六工位焊接電器盒系統設計

詹劍良　金浩哲

摘要： 針對空調用鈑金件電器盒需要對接縫處進行焊接處理，設計了六工位高頻電阻焊接系統，可自由選擇人工方式和工業機器人兩種進料模式，待焊件逐次經過上料工位、檢測工位、焊接工位及下料工位后變為成品。待焊件依靠分割器實現工位旋轉，精準旋轉停靠在下一道工序工位。焊接工位采取高頻電阻焊方式焊接電器盒不同接合邊。通過搭建PLC控制系統來實現對電磁閥、氣缸及焊接系統等控制。

關鍵詞： 電器盒; 六工位; 高頻電阻焊; PLC控制系統

中圖分類號： TG 454

Design of six-station welding electrical box system

Zhan Jianliang Jin Haozhe

（1. Shaoxing Vocational & Technical College， Shaoxing 312000，Zhejiang ， China;

2. Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， Zhejiang， China）

Abstract： Aiming at the need to weld the joints of electrical box of sheet metal parts used in air conditioning， a six-station high-frequency resistance welding system was designed. Manual mode and industrial robot feeding mode could be freely selected. The parts to be welded passed through feeding station， testing station， welding station and cutting station， and then become finished products. The parts to be welded relied on the splitter to realize rotation of the station and accurately rotate and dock at the next working station. High frequency resistance welding method adopted to weld different joint edges of electrical box in welding station. Through construction of PLC control system，the control of solenoid valve， cylinder， welding system was achieved.

Key words：? ?electrical box; six-station; high frequency resistance welding; PLC control system

0前言

隨著中國經濟持續快速高效健康發展，企業用工成本的不斷增加，選擇機器換人和建立高水平的自動化生產線能有效解決這一問題，既能減少用工需求量，又能保證產品的質量和產量[1-5]。電阻焊是將焊件組合在一起后，通過設備中的電極來施加一定壓力，再利用電流流過指定焊接區后產生的電阻熱瞬間加熱焊接部位，在機械力和熱力的聯合作用下完成連接[6-7]。隨著科學技術的不斷發展，低頻焊接技術逐漸被高頻焊接技術所取代，成為產品品質保障的重要焊接技術之一[8-10]。

現階段，中國已然成為全世界空調產品的制造國和消費國，空調進入了千家萬戶。國內空調制造企業也建立了自動化生產流水線，然而一臺空調產品的零部件非常多，導致整機產品制造裝配的自動化程序不高，通常采用擴建生產線來提升產能，進而增加生產成本的投入。中國在《中國制造2025》的通知中明確提出制造業是國民經濟的主體，將是立國之本。提出新一代信息技術要與制造業實現深度融合，智能家電位列其中。朝智能制造方向發展，將是未來趨勢。

根據某企業提供的空調用電器盒，結合工藝要求，設計了一款針對此電器盒的多工位焊接設備，實現自動化焊接，提高產品生產效率。

1焊接技術要求

焊接件為電器盒，主要供給國內某空調企業，在其內部安裝PCB板，為鈑金件。該產品需依次經過沖壓、折彎兩道工序后，成為待焊件。折彎之后，接合處通過焊接工序，方能使接合處牢固。采用高頻電阻焊工藝，定點焊接。焊接件電器盒如圖1所示。

2焊接總體設計

待焊件電器盒有人工方式和工業機器人2種進料模式。若采用機器人進料模式，可有效提高效率，節省人工成本，實現智能化。焊接設備整體結構如圖2所示。該設備主要由控制電箱、鋁合金框架、上料工位、檢測工位、焊接工位、下料工位等組成。鋁合金框架配備亞克力透明防護罩，提供防護作用，在設備啟動后，將待焊件電器盒放入上料工位后，夾具將夾緊工件，中間圓形分割器將電器盒逐次送到后續工位，完成檢測、焊接、下料工序。

2.1分割器設計

分割器負責旋轉任務，分割器上均勻設置6個電器盒夾具，通過控制系統來保證設備運轉過程中精準地將電器盒停在對應工序指定點，如圖3所示。分割器選用鋁合金材質，直徑為1 500 mm，厚度為25 mm，要求轉位時間1.6 s/工位（1.6 s/60°）。

2.2檢測工位設計

當分割器將待焊件運轉定位到檢測工位時，檢測構件在氣缸推動下行完成檢測。檢測任務包括夾具內是否有待焊件電器盒、是否擺放整齊，要是檢測反饋結果是沒有工件或者沒有擺放整齊，設備將停止焊接，并發出報警信號。如若沒有問題，分割器將從檢測工位旋轉到焊接工位。檢測工位如圖4所示。

2.3焊接工位設計

當分割器將待焊件轉動到焊接工位，將開展焊接。焊接工位共設置了3個工位，每個工位可設置8個焊接點，可根據用戶需求，設置焊接位置和數量，來對電器盒不同邊進行焊接。每個焊接工位可實現上下移動和左右移動，對焊接位置精準焊接。焊接工位采用高頻電阻焊，焊接過程中瞬間放電可達20 kA電流，大電流能將金屬瞬間熔合在一起。焊接工位如圖5所示。該電器盒需要完成11個焊接點。

2.4下料工位設計

當電器盒依次完成3個焊接工位作業后，分割器將其旋轉到下料工位區，如圖6所示。下料區主要由氣動夾爪、氣缸組成，當電器盒成品處于夾爪正下方時，由控制系統來驅使夾爪張開，由氣缸推動下行，氣缸的行程正好使夾爪到達指定位置，然后夾爪閉合，氣缸上行，電器盒隨夾爪上行，回程后氣缸將水平運動至右端，再次張開氣爪，塑料盒掉落沿導向料斗自行下滑，落入到電器盒成品籃內。

3PLC控制系統設計

PLC控制系統是整臺設備的核心，需要對伺服電機、電磁閥、氣缸、變頻器、焊機等部件控制。PLC控制過程流程圖如圖7所示。

電器盒焊接工序是最關鍵的，在3號、4號、5號工位分別安裝有2套伺服電機模組，一共6套。同時在3號、4號、5號工位的Z軸，都配備1∶5的減速機和伺服剎車電磁，主要是Z軸向下有很大的力，為了防止伺服電機過載造成伺服報警或造成伺服電機損壞，因此配備1∶5減速機。在其X軸則配備相對較小一點的1∶3減速機，即可滿足需求。

考慮到有6個伺服電機，需要發6路脈沖。該設備選用的是三菱FX5U+FX5-16ET/ES-H模塊，FX5U本體自帶4路脈沖，再配一個FX5-16ET/ES-H模塊帶2路脈沖，湊夠6路脈沖，支持6個伺服電機。設備內包含許多電磁閥、氣缸，需要的I/O點的數量也是非常多的，增添了許多的輸入輸出模塊。

伺服電機是需要設置非常多的參數及程序的，圖8就是伺服電機在手動模式情況下的正反轉程序，其中以軸1為例，M100為正轉，M101為反轉，兩者之間必須配備互鎖功能，否則就會造成伺服還在BUSY狀態就反向動作，會產生伺服報警，從而可能使能斷開。圖9則為伺服電機在手動或者自動下的回原點程序。每次設備開機都必須會原點，并對當前位置進行校準，其作用是防止定位出現偏差，確保其絕對值的有效性。在執行此程序之前還需要進行前限位、后限位、原點、回原高速回原、爬行速度、加減速、中斷信號、完成信號的設置。

伺服電機要實現高速高精度的定位運動，需要完成伺服參數設定。伺服電機是屬于非常精密的設備，是以脈沖接受信號數量多少進行運動。在進行定位運動之前，需要設置減速機的大小、前后限位、原點、伺服電機Z相信號、脈沖輸出選擇等參數。將圖10中參數設置完成后，同時將驅動器參數也設置好，就可以進行伺服定位運動，保證焊接位置的精準。

4結論

（1）六工位焊接系統上料工位可選擇人工或者機器上料，檢測、焊接、下料工序實現自動化操作。相比人工焊接完成1個產品所需2 min，而該系統只需30 s，大大提高產品生產效率，能節約用工成本。

（2）采用PLC來控制伺服電機、電磁閥、氣缸、焊接系統等，分割器實現工位旋轉，傳動精度高。

參考文獻

[1]黃繼強， 蓋守新， 薛龍， 等. 坡口偏差厚板機器人多道焊接方法[J]. 焊接學報， 2020， 41（6）： 60-66.

[2]沈亮， 趙倩， 武強強， 等. 基于PLC的鎳板對接等離子弧焊過程控制[J]. 焊接， 2020（9）： 43-46.

[3]李榮， 徐富家， 李洪偉， 等. 機器人激光制造工作站數字化控制系統設計[J]. 焊接， 2020（4）： 42-46.

[4]張雪健， 毛業兵， 楊芳， 等. 基于機器視覺的五軸坡口切割機器人控制系統設計[J]. 焊接， 2021（2）： 14-19， 37.

[5]Zeng Qingfei， Liu Xuemei， Qiu Chengrong. Inverse kinematics and error analysis of cooperative welding robot with multiple manipulators [J].China Welding， 2020， 29（2）： 9-16.

[6]邱雪松， 肖超， 譚候金， 等. 大型機器人沖壓生產線多軟件聯合仿真[J]. 中國機械工程， 2016， 27（6）： 772-777.

[7]呂冬， 劉仁東， 蘆延鵬， 等. 雙相鋼馬氏體含量對點焊極值電流與熔核轉變規律的影響[J]. 焊接， 2020（1）： 36-41.

[8]武會賓， 劉立甫， 王立東， 等. Q125級套管鋼高頻電阻焊接頭耐CO2/H2S腐蝕行為[J]. 焊接學報， 2013， 34（10）： 17-21.

[9]Yin Xiaohui， He Guoqiang， Liu Sihan， et al. Effect of welding pressure on mechanical properties of resistance spot welding joint [J]. China Welding， 2020， 29（3）： 33-37.

[10]孟根巴根， 艾兵權， 王秋雨， 等. S380高頻焊管焊縫開裂分析[J]. 焊接， 2019（8）： 57-60.