黨蕊娟

摘 要：目前市場上存在的自動化焊接設(shè)備，以關(guān)節(jié)型焊接機器人為主，在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計了一種3自由度的新型薄壁鋼管的焊接裝置。這種焊接裝置主要是針對管件的的焊接進(jìn)行的開發(fā)，主要適用于壁厚在2mm以下的、中小直徑的薄壁鋼管之間以及鋼管與其他配件的的焊接。焊接設(shè)備主要包括：x-y-z焊接平臺、焊接小車、送絲機構(gòu)和輔助機構(gòu)等。為了保證焊接設(shè)備的控制精度，焊接設(shè)備使用PLC控制系統(tǒng)，同時該焊接設(shè)備使用光電傳感器，實現(xiàn)了對焊縫的識別與追蹤。本裝置整體結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，能夠保證焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接；薄壁鋼管；x-y-z焊接裝置；光電傳感器

我國到改革開放以后的不銹鋼管的生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到近200家[1]。當(dāng)前，裝備制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱行業(yè)，管道焊接是制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。焊接設(shè)備作為鋼鐵的“裁縫”已廣泛應(yīng)用于機械、汽車、造船、建筑、冶金、化工、輕工、電力等各行業(yè)以及航天、電子、原子能等國防尖端工業(yè)，焊接裝備蘊涵著巨大的市場需求[3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，和對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，弧焊機器人正朝著“高效化、自動化、智能化、柔性化”的方向發(fā)展[4]。鋼管的焊接通常要使用焊接機器人和焊接專用機，否則容易引起焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔等缺陷[5]。目前市場上較為普遍的是關(guān)節(jié)式焊接機器人，這種機器人價格較高，作為前期投資小廠家難以接受。在分析了以往的焊接設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了了一種結(jié)構(gòu)簡單，焊接質(zhì)量好、價格適中的鋼管的焊接裝置。

1 焊接裝置的機械結(jié)構(gòu)

本裝置主要適用于中小直徑的鋼管之間的焊接，以及鋼管與其他配件的的焊接。鋼管的厚度較小，一般在2mm左右。這種新型的薄壁鋼管的焊接裝置的機械結(jié)構(gòu)主要包括x-y-z坐標(biāo)平臺、焊接小車6、焊槍9、送絲機構(gòu)3和輔助設(shè)備等。坐標(biāo)平臺主要是通過絲桿帶動滑塊的運動；焊槍9及焊把調(diào)節(jié)機構(gòu)8安裝在焊接小車6上；輔助設(shè)備主要包括滾輪架以及管件的防竄設(shè)備，下圖2為焊接設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)。這種焊接設(shè)備能夠沿x-y-z三個方向自由移動，是3自由度的焊接設(shè)備。

1.1 x-y-z坐標(biāo)平臺

x-y-z焊接平臺主要是支撐整體結(jié)構(gòu)，并通過伺服電機4與絲桿5滑塊的配合實現(xiàn)焊槍的移動。對于同一類型的不銹鋼管的焊接，調(diào)整一次位置后，只需控制焊槍的位置就可完成該類型管件的全部焊接。

x-y-z焊接坐標(biāo)平臺主要由底座導(dǎo)軌10，立架2和平移橫架11組成。底座導(dǎo)軌固定在生產(chǎn)地面，平移橫架與立架結(jié)構(gòu)相同，立架頂端安裝伺服電機，電機4與絲桿5連接，控制平移橫架11的上下移動；為了保證定位精度，立架設(shè)置為兩根，起到支撐和平衡結(jié)構(gòu)的作用；同時為了減小整個結(jié)構(gòu)對絲杠的力的作用，在立架內(nèi)部設(shè)置了導(dǎo)軌，減小受力的同時保證運動精度。

通過對設(shè)備運動的分析，當(dāng)確定焊縫位置后，只需平移橫架電機動作，也能夠?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn)兩張薄板之間對接焊縫的焊接。

1.2 焊接小車

焊接小車上的焊槍是整個焊接設(shè)備的執(zhí)行機構(gòu)。焊接小車與平移橫架上的滑塊固定連接，焊接小車上安裝了焊槍調(diào)整機構(gòu)與焊槍夾具。焊槍調(diào)節(jié)機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍對中、角度調(diào)整、焊槍高度調(diào)整等細(xì)節(jié)調(diào)節(jié)要求[6]。在靠近焊槍頂部的位置安裝光電傳感器，實現(xiàn)對焊縫的識別與跟蹤，將測得的電壓差送到控制系統(tǒng)。焊接速度取決于送絲機構(gòu)與管件滾輪架的速度。

1.3 送絲機構(gòu)

送絲機構(gòu)送絲裝置的心臟部分[7]，主要由料盤，電機，減速器，調(diào)速器，送絲軟管組成。為了保證送絲精度，穩(wěn)定送絲，本文采用雙主動推拉式送絲機構(gòu)。送絲電機主要是提供送絲動力，功率小功率的電機即可滿足要求，故選轉(zhuǎn)矩較大的的直流伺服電機，依據(jù)經(jīng)驗選用S361，具體參數(shù)如上表1。

1.4 輔助設(shè)備

滾輪架是主要的輔助設(shè)備。焊接滾輪架是借助主動輪與管件之間的摩擦力實現(xiàn)管子的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而完成管件的焊接。為了滿足對不同直徑管件的焊接需求，宜采用自調(diào)式滾輪架。

為了防止管子竄動，采用最基本的曲柄移動導(dǎo)桿機構(gòu)對管件按壓，結(jié)構(gòu)如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)在一個運動周期內(nèi)，只會出現(xiàn)一個按壓輪18位置的最高點與最低點，在最低點處實現(xiàn)對管件的防竄。壓輪為鋼輪，與管件直接接觸會對管件表面形成刮擦，因此需要在滾輪外表面套一層有紋路的橡膠套19。

2 焊縫的識別與PLC控制

自動化焊接裝備是一個多傳感器控制系統(tǒng)。焊縫識別是實現(xiàn)焊縫跟蹤的重要前提和條件，它影響著焊接的精度和速度[8]。為了保證焊接精確，首先要對焊縫的位置進(jìn)行大致的定位，然后利用傳感器對焊縫進(jìn)行識別的基礎(chǔ)上，對焊縫進(jìn)行跟蹤檢測。本文采用光電傳感器作為焊縫跟蹤與識別傳感器。

為了更加有效的檢測出焊縫，我們在焊縫上畫一條人工輔助白線，然后利用我們設(shè)計的光電傳感器檢測人工輔助白線，根據(jù)人工白線的不同偏差情況，傳感器相應(yīng)的輸出不同的電壓偏差信號[9]。PLC控制系統(tǒng)只要與光電傳感器輸出的信號進(jìn)行比對，就能反映出焊縫的實際偏差情況，通過調(diào)整焊槍位置，實現(xiàn)對焊縫跟蹤與精準(zhǔn)焊接。

3 結(jié)論、實驗結(jié)果與分析

這種新型的焊接裝置主要是實現(xiàn)薄壁管件的有關(guān)焊接。在焊接過程中不啟動焊接輔助設(shè)備時，該設(shè)備還可以實現(xiàn)有縫鋼管與薄板的焊接，一機多用，而且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

為了檢驗設(shè)備的實用性，采用本設(shè)備對兩根之間為30cm的薄壁管件進(jìn)行了焊接，焊絲直徑為0.8mm。

當(dāng)焊速低于 15cm/min 時，焊槍移動不易均勻；在焊速達(dá) 60cm/min～70cm/min 時，焊槍難以對準(zhǔn)焊接線，所以通常焊接速度多為30-50cm/min[10]。為了保證焊接質(zhì)量，在焊接中，設(shè)定焊接速度為30cm/min，焊接電流為90A。焊接開始后的3.2min后，完成了兩根管件的焊接，焊接質(zhì)量滿足要求。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒子和. 我國不銹鋼管生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展及其與國外的差距[J]. 鋼管，2000，06：7-14.

[2]雷毅. 全位置TIG焊管機電弧長度自適應(yīng)控制技術(shù)[J]. 石油化工設(shè)備，2005，04：56-59.

[3]黃政艷. 焊接設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 廣西輕工業(yè)，2011，05：31-32+80.

[4]廖家平. 基于光電傳感器的智能焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究[D].南昌航空大學(xué)，2010.

[5]翟立颯. 變截面薄壁鋁合金長管件的焊接裝置[J]. 電焊機，2014，01：51-53.