風(fēng)嘴部件自動化焊接線的設(shè)計與實現(xiàn)*

袁龍鋒，楊綠群

(惠州市贏合科技有限公司，廣東 惠州 516025)

0 引 言

隨著我國科學(xué)技術(shù)以及經(jīng)濟實力的發(fā)展，在焊接領(lǐng)域內(nèi)自動焊接技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了機械焊接中，自動焊接不僅大大提升了機械焊接行業(yè)的焊接技術(shù)水平與標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量，而且提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。目前自動化焊接技術(shù)已應(yīng)用于汽車、能源、軌道交通、航空航天、船舶制造、冶金設(shè)備、醫(yī)藥機械等多個行業(yè)，自動化焊接技術(shù)的不斷推廣與應(yīng)用，已成為機械制造領(lǐng)域的未來發(fā)展方向[1-3]。

近幾年來，鋰電行業(yè)高速發(fā)展，社會對鋰電設(shè)備的需求不斷增長[4]。風(fēng)嘴作為鋰電設(shè)備中的部件，需求量也逐漸增加。風(fēng)嘴主要通過將鈑金件折彎、焊接、組裝等步驟完成制作。目前風(fēng)嘴制造大多都是采用人工焊接，焊接方式主要為人工氬弧焊，焊接工人需要長時間的高強度工作才能滿足風(fēng)嘴的需求量，長時間的焊接工作對人的眼睛傷害較大，容易發(fā)生意外，且焊接的質(zhì)量無法得到保障。

針對這一現(xiàn)狀，提出使用自動焊接替代傳統(tǒng)的人工焊接，通過對需要焊接的三種風(fēng)嘴部件的結(jié)構(gòu)分析，并綜合考慮設(shè)備利用率、占地面積等各方面因素，設(shè)計出一條可以同時焊接三種風(fēng)嘴部件的自動化焊接線，該生產(chǎn)線不僅可以保證風(fēng)嘴部件焊接后的品質(zhì)，而且能保證生產(chǎn)線自動化設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

1 三種風(fēng)嘴部件介紹

文中設(shè)計的自動化焊接生產(chǎn)線主要是針對風(fēng)嘴外框焊接、風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接、風(fēng)嘴擋板和固定銷三種不同風(fēng)嘴部件進行焊接工作，這三種風(fēng)嘴部件主要由有鈑金件拼裝焊接而成，三種產(chǎn)品圖分別對應(yīng)圖1～3。

圖1 風(fēng)嘴外框產(chǎn)品樣圖

圖2 風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板產(chǎn)品樣圖 圖3 風(fēng)嘴擋板和固定銷產(chǎn)品樣圖

2 工藝流程

上述風(fēng)嘴部件主要是由鈑金件拼裝焊接而成，由于鈑金件存在變形，因此在焊接前需要進行拼裝定位，風(fēng)嘴自動化焊接線針對三種風(fēng)嘴部件設(shè)計了三個工位進行拼裝定位。風(fēng)嘴自動化焊接生產(chǎn)的工藝流程如下。

(1) 上料：通過半自動方式將物料按要求放置在約定區(qū)域，搬運機器人通過程序控制實現(xiàn)對物料的分揀并搬運到指定的工裝位置上。

(2) 拼裝定位：搬運機器人將物料放到對應(yīng)的工位上，通過夾具進行拼裝定位。

(3) 焊接：焊接機器人對拼裝定位好的產(chǎn)品進行自動焊接[5-6]。

(4) 下料：搬運機器人將焊接好的產(chǎn)品從工位取出，放到成品區(qū)進行自動碼垛。

風(fēng)嘴自動化焊接生產(chǎn)的工藝流程圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)嘴自動化焊接生產(chǎn)線工藝流程

3 自動化焊接生產(chǎn)線布局與組成

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、焊接過程控制要求、設(shè)備利用率、生產(chǎn)節(jié)拍要求及車間面積實際使用情況，風(fēng)嘴自動化生產(chǎn)線整體布局設(shè)計為：物料料架放置區(qū)、產(chǎn)品成品區(qū)、搬運機器人工位、焊接機器人工位、風(fēng)嘴外框焊接工位、風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位、風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位、控制臺、電控部分以及護欄部分，根據(jù)物料的結(jié)構(gòu)不同設(shè)計了不同料架，根據(jù)加工風(fēng)嘴部件的不同設(shè)計了三個焊接工位，并且為了提高設(shè)備的利用率，使用6軸工業(yè)機器人在地軌上工作，兩臺機器人在三個工位之間交替工作，整個生產(chǎn)線生產(chǎn)過程只需工人將物料放到設(shè)計的料架上，以及將焊接產(chǎn)品從成品區(qū)取出即可[7-8]，自動化程度較高，具體布局如圖5所示。

圖5 風(fēng)嘴自動化焊接線布局圖

3.1 物料料架裝置

料架放置區(qū)主要是由物料架和料架定位裝置構(gòu)成，主要功能是完成物料的初次定位，以便后續(xù)搬運機器人上料。

(1) 風(fēng)嘴側(cè)板料架 根據(jù)側(cè)板的特點以及搬運機器人自動上料特點，設(shè)計的風(fēng)嘴側(cè)板料架裝置如圖6所示，料架采用定位塊完成側(cè)板的初次定位，它設(shè)計有萬向輪，可以移動，人工上料時只需將側(cè)板放到料架上，然后推動料架到上料區(qū)即可，方便省力；定位裝置采用電磁鐵將料架吸附在固定位置上，防止搬運機器人自動上料時，料架偏移位置造成故障停機，并且采用接近傳感器檢測，保證搬運機器人取料工作正常。因為導(dǎo)流腔和蓋板的尺寸形狀與側(cè)板相似，所以可以采用同樣的料架。

圖6 風(fēng)嘴側(cè)板料架裝置 圖7 風(fēng)嘴封板料架 圖8 風(fēng)嘴擋板料架裝置

(2) 風(fēng)嘴封板料架 風(fēng)嘴封板料架如圖7所示，因為封板尺寸跟側(cè)板尺寸相差較大，不能使用與側(cè)板相同的料架，根據(jù)尺寸設(shè)計了如下圖的封板料架，旁邊采用四個支撐柱和底部的兩個定位塊進行封板的定位，并且采用步進電機和絲桿組件進行送料，可以方便搬運機器人取料，避免產(chǎn)生運動干涉。

(3) 風(fēng)嘴擋板料架 風(fēng)嘴擋板料架如圖8所示，根據(jù)擋板的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計，并且考慮了機器人取料方便，采用六個定位塊將擋板固定，料架定位裝置與風(fēng)嘴側(cè)板料架定位裝置一致。

3.2 風(fēng)嘴外框焊接工位

風(fēng)嘴外框焊接工位主要是將外框的四塊鈑金件進行拼裝定位，然后焊接機器人自動焊接，外框定位裝置采用氣缸和定位塊相配合組成夾具進行定位[9]，外框焊接工位結(jié)構(gòu)如圖9所示，在變位機結(jié)構(gòu)上設(shè)計外框的定位組件，定位組件進行外框的定位，使用變位機是為了輔助焊接機器人進行焊接工作。

圖9 風(fēng)嘴外框焊接工位結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)嘴外框焊接工位核心部分是定位組件的設(shè)計，定位組件主要包括定位氣缸和定位塊，定位組件結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，該機構(gòu)工作原理是：工作時，搬運機器人從風(fēng)嘴封板料架處取封板放到工位指定位置，定位氣缸3、4推動封板定位，封板定位氣缸2推動完成封板定位，封板夾緊氣缸2將定位好的封板夾緊，保證焊接時位置不發(fā)生改變，定位氣缸3、4和封板定位氣缸2復(fù)位；搬運機器人從風(fēng)嘴側(cè)板料架處取側(cè)板放到工位指定位置，側(cè)板定位氣缸1、2推動側(cè)板定位，定位氣缸1推動完成側(cè)板定位，定位氣缸1復(fù)位，側(cè)板定位氣缸1、2不退回并將側(cè)板夾緊；同理另一封板和側(cè)板大致也采用此方式進行拼裝定位，只是使用定位氣缸不同，拼裝定位完成后焊接機器人進行自動焊接，變位機旋轉(zhuǎn)一定角度輔助機器人進行焊接。在定位塊上安裝有接近開關(guān)，可以起到限位保護作用，并且有一邊定位組件可以通過調(diào)節(jié)旋鈕柱塞后在導(dǎo)軌上移動，可以焊接不同長度的風(fēng)嘴外框。

圖10 風(fēng)嘴外框焊接工位定位組件結(jié)構(gòu)圖

3.3 風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位

風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位將導(dǎo)流腔和蓋板進行拼裝定位，自動焊接機器人進行焊接，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是：工作時，搬運機器人從導(dǎo)流腔料架取料放到焊接工位上，定位氣缸1、2推動導(dǎo)流腔配合定位塊2、3對導(dǎo)流腔進行定位，同理定位氣缸3推動導(dǎo)流腔進行橫向定位，定位完成后定位氣缸3復(fù)位；搬運機器人取蓋板放到導(dǎo)流腔上方，定位氣缸3推動蓋板完成該工位的拼裝定位工作；回轉(zhuǎn)夾緊氣缸旋轉(zhuǎn)90°將蓋板夾緊，因為焊接方式采用激光焊接，使用氣缸夾緊可以防止蓋板和導(dǎo)流腔之間存在縫隙，激光焊接效果更好。

3.4 風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位

風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位將擋板和固定銷進行拼裝定位，其結(jié)構(gòu)如圖12所示，由于固定銷體積與其它物料相比體積小，不能使用搬運機器人進行上料，為了上料方便，把風(fēng)嘴固定銷的料盤設(shè)計在焊接工位上，使用三軸機械手模組和夾爪上料，取料夾爪上面有2個氣動手指，可以一次性抓取2個固定銷進行上料；并且在焊接工位設(shè)計有擋板的二次定位平臺，對擋板進行二次定位，方便后續(xù)拼裝。

圖12 風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位

擋板和固定銷焊接平臺結(jié)構(gòu)圖如圖13所示，采用氣缸和真空吸盤將擋板和固定銷拼裝定位，該焊接工位的工作原理是：工作時，搬運機器人取擋板放到二次定位平臺上，定位氣缸1、2推動擋板進行定位，機械手模組驅(qū)動取料夾爪到固定銷料盤取出固定銷放到焊接平臺上，搬運機器人從二次定位平臺取定位好的擋板放到焊接平臺上，真空吸盤將擋板吸住，回轉(zhuǎn)夾緊氣缸將擋板夾緊，滑臺氣缸向前推動，固定銷頂升氣缸將固定銷送到指定位置，頂針頂升氣缸將頂針頂起，固定銷與擋板進行拼裝，拼裝完成后焊接機器人進行焊接。

圖13 焊接平臺結(jié)構(gòu)圖

4 設(shè)備制造與調(diào)試

為了驗證風(fēng)嘴部件自動化焊接生產(chǎn)線加工的可行性，設(shè)計并制作出一套完善的自動控制系統(tǒng)，結(jié)合實際現(xiàn)場生產(chǎn)要求和設(shè)備各機構(gòu)對動作實現(xiàn)的技術(shù)要求，采用PLC作為主控制器，對整個風(fēng)嘴部件自動化生產(chǎn)線進行自動化控制。采用HMI可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、機器人和其它運動部件運行狀態(tài)監(jiān)控和操作指令發(fā)送等；程序功能上設(shè)計內(nèi)容包括啟動、停止、故障報警等功能[10]。

風(fēng)嘴部件自動化焊接線完成裝配調(diào)試后，生產(chǎn)出的產(chǎn)品合格率可以達到99%以上，滿足實際生產(chǎn)需求，并且整個生產(chǎn)線設(shè)備持續(xù)運行穩(wěn)定，自動化焊接生產(chǎn)線現(xiàn)場設(shè)備如圖14所示。

圖14 風(fēng)嘴部件自動化焊接生產(chǎn)線現(xiàn)場圖

5 結(jié) 論

文中重點針對三種不同的風(fēng)嘴部件設(shè)計了三個不同的定位焊接工位，并將三個工位安裝在同一生產(chǎn)線上，使用兩臺工業(yè)機器人完成整個自動化焊接線的上下料和焊接工作，并通過實際生產(chǎn)證明了整個自動化焊接線的設(shè)計的可行性，結(jié)果驗證如下。

(1) 風(fēng)嘴部件自動化焊接線整機由三個風(fēng)嘴部件工位、搬運機器人工位、焊接機器人工位、料架放置區(qū)，成品區(qū)等部分組成，整個焊接生產(chǎn)過程基本實現(xiàn)自動化運行。

(2) 采用兩個工業(yè)機器人配合地軌在三個工位之間交替工作，設(shè)備利用率高。

(3) 整個自動化焊接線設(shè)備所有動作均通過 PLC 控制程序來控制實現(xiàn)，整個生產(chǎn)線只需安排1 名工人操作即可完成生產(chǎn)工作。

(4) 整個生產(chǎn)線各組成機構(gòu)設(shè)計簡單合理，設(shè)備組裝和維護簡單，可大大節(jié)約維護檢修成本。