RS232 通信接口，RS485 通信接口、RS232 通信接口都是比較常用的串行通信方式，成本低、可靠性高，組網簡單[5]。

2） 硬件設計。選擇Y 型PLC，歐姆龍CP1H系列，有24 個輸入點和1 個公共端。根據工藝需要，設計手動、示教器和工作3 種控制模式，在工作模式下，當已布料的胎具到達指定焊接工位后，胎具上的傳感器就會把信號傳給PLC，PLC 觸發電磁閥控制氣缸伸出夾緊胎具，夾緊到位指示燈亮，接著專用自動焊機就會按照預定的路線自動移動并施焊，焊后自動松開夾具，胎具前移至下一個工位。除自動焊接功能外，還兼有計數功能，焊接完成會自動計數。為了便于查看機械是否正常工作，還有故障報警功能。手動模式通過硬件按鈕實現，按下按鈕給PLC 一個指令，PLC 通過程序控制自動控制焊接專用設備實現各種運動，如X，Y，Z 軸移動、回零、施焊、胎具夾緊、松開等。示教模式可以給操作者調試自動焊接設備帶來方便，可單步執行及增步、減步，準確實現其路徑優化[6]。

3） 軟件設計。根據工作順序編寫程序，PLC控制系統的程序流程見圖4。觸摸屏有故障報警功能，一旦工作異常就會出現故障報警，報警信息通過PLC 觸發，根據記錄的報警信息可以迅速查找故障并排除。根據自動控制焊接專用設備的控制方式、焊接參數等設計觸摸屏主控界面的配置界面和運行界面[6]。操作者通過該人機交互界面對自動控制焊接專用設備進行運行監控和操作。

4 結束語

該技術改造方案利用PLC 控制4 自由度自動控制焊接專用設備，完成電動三輪車車邦多點自動控制焊接流水線生產，完全能夠實現自動送料、自動焊接、自動翻轉、自動焊接背面、自動送入物料車的流水線自動工作流程，從而進一步提高生產效率和產品質量、降低技術改造成本。該技術改造方案設計通過實驗，理論產能達到400 件/h[7]，但不適用于多車型的生產。該技術改造方案設計還缺少自動智能判斷產品是否合格的功能，因此還應當結合視覺和自動尋焊等完善車邦自動焊接技術，實現車邦焊接的全自動化，從而促進車邦制造裝備更新換代，實現技術先進、功能完善和運行可靠等目的。

圖4 PLC 控制系統的程序流程圖