劉 波 潘宏俠 郭彥青

(中北大學機械工程與自動化學院，山西太原030051)

脫水篩作為洗選廠的一種脫泥、脫介、脫水振動分級設備，既可用于中細粒煤的脫水、脫介，也可用于中細粒煤的干式、濕式分級脫泥［1-2］。篩藍是其主要的組成部分，由若干片絲網(wǎng)拼焊而成。如圖1及圖2所示，絲網(wǎng)由若干根依次排列的絲焊接在一起構成，同時焊縫呈同心圓弧狀排列。相鄰絲之間留有0.15～0.3 mm的縫隙，煤水混合物流經(jīng)篩網(wǎng)時，水會順著絲之間的縫隙流下，而煤泥則留在了篩網(wǎng)的上方，保證了脫水篩的脫水、脫泥功能。

手工焊接時，由于絲網(wǎng)相鄰絲之間的間隙太小以及絲網(wǎng)焊縫為圓弧狀，焊接質量難以保證，廢品率非常高。因此，國內(nèi)的絲網(wǎng)基本上依賴于進口。本文根據(jù)絲網(wǎng)的功能和尺寸要求，設計了一種絲網(wǎng)自動焊接設備。該設備是典型的機電一體化產(chǎn)品，既能滿足絲網(wǎng)的尺寸要求，又具有操作簡便、成本低、自動化程度高的特點，同時具有通用性，只需要對程序進行部分修改，即可實現(xiàn)對不同尺寸要求的絲網(wǎng)的焊接。

1 絲網(wǎng)焊接設備技術參數(shù)和特點

根據(jù)絲網(wǎng)的尺寸要求及實現(xiàn)的功能，結合生產(chǎn)實際，對絲網(wǎng)自動焊接設備提出了以下的技術要求:

(1)保證焊接完成后75%以上絲之間的間隙在0.15～0.3 mm之間。

(2)實現(xiàn)焊接過程自動化，工人穿絲完成后，整個焊接過程自動完成。

(3)具有靈活性和適應性，在不對設備進行很大改變的前提下，適應不同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)(6種)。

(4)勞動生產(chǎn)率高，焊接絲網(wǎng)每個焊縫的時間平均不超過2 min。

(5)良好的人機交互環(huán)境，能反映焊接過程的狀態(tài)，工人操作方便。

基于上述的技術要求，設計完成了絲網(wǎng)自動焊接設備，如圖3所示。該設備主要由三部分組成:機械夾具部分、電氣控制系統(tǒng)、焊接機器人系統(tǒng)。

2 機械夾具部分設計

如圖3所示，絲網(wǎng)自動焊接設備機械夾具部分主要包括焊接工作臺、左夾具、右夾具、梳理輥和移動機構等，其中焊接工作臺用來固定絲網(wǎng)、左夾具、右夾具、梳理輥和移動機構。

如圖4所示，左、右夾具上有與絲相對應的齒槽，絲依次穿過左、右夾具的齒槽形成絲網(wǎng)。夾具上的槽嵌入相鄰的絲之間，實現(xiàn)對絲網(wǎng)的定位和夾緊，并保證相鄰絲之間的縫隙尺寸。左夾具通過定位銷和夾緊裝置固定在工作臺上;右夾具通過3個連桿機構和3個氣缸固定到移動機構上。氣缸活塞桿伸出，連桿機構動作，帶動右夾具向下運動壓緊絲網(wǎng);氣缸活塞桿縮回，連桿機構動作，帶動右夾具向上運動，松開絲網(wǎng)。每個氣缸的兩端分別各裝有1個磁性開關，前端的磁性開關用來檢測氣缸活塞桿是否運動到夾緊位置;后端的磁性開關用來檢測氣缸活塞桿是否運動到松開位置。氣缸活塞桿的伸出/縮回由電控裝置控制與氣缸相連的電磁閥實現(xiàn)。

每根絲都或多或少存在著一定的尺寸和形狀誤差，焊接過程中，絲與絲之間容易出現(xiàn)交叉現(xiàn)象，稱為“亂絲”，通過梳理輥可以對絲網(wǎng)進行梳理，避免出現(xiàn)“亂絲”現(xiàn)象。梳理輥的兩端通過連桿機構與固定在移動機構上的兩個氣缸相連。氣缸活塞桿伸出，連桿機構動作，帶動梳理輥向上運動，松開絲網(wǎng);氣缸活塞桿縮回，連桿機構動作，帶動梳理輥向下運動，壓緊絲網(wǎng)。焊接時，氣缸帶動梳理輥向下運動，壓緊絲網(wǎng);某一焊接工位完成后，氣缸帶動梳理輥向上運動，松開絲網(wǎng)，梳理輥隨移動機構運動，對絲網(wǎng)進行梳理，防止“亂絲”。梳理輥氣缸的兩端也分別安裝磁性開關，用來檢測氣缸活塞桿是否運動到夾緊或松開位置。氣缸活塞桿的伸出/縮回由電控裝置通過電磁閥控制。

移動機構通過絲桿、減速裝置連接到伺服電動機。每一焊接工位焊接完成后，根據(jù)絲網(wǎng)類型，電氣控制系統(tǒng)執(zhí)行相應程序，控制伺服電動機轉動，拖動移動機構(包括右夾具和梳理輥)移動一個焊縫間距。移動到位后，電控系統(tǒng)控制電磁閥、氣缸組件動作，右夾具和梳理輥向下運動，壓緊絲網(wǎng)。這樣設計的目的有2個:一是在焊接不同工位的焊縫時，可以讓右夾具運動到該位置，然后壓緊絲網(wǎng)，對絲網(wǎng)進行定位和壓緊，而不用在每一焊接工位安裝同樣的夾具，實現(xiàn)一次裝夾多工位焊接，節(jié)省了成本，減輕了勞動強度;二是通過梳理輥的移動，可以對絲網(wǎng)進行平整處理，避免“亂絲”現(xiàn)象。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

電氣控制部分主要完成對焊接過程的自動控制和監(jiān)控功能。根據(jù)前述的技術要求，設計了基于觸摸屏(HMI)+PLC的絲網(wǎng)自動焊接設備的電氣控制系統(tǒng)方案，如圖5所示。這種方案設計的系統(tǒng)性能穩(wěn)定，物理尺寸非常適合安裝在小型機床上，價格也比較便宜。控制軟件開發(fā)采用梯形圖語言，幾乎不需要程序維護［3-5］。主要由西門子S7-200可編程控制器(PLC)CPU 224XP、3個數(shù)字量輸入/繼電器型輸出模塊、臺灣威綸通MT6100i觸摸屏和臺達伺服電動機驅動/控制器構成。

如圖6所示，觸摸屏提供了良好的人機交互環(huán)境，通過RS485通信接口與PLC之間實現(xiàn)信息傳輸和共享，方便操作人員對焊接過程的監(jiān)控。操作人員可以通過觸摸屏選擇焊接的絲網(wǎng)產(chǎn)品類型，隨時查看焊接過程中設備的工作狀態(tài)和當前焊接工位等信息。

整個系統(tǒng)的I/O信號主要包括36個輸入信號，如氣缸上磁性開關信號、機器人故障信號、機器人焊接完成信號、伺服電動機狀態(tài)信號及手動操作時的按鈕信號等;33個輸出信號，如電磁閥控制信號，焊接工位信號、夾具定位完成信號、伺服電動機控制信號和指示燈控制信號等。

電氣控制系統(tǒng)通過這些信號實現(xiàn)對機械夾具和焊接機器人的控制。通過對電磁閥的控制，控制夾具的夾緊和松開;通過伺服電動機控制/驅動器，控制伺服電動機轉動，拖動移動機構，實現(xiàn)多焊接工位的定位、夾緊以及對絲網(wǎng)的梳理;接收焊接機器人的狀態(tài)信號，監(jiān)控機器人狀態(tài);接收焊接機器人的焊接完成信號，控制夾具的夾緊、松開和移動;定位和夾緊后，給機器人發(fā)送“夾具定位完成”和“焊接工位”信號，機器人開始焊接下一道焊縫。

焊接機器人為松下YA-1NA，其接收電氣控制系統(tǒng)送來的“定位完成”和“焊接工位”信號，進行絲網(wǎng)相應工位的焊接;焊接完成后送出“焊接完成信號”，電氣控制系統(tǒng)松開夾具，控制伺服電動機運動，使夾具移動到要求位置并夾緊絲網(wǎng);有故障時，給電氣控制系統(tǒng)送出故障信號。

4 工作步驟

(1)穿絲。電氣控制系統(tǒng)控制氣缸動作，使右夾具和梳理輥處于松開狀態(tài)，同時控制伺服電動機運動，使右夾具移動到起始焊接工位;操作人員將絲穿入左、右夾具構成絲網(wǎng)。

(2)穿絲完成后，操作人員夾緊左夾具，在觸摸屏上選擇產(chǎn)品類型，并確認。

(3)PLC收到觸摸屏的產(chǎn)品類型信號和確認信號后，執(zhí)行相應絲網(wǎng)產(chǎn)品類型對應的程序，氣缸桿伸出，右夾具、梳理輥壓緊工件，到位后，相應磁性開關發(fā)出接點信號;收到磁性開關信號(壓緊信號)，PLC給機器人送出“夾具定位完成”和“第一焊接工位”信號，機器人移至第一焊接工位開始焊接工作并送“焊接中”狀態(tài)信號給PLC。

(4)第一焊接工位完成后，機器人給PLC送“焊接完成”狀態(tài)信號，收到信號后，電氣控制系統(tǒng)控制氣缸組頂桿收回，松開右夾具和梳理輥。在得到磁性開關信號(松開信號)后，控制伺服電動機運動，將右夾具移至第二焊接工位(移動距離根據(jù)產(chǎn)品類型由程序控制)，隨后控制氣缸組頂桿伸出，壓緊絲網(wǎng);到位后，磁性開關發(fā)出接點信號;收到磁性開關信號(壓緊信號)，PLC給機器人送出“夾具定位完成”和“第二焊接工位”信號;機器人收到信號后移至第二焊接工位開始焊接工作并送“焊接中”狀態(tài)信號給PLC。

(5)由此往復步驟4，直到所有焊接工位完成。

(6)在完成所有焊接工位的焊接后，電氣控制系統(tǒng)給PLC送“夾具定位中”信號，控制氣缸組頂桿收回，松開右夾具，伺服系統(tǒng)帶動右夾具向后移動兩個焊縫間距，絲網(wǎng)和右夾具完全脫離;工人松開左夾具，取焊接好的絲網(wǎng)，完成后點擊觸摸屏上“完成”按鈕;PLC收到“完成”信號后，控制伺服電動機運動至焊接起始位置，處于工作預備狀態(tài)。

5 結語

本文針對工程實際中絲網(wǎng)焊接問題，設計了一種絲網(wǎng)自動焊接設備，該設備綜合運用了機電液一體化技術。在該設備中，設計了可以移動的夾具和梳理輥裝置，實現(xiàn)了一次裝夾多工位焊接;采用氣缸控制其上下運動，對絲網(wǎng)進行定位和控制相鄰絲之間的縫隙;以PLC和觸摸屏為核心設計了電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)通過與焊接機器人之間的信息交換，實現(xiàn)了對整個焊接過程的自動控制;同時，該設備具有良好的人機交互環(huán)境，操作人員僅僅通過對觸摸屏的簡單操作，即可完成整個焊接工作。生產(chǎn)實踐表明，該絲網(wǎng)自動焊接設備操作簡單，自動化程度高，既保證了絲網(wǎng)的焊接質量，又提高了生產(chǎn)效率，具有廣泛的應用前景。

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