崔中慧

摘 要：風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。其廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻等。焊接作業(yè)，是一種有害的工種，焊接過程中所產(chǎn)生的煙塵、弧光和高溫直接損害焊工的身體健康，而且手工焊接很難持續(xù)保持穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，另外手工焊接的低效率往往成為工廠進一步發(fā)展的最大障礙。針對風機外殼的焊接作業(yè)，設計了風機外殼焊接工作機。文章對風機外殼焊接工作機進行了總體及控制系統(tǒng)設計，并搭建試驗臺，驗證設計方案的可行性與可靠性。

關鍵詞：三軸聯(lián)動；數(shù)控系統(tǒng)；風機

近20年來，焊接工藝已發(fā)展成為一種先進的制造技術，它在各工業(yè)部門生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用越來重要，應用范圍迅速擴大。但必須注意到，焊接作業(yè)，特別是弧焊是一種有害的工種，焊接過程中所產(chǎn)生的煙塵、弧光和高溫不僅直接損害焊工的身體健康，而且還污染生產(chǎn)車間的環(huán)境；其次，手工操作的弧焊作業(yè)是一種繁重的體力勞動，不僅勞動強度大，且還受弧光和高溫的輻射，容易疲勞，不能堅持長時間的連續(xù)工作。因此，由于人體生理上的原因，手工焊接很難持續(xù)保持穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著焊接結構向大型化、重型化、高參數(shù)化和精密化方向的發(fā)展，對產(chǎn)品的焊接質(zhì)量也提出了愈來愈高的要求，若只借助手工操作就很難達到高質(zhì)量標準的要求。在某些大型焊接工程或大批量工業(yè)生產(chǎn)中，手工操作的低效率往往成為按期完成預定生產(chǎn)計劃的最大障礙。焊接生產(chǎn)過程的機械化和自動化是焊接結構制造工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。

1 剛性自動化焊接設備

剛性自動化焊接設備亦可稱為初級自動化焊接設備，其大多是按照開環(huán)控制的原理設計。雖然整個焊接過程是由焊接設備自動完成的，但對焊接過程中焊接參數(shù)的波動不能進行閉環(huán)的反饋控制，焊接機頭或焊件的運動只能按照預先規(guī)定的路徑進行，而不能隨機糾正可能出現(xiàn)的形位偏差，操作工還需目測監(jiān)視焊頭運動的方向、焊絲（電極）對準接縫的偏差和焊接參數(shù)的變化，并作適當?shù)氖止ふ{(diào)整。這種初級化自動焊接設備還稱不上真正意義上的自動化焊接設備，但與機械化焊接設備相比，已前進了一大步，在焊接結構的生產(chǎn)中已得到較廣泛的應用。

2 自適應控制自動化焊接設備

自適應控制自動化焊接設備是一種自動化程度較高的焊接設備。它配用高度靈敏傳感器和電子檢測線路，對焊接的軌跡自動導向和跟蹤，并對主要焊接參數(shù)實行閉環(huán)的反饋控制。通過對焊接參數(shù)的程序控制，可以實現(xiàn)焊接過程的全程自動化。對焊接過程中可能出現(xiàn)的偏差能以最快的速度予以自動糾正，使焊接熔池始終保持良好的狀態(tài)。焊接過程中能持續(xù)穩(wěn)定維持預置的各重要焊接參數(shù)，無需操作工隨機監(jiān)視和手工調(diào)整。使用這種自適應控制的焊接設備時，操作工只需在焊接前作必要的預調(diào)整和焊接參數(shù)的設置，設備啟動焊接后，操作工不必再干預。整個焊接過程將按預置的程序和工藝參數(shù)自動完成。

3 智能化自動焊接設備

智能化自動焊接設備是一種具有人類某些智能而實現(xiàn)焊接過程的過度自動化的最新一代先進焊接設備。它利用各種高級傳感原件，如視覺傳感器、觸覺傳感器、光敏傳感器、聽覺傳感器和激光掃描器等，并借助計算機軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)而具有識別、判斷、實時監(jiān)測、運算、自動編程、參數(shù)優(yōu)化、自動編排焊道順序、焊接參數(shù)存儲和調(diào)用及自動生成焊接質(zhì)量記錄文件等功能。這種智能化自動焊接設備已能部分取代焊接工程師的工作。在焊接產(chǎn)品焊縫之前，焊接操作人員只需在人機界面或在控制面板上輸入焊件的原始數(shù)據(jù)，焊接工藝參數(shù)即能自動生成。

3.1 焊接工作機機械結構主要由焊槍夾持機構、風機外殼夾具、十字滑臺、旋轉(zhuǎn)工作臺、送絲機和機架六部分組成，本文主要針對焊槍夾持機構、風機外殼夾具和機架三部分進行具體的結構設計，對十字滑臺不做具體的結構設計，對于送絲機及焊機電源等則直接使用廠家現(xiàn)有設備，不做任何機構設計。利用三維軟件Pro/E對焊接工作機進行三維建模并進行簡單的運動學仿真分析。

控制系統(tǒng)采用華中數(shù)控的世紀星銑床數(shù)控系統(tǒng)“HNC-18xpM”，通過對數(shù)控系統(tǒng)的三個進給軸的控制來驅(qū)動十字滑臺帶動焊槍移動和旋轉(zhuǎn)工作臺帶動風機外殼旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)控制焊槍相對風機外殼做焊接運動的操作。主要工作包括系統(tǒng)電氣結構的接線、控制程序的編寫及調(diào)試。要求工作機可在運動范圍內(nèi)任意確定表面內(nèi)完成焊接功能，焊接時保證焊槍與焊接表面垂直，工作機可依據(jù)給定工件的尺寸和形狀自動完成焊接作業(yè)。搭建試驗臺以驗證設計方案的合理性和可靠性。

3.2 由焊接工作機運動方案可知，系統(tǒng)需要實現(xiàn)三軸聯(lián)動的功能，即各個軸以一定的運動規(guī)律相互配合完成風機外殼的焊接，整個系統(tǒng)的運動精度不高，選用三個步進電機分別驅(qū)動三個軸的運動。控制系統(tǒng)選用華中數(shù)控的世紀星銑床數(shù)控系統(tǒng)“HNC-18xpM”，其有一個主軸運動，三個進給軸運動，三個進給軸可實現(xiàn)三軸聯(lián)動的功能，可通過對數(shù)控系統(tǒng)的三個進給軸的控制來驅(qū)動十字滑臺帶動焊槍移動和旋轉(zhuǎn)工作臺帶動風機外殼旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)控制焊槍相對風機外殼做焊接運動的操。

3.3 焊槍的移動是靠十字滑臺帶動的，其傳動機構采用滾珠絲杠副。滾珠絲杠傳動的特點是傳動效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長、運動具有可逆性但不能自鎖。使用滾珠絲杠副傳動可保證得到較高的運動控制精度，但是對于Z方向的垂直滑臺必須安裝制動器，防止運動結束后滑塊在自身重力下下滑。

X和Z向滑臺的行程根據(jù)工件尺寸和焊接時焊槍相對工件的運動方式確定。最大工件670-1邊緣距回轉(zhuǎn)中心的最大距離為1059mm，最小工件450-8mm邊緣距回轉(zhuǎn)中心的最小距離為300，而Z向滑臺的行程應該大于最大距離與最小距離的差值（即為1059-300=759mm）759mm，取Z向滑臺有效行程為800mm。X向滑臺的行程為最大工件（即670-1）在X方向的焊接行程（635+576=1211）1211mm，取X向滑臺有效行程為1400mm。X和Z向滑臺都采用導程為5mm的滾珠絲杠，矩形滾動直線導軌導向，其中Z向滑臺安裝有配重塊，以抵消由于滑塊處受力所引起的對X滑臺處的傾覆力矩?；_起支撐作用處大部分采用鋁合金板以減輕機構自身的重量。Z向滑臺最大負重為30Kg，滑板工作面與地面垂直，步進電機驅(qū)動，定位精度。X向滑臺最大負重為Z向滑臺+30Kg，滑板工作面與地面平行，步進電機驅(qū)動，定位精度。

4 完成了焊接工作機的原理與方案設計，提出了兩種運動方案，對各方案的優(yōu)缺點進行了比較并選擇出工件立著，兩個焊槍同時焊接的最優(yōu)方案。完成了焊接工作機的結構設計。對焊槍夾具、工件夾具、機架及相關零件分別進行了具體的結構設計以及必要的計算，對十字滑臺和轉(zhuǎn)臺進行了選定。進行了步進電機的選擇和校核，并對壓緊彈簧進行了計算。完成了機構的整體設計。進行了焊接工作機的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設計，完成了焊接工作機的運動軌跡設計，然后對HNC-18xpM在焊接工作機中的應用作了具體介紹，畫出了系統(tǒng)接線圖，對數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進行了設置，完成了控制程序的編制。建立了焊接工作機的PRO/E三維模型，并進行了運動學分析。完成了焊接工作機的裝配過程與調(diào)試過程，對工件進行了焊接，焊接質(zhì)量良好。

進行了方案的總體設計，提出兩種運動方案，并對比兩方案的優(yōu)缺點選擇了以方案二為基礎的工件立放，龍門式結構兩焊槍同時焊接的方案。運動方案確定后，對方案進行了詳述。包括機架方案、十字滑臺、轉(zhuǎn)臺、焊槍夾具和工件夾具。為下一步結構的設計做好準備。