接線板自動焊接裝置設計

高金乾， 沙 玲

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

接線板焊接的傳統工藝主要依靠人工使用外熱式電烙鐵進行焊接，存在效率低、升溫慢，以及電烙鐵體積較大等缺點[1]159；而且電烙鐵的溫度不能得到有效的控制，只能靠烙鐵頭的大小稍作調節[2]101。隨著自動化技術的發展，依靠人工來焊接的弊端體現在以下方面[3]51：

1) 焊接工作環境惡劣，勞動強度大，工作中存在一定的安全隱患[4]59，隨著工人對工作環境要求的提高和安全意識的增強使得企業招工困難。

2) 在長時間操作后工人容易疲勞，工作效率不高[5]67，焊接質量難以得到保證。

3) 用工成本的增加，加重了企業負擔。

為了解決現有問題，課題組提出了一種適用于接線板自動焊接的裝置，解決了用工荒和安全隱患問題，并能保證焊接質量，提高工作效率[6]。

1 系統組成以及工作原理

設備機械部分主要由自動送絲裝置、XYR運動平臺、自動點焊機構和絲切斷裝置4個部分組成；控制部分為PLC控制系統，由其對機械部分焊接過程中的信號進行采集與整體控制。接線板自動焊接裝置系統如圖1所示。

圖1 接線板自動焊接裝置系統Figure 1 System of terminal board automatic welding device

焊接過程由自動送絲裝置將焊接銅絲送入到接線板指定位置；自動點焊機構工作，將銅絲與接線板上的接線柱焊接在一起；絲切斷裝置將需要切斷的銅絲切斷。該自動焊接裝置可以通過示教功能進行接線板內的銅絲繞線、焊接、切斷工序的規劃并完成焊接。通過PLC控制系統的示教功能，將同一種接線板的作業程序存儲起來，以滿足各種不同的焊接接線板的要求。該裝置的整體結構如圖2所示。

1.1 XYR運動平臺

XYR運動平臺主要由X方向運動裝置、Y方向運動裝置、R向旋轉(即繞Z軸的旋轉)裝置和夾具平臺組成，如圖3所示。XYR運動平臺最終作用臺面為夾具平臺，通過XYR運動平臺3個方向的運動來實現夾具平臺在焊接過程中位置的調整。如圖4所示，將待加工接線板以固定夾具塊為基準放置在夾具平臺上，然后分別調整活動夾具塊1～3將待加工接線板進行固定。 通過伺服電機驅動滾珠絲杠帶動絲杠螺母將旋轉運動轉化為直線運動來實現X和Y方向直線移動[7]。X直線運動方向和Y直線運動方向的運動末端都裝有編碼器，借助編碼器能夠實時反映X和Y方向上的位移，并實時檢測，避免因位置不準確導致焊接出錯；還可通過檢測位移速度，提前預測下一個運動位置。該種配置在保證運動精度的同時，又提高了工作效率。R向的旋轉由底部電機通過皮帶傳動帶動底部輪盤旋轉實現。工作時，將待加工的接線板固定在夾具上，通過XYR運動平臺3個方向的動作，配合自動送絲裝置、自動點焊機構和絲切斷裝置，來實現焊接接線板位置的調節，從而實現對接線板內部的繞線、焊接和切斷動作。

圖3 XYR運動平臺Figure 3 XYR motion platform

圖4 夾具平臺Figure 4 Fixture platform

1.2 自動送絲裝置

自動送絲裝置主要由送絲機構、垂直調節裝置和定滑輪組構成，如圖5所示。自動送絲裝置工作時，由伺服電機驅動主動齒輪并帶動從動齒輪，主動齒輪和從動齒輪帶動2個加壓滾輪，焊接銅絲位于2個加壓滾輪之間，通過2個加壓滾輪之間的擠壓摩擦帶動焊接銅絲進入送絲導管，最終使得焊接銅絲到達指定位置。垂直調節氣缸和導向柱等部件組成了垂直調節裝置，其固定在自動送絲裝置的上頂板上，氣缸固定在調節頂板上，氣缸輸出端與送絲機構的頂板相連。垂直調節裝置工作時，氣缸通過推動送絲頂板可作上下運動，并借助導向柱平穩地實現送絲裝置垂直方向的調節。

圖5 自動送絲裝置Figure 5 Automatic wire feeding device

1.3 自動點焊機構

如圖6所示，自動點焊機構主要由電阻焊頭、滑動導軌、垂直調節氣缸、導向柱、聯軸器和點焊氣缸組成。自動點焊機構安裝在上頂板上，該機構垂直調節方式與自動送絲裝置的調節方式一致。焊接方式采用的是電阻焊，即利用電阻熱對工件進行局部加熱，同時對目標位置加壓進行焊接。

當插座到達焊接位置時，點焊氣缸動作，通過聯軸器驅動電阻焊頭的可滑動部分在滑軌上作直線運動，靠近電阻焊頭的固定部分，對焊接部位與焊絲加壓進行焊接操作。焊接的位置依靠XYR運動平臺指定，每當XYR運動平臺運動到一個需要焊接的點時，自動點焊機構工作一次。以此類推，直至整個插座焊接完成。焊接完畢，自動點焊機構返回初始位置，等待進行下一個焊接操作。

圖6 自動點焊機構Figure 6 Automatic spot welding mechanism

1.4 絲切斷裝置

絲切斷裝置主要由刀具、滑動導軌、活動刀架、聯軸器、切斷氣缸、垂直調節氣缸和導向柱組成，如圖7所示。垂直調節方式與送絲裝置和點焊機構的調節方式一致。當焊接工序執行完畢，需要切斷焊絲時，XYR運動平臺動作，將需要切斷銅絲的位置移動到刀具位置。此時切斷氣缸動作，通過聯軸器驅動活動刀架在滑動導軌上移動，配合刀具將焊絲切斷。每當XYR運動平臺每運動到一個銅絲需要切斷的位置時，絲切斷裝置工作一次。工作完畢，絲切斷裝置返回至初始狀態，等待下一個工作指令。

圖7 絲切斷裝置Figure 7 Wire cutting device

2 控制系統方案設計[8-13]

為實現接線板自動焊接裝置操作過程的自動化，控制系統需要集成控制XYR運動平臺、自動送絲裝置、自動點焊機構及絲切斷裝置，并根據要求，各裝置機構協同工作，完成接線板內部的繞線、焊接和切斷的過程。XYR運動平臺需要實現3個方向的運動，加上垂直調節裝置垂直方向的運動，因此采用能夠實現4軸聯動的PLC，西門子828D型號的PLC可以滿足需求。PLC系統通過控制、采集和數據處理并顯示出XYR運動平臺、自動送絲裝置、自動點焊機構和絲切斷裝置的工作狀態，實現自動焊接裝置的運動控制和同步控制。

根據接線板自動焊接裝置的控制需求，設計了PLC控制的系統方案，具體結構如圖8所示。

圖8 PLC控制結構圖Figure 8 PLC control structure diagram

3 結語

課題組設計了一種接線板自動焊接裝置，主要由自動送絲裝置、XYR運動平臺、自動點焊機構和絲切斷裝置4部分組成，通過PLC控制系統實現對各個系統組成部分的協同作業。通過實際的樣機焊接試驗表明該設備能夠完成接線板焊接的多項工序加工作業，自動化程度高，且節約成本，提高了工作效率，適合推廣。