異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備方案設計*

周曉曉，龔椿彭，郭正元，方浩賢

（1.廣東省智能機器人研究院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著機械自動化程度的不斷提高，自動化焊接設備的應用需求也逐漸增加。目前大部分企業往往是采用人工焊接的方式來實現部分表面復雜工件的焊接[1]，但人工焊接難以保證零部件之間的焊縫質量統一，因此，與焊接技術相關的企業進行自動化焊接的轉型也將成為行業未來發展的趨勢[2]。

在智能制造轉型升級的浪潮中，制造行業的自動化發展速度在不斷地加速，自動焊接設備同工業機器人一樣也在不停地往智能化與模塊化的方向發展以適應不斷轉型企業產能的需求[3]。

異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備所加工的對象是鐵管，該焊接過程需要多個工人先后進行鐵管折彎、鐵管打孔沖孔、壓緊螺母、焊接螺母等工序才能最終完成異形鐵管內嵌螺母焊接的任務，工藝較為復雜，需要多個工人協同工作才能完成整個流程。為提高焊接效率及質量、降低生產成本，本文采用模塊化設計方法，進行了工序流程規劃與整體方案設計，設計了一款異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備，滿足異形鐵管內嵌螺母的自動化焊接需求。同時企業要求異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備不僅能實現焊接功能也要實現螺母排料輸送、螺母壓緊等附加功能，這也表明了焊接設備往多功能、多樣化的方向發展[4-6]。

1 方案設計

1.1 需求分析

人工焊接對異形鐵管內嵌螺母的焊縫質量無法實現統一性、均衡性而且存在生產效率較低以及勞動成本高等缺點。異形鐵管內嵌螺母焊接設備與傳統人工焊接的功能需求對比，如表1所示。由表得出，使用自動化焊接設備完成相應動作可以極大減少生產成本[7-9]。而異形鐵管內嵌螺母焊接過程中，生產效率的高低主要與其工件法蘭螺母和異形鐵管的特征有關。

表1 異形鐵管內嵌螺母人工焊接與自動化焊接的需求對比

1.1.1 法蘭螺母特征

異形鐵管要求所壓入的螺母需要帶有法蘭，這樣才能使得螺母面與鐵管表面有足夠多的焊接表面，避免焊接過程中灼傷螺母的螺紋，因此螺母排序出料結構設計與螺母的外部特征緊密相關。所需要用到的法蘭螺母的外部特征如圖1和表2所示。

圖1 法蘭螺母外部特征

表2 法蘭螺母的具體參數mm

1.1.2 異形鐵管特征

根據企業提供的異形鐵管三維模型，經測量可知異形鐵管是一根長度大概為438 mm、內徑20 mm、外徑22 mm 的鐵管經2次折彎而來的，如圖2所示。

圖2 異形鐵管三維圖

1.2 工序設計

目前，企業對異形鐵管內嵌螺母焊接制造大都采用人工操作方式，工作流程如圖3所示。首先企業工人需要對來料鐵管進行加工處理，使之變為所需要的異形彎曲鐵管，接著鐵管口兩端需要進行縮口和沖槽處理。然后利用沖孔機在異形鐵管彎曲處進行沖孔，與之同時焊接的螺母經過工人的分揀后壓入管彎角處，最后由焊接工人進行焊接處理。

圖3 異形鐵管內嵌螺母焊接制造完整流程

異形鐵管內嵌螺母焊接制造主要包括了8 大工序，每個工序相互銜接構成了一個有機的整體。其中，螺母排序輸出、壓緊螺母及焊接螺母3大工序對產品的質量至關重要。目前企業受用人成本影響，考慮使用一款異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備完成以上3大工序。

異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備的工作過程設計如下：

（1）法蘭螺母排序輸出，要求在輸出螺母的同時也能保持法蘭面的方向一致性；

（2）法蘭螺母經過轉移送料及輔助轉運機構的接續動作，實現螺母在工位之間的轉移；

（3）法蘭螺母移到壓緊裝置中，壓緊件在外力的作用下將螺母壓入異形鐵管的沖孔處；

（4）壓好法蘭螺母的異形鐵管進入焊接裝置中，完成螺母焊接環節；

（5）已完成焊接的異形鐵管移至下料區等待下料；

（6）動作結束。

為了使得異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備順利地完成以上6步，需要對其設備進行工位設計。

1.3 工位設計

1.3.1 工件載具及夾具工位

工件載具及夾具主要是承擔著異形鐵管在整個設備運行過程中的夾緊作用。夾具目前可選的種類較多，如偏心夾緊機構、端面凸輪夾緊機構。而本單元模塊選用氣缸與鉸鏈組合的方式實現異形鐵管的夾緊功能。

1.3.2 螺母排序出料工位

螺母排序出料單元模塊作為異形鐵管內嵌螺母焊接設備的關鍵一環，它主要是將雜亂無章的螺母按照一定的規律排序輸出。結合實際需要，螺母排序出料單元采用振動盤加直線滑軌實現法蘭螺母平穩有序輸送的動作，既能保持法蘭面方向朝上也能避免法蘭螺母受到過大的沖擊力。

1.3.3 螺母轉移送料工位

螺母轉移送料單元模塊的功能主要是為了實現法蘭螺母在空間位置中的移動，使法蘭螺母由直線滑軌轉移至壓緊螺母的轉運機構中。

由于法蘭螺母屬于標準件，其螺紋孔的大小相同，內徑保持在一定公差范圍之內，所以可以選用法蘭螺母的螺紋孔作為參考面。通過以螺紋孔為拾取機構的參考取料特征，機構可以較快實現對螺母的定位，同時采用類似的張緊機構裝置來實現螺母的自動拾取，如圖4所示。

圖4 張緊機構示意圖

1.3.4 壓緊螺母工位

壓緊螺母單元模塊主要是實現將法蘭螺母直接壓入異形鐵管的管彎處。在壓緊螺母時需要保證法蘭螺母平穩緊密地進入異形鐵管。因此壓緊時法蘭螺母需要保持在水平面上，在下壓過程中不能傾斜過大，否則法蘭螺母無法準確壓入異形鐵管中。所以可利用氣缸驅動頂出壓板將法蘭螺母壓入異形鐵管的方法實現壓緊螺母功能。

1.3.5 焊接螺母工位

焊接螺母單元模塊主要功能是將已經壓緊的法蘭螺母進行焊接，該單元模塊可以使用固定焊槍的設計，也可以使用可動焊槍的設計。綜合考慮，為了使法蘭螺母與異形鐵管之間的焊縫更加緊密，本工位選擇可動焊槍形式進行螺母焊接，鑒于目前市場上的大多焊接設備尺寸較大，故需要設計一種由同步帶與氣缸組合的可動式焊槍結構完成焊接螺母功能。

1.3.6 鐵管下料工位

鐵管下料作為整機的最后一道工序，它要求可以將異形鐵管準確地由工件載具轉移至料框內。為了使得機器結構緊湊，該工位使用夾子將異形鐵管夾出，并放置于料道中使之滑入料框中。這種選擇具有結構緊湊且抓取異形鐵管穩定的特點。

2 整體結構布局設計

根據工位設計的情況對整體結構的布局進行設計。圖5所示為異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備的三維結構平面分布圖，展示了整體結構布局。整機主要包括螺母排序出料單元、螺母轉移送料單元、壓緊螺母單元、鐵管下料單元、工件載具及夾具單元、焊接螺母單元等工位。圖6所示為異形鐵管內嵌螺母自動焊接設備的立體三維結構。

圖5 整機結構布局

圖6 立體三維結構

3 結束語

研發出一種能實現異形鐵管內嵌螺母焊接的專用設備，制定了焊接過程的工序設計，設計工位方案，并得出總體設備三維模型，實現了異形鐵管與螺母之間的排序送料、壓緊、焊接、夾緊等自動功能，該設備具有結構緊湊、占地面積小、焊接效率高、焊縫統一性高、自動化程度高等優點，能有效降低企業的經濟成本。