單 瀾

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院,杭州市 311231)

撥叉和齒輪軸激光焊接及檢測設(shè)備研制

單 瀾

(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院,杭州市 311231)

針對撥叉和齒輪軸的連接，設(shè)計了專用激光焊及焊后自動檢測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)撥叉的自動上料、齒輪軸的定位、齒輪軸和撥叉裝配后的位置調(diào)整、自動焊、焊后的檢測、成品半自動下料等功能。通過壓緊組件的氣爪對工件進(jìn)行定位及夾緊，然后自動焊接。渦流探傷儀對焊接成品進(jìn)行在線焊接質(zhì)量檢測。

齒輪軸 激光焊 定位夾緊 檢測

0 序 言

激光焊相對于氬弧焊及電阻焊等其它方式，具有熱影響范圍小、焊縫深寬比大、強(qiáng)接頭度高、容易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)及效率高等優(yōu)勢，已經(jīng)在3C電子、醫(yī)療、電池、汽車、五金等精密焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-5]。激光焊對焊縫的位置精度要求高，在焊前需要對工件進(jìn)行精確定位。由于激光束與工件非機(jī)械接觸，在持續(xù)的熱量輸入作用下容易導(dǎo)致工件變形，從而影響焊接效果，因此需要專業(yè)的壓緊機(jī)構(gòu)防止工件變形[6-8]。為提高激光焊接生產(chǎn)效率，一般采用自動抓取上料、自動焊接、自動下料等形式，將激光焊的優(yōu)勢最大化[9-10]。

激光焊的質(zhì)量檢測包括外觀檢測、焊接強(qiáng)度檢測及熔深檢測等。強(qiáng)度及熔深的檢測一般需要將工件破壞后進(jìn)行檢測，這種檢測方式只能抽檢，而無法對全部產(chǎn)品進(jìn)行檢測，無法從根本上保證每個產(chǎn)品的質(zhì)量。渦流探傷技術(shù)是一種無損檢測方式[11-12]，利用交變磁場對焊縫內(nèi)部差異進(jìn)行檢測，與工件非接觸，檢測效率高，可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品在線全檢測[13]。

文中結(jié)合激光焊及渦流探傷技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計了整套焊接檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品在線焊接及在線檢測，提高了產(chǎn)品品質(zhì)的可靠性。

1 焊接技術(shù)要求

產(chǎn)品為齒輪軸和撥叉，撥叉材料為模具鋼Cr12MoV，外形尺寸120 mm×68 mm×38 mm；撥叉為焊件，材質(zhì)為不銹鋼SUS304，外形尺寸26.5 mm×17 mm×11.7 mm；輪廓直徑為7.6 mm，要求焊接熔深不低于1 mm，焊接產(chǎn)品如圖1所示。要求焊后齒輪軸內(nèi)的扇形齒輪和撥叉之間相對位置固定。焊后需將成品放入到專用檢具內(nèi)對成品進(jìn)行渦流探傷檢測，防止虛焊漏焊。

圖1 焊接產(chǎn)品示意圖

2 焊接總體設(shè)計

設(shè)備采用Nd:YAG激光器，配合掃描振鏡對激光實(shí)現(xiàn)靈活傳導(dǎo)。設(shè)備外部結(jié)構(gòu)主要由上罩和下機(jī)柜等組成，如圖2所示。其中，上罩主要起保護(hù)作用，焊接所用的激光屬于4類激光，設(shè)備工作時，需將其與外界隔離開來；機(jī)構(gòu)組件為該設(shè)備功能組件，可實(shí)現(xiàn)撥叉的自動上料、齒輪軸的定位、齒輪軸和撥叉裝配后的位置調(diào)整、自動焊接、焊接后的檢測、成品半自動下料等功能；下機(jī)柜除了起到承載功能外，內(nèi)部還集成電氣元件板、工控機(jī)、鼠標(biāo)鍵盤、各種氣閥等。

2.1工作流程設(shè)計

設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由齒輪軸預(yù)裝工位、撥叉上料工位、焊接工位、檢測工位、下料工位和轉(zhuǎn)盤部分等組成，如圖3所示。設(shè)備工作時，人工先在齒輪軸預(yù)裝工位內(nèi)，對齒輪軸內(nèi)扇形齒輪進(jìn)行初步位置校正，然后將齒輪軸放入到轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)內(nèi)的隨行機(jī)構(gòu)上，啟動雙手啟動按鈕，此后轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)帶著齒輪軸旋轉(zhuǎn)至下一個工位。當(dāng)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)帶著齒輪軸運(yùn)動到撥叉上料工位時，撥叉上料工位開始將一個撥叉抓取放入到齒輪軸上，此后轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)再旋轉(zhuǎn)一個工位。當(dāng)上料完成的隨行機(jī)構(gòu)運(yùn)動到焊接工位后，此時焊接工位首先將齒輪軸壓緊，此后對撥叉和齒輪軸進(jìn)行二次位置校正，位置校正完成后開始激光焊接，焊接完成后轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)再旋轉(zhuǎn)一個工位運(yùn)動到檢測工位下方。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)再運(yùn)動一個工位后，檢測工位開始對焊后的成品進(jìn)行渦流探傷檢測，檢測完成后工控系統(tǒng)會儲存檢測數(shù)據(jù)。檢測完成后，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)再旋轉(zhuǎn)一個工位運(yùn)動到下料工位，上一工位的檢測數(shù)據(jù)會驅(qū)動下料機(jī)構(gòu)將合格品和不合格品分離。

圖2 設(shè)備總體機(jī)構(gòu)圖

圖3 組件機(jī)構(gòu)圖

2.2齒輪軸預(yù)裝工位設(shè)計

因?yàn)辇X輪軸為一輪系，內(nèi)含多個齒輪，輪系機(jī)構(gòu)內(nèi)含一定的阻尼力，人工對其進(jìn)行初步位置校正，因?yàn)樽枘崃Φ拇嬖?，校正后各齒輪相對位置不會發(fā)生較大變化。

齒輪軸預(yù)裝工位主要由定位結(jié)構(gòu)、弧形推塊和撥桿以及對應(yīng)機(jī)加件組成，如圖4所示。在進(jìn)行位置校正時，人工將齒輪軸放入到定位機(jī)構(gòu)內(nèi)，然后往左拉動撥桿，此時弧形推塊也往左運(yùn)動直到弧形推塊的兩端頂住扇形齒輪即實(shí)現(xiàn)對齒輪軸的初步位置校正。校正完成后將撥桿拉回原處。

圖4 齒輪軸預(yù)裝工位機(jī)構(gòu)圖

2.3撥叉上料工位設(shè)計

撥叉零件體積較小，且產(chǎn)品一致性較好，為加快上料速度，采用振動盤進(jìn)行上料，如圖5a所示，撥叉上料機(jī)構(gòu)主要由抓取機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)、平移組件、振動盤以及相關(guān)機(jī)加件組成。

上料時，撥叉經(jīng)過振動盤和直振將其送出(往左運(yùn)動)，當(dāng)撥叉完全進(jìn)入到限位塊內(nèi)以后便無法再往前運(yùn)動，此后頂升機(jī)構(gòu)的氣缸帶著限位塊和限位塊內(nèi)的撥叉在由光軸組成的直線運(yùn)動副導(dǎo)向作用下往上運(yùn)動。此后，抓取機(jī)構(gòu)的氣動滑臺往下運(yùn)動，然后氣爪帶著夾爪夾緊，將撥叉夾住，平移組件往左運(yùn)動，帶著撥叉運(yùn)動到隨行機(jī)構(gòu)上方，此后各元件依次動作，將撥叉放到隨行機(jī)構(gòu)內(nèi)的齒輪軸上，抓取機(jī)構(gòu)如圖5b所示。

圖5 撥叉上料機(jī)構(gòu)總體機(jī)構(gòu)圖

2.4多工位轉(zhuǎn)盤設(shè)計

轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)共有4個工位。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)盤、隨行機(jī)構(gòu)、固定盤、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)和解鎖機(jī)構(gòu)等幾大部分組成，如圖6a所示。其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)為伺服電機(jī)驅(qū)動的中空旋轉(zhuǎn)臺，該中空旋轉(zhuǎn)臺為螺旋錐齒輪形式，相對于渦輪蝸桿形式的旋轉(zhuǎn)臺，其轉(zhuǎn)速更快，壽命更長，傳動效率更高，驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖6b所示。固定機(jī)構(gòu)和解鎖機(jī)構(gòu)分別固定在固定盤上。其中固定機(jī)構(gòu)對應(yīng)的是第一個工位(撥叉上料工位)，如圖6c所示，可使隨行機(jī)構(gòu)內(nèi)的撥叉托板在撥叉上料前伸出拖住撥叉；解鎖機(jī)構(gòu)對應(yīng)第二個工位(焊接工位)，焊接完成后可使撥叉托板縮回，方便后面的成品下料。

圖6 轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)總體機(jī)構(gòu)圖

2.5焊接工位設(shè)計

當(dāng)齒輪軸和撥叉組裝完成后，隨行機(jī)構(gòu)帶著二者的組合體運(yùn)動到焊接工位下方時即可開始焊接。

焊接工位主要由組件1、組件2和組件3等三大部分組成。其中組件1為振鏡組件，振鏡組件固定在手動升降臺上。振鏡組件結(jié)構(gòu)如圖7a所示，主要由CCD、振鏡和氣刀組成，CCD可實(shí)現(xiàn)焊接時同軸觀察和焊前示校；組件2為壓緊組件，如圖7b所示，壓緊組件主要由除塵盒和壓緊機(jī)構(gòu)組成。壓緊機(jī)構(gòu)如圖7c所示，焊接時壓緊機(jī)構(gòu)內(nèi)氣缸首先下壓，此時氣爪和夾爪等均下降一定高度(氣缸行程)，然后氣爪帶著夾爪開始夾緊，此時的夾緊由兩個目的：夾緊撥叉和對撥叉角度進(jìn)行精確的二次定位，機(jī)構(gòu)中的氣爪為高精度氣爪可滿足焊接需求。氣爪夾緊后，開始焊接前即開始通保護(hù)氣，保護(hù)氣通過壓板上的兩個快速接頭進(jìn)入到壓板內(nèi)的氣道內(nèi)，氣道出口味一錐形結(jié)構(gòu)，可將保護(hù)氣完全覆蓋在焊接位置附近；壓板如圖7d所示,組件3為齒輪軸位置二次校正機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)原理與齒輪軸預(yù)裝工位的校正原理一樣。如圖7e所示，在進(jìn)行位置校正時，氣缸首先帶著擺正機(jī)構(gòu)往上運(yùn)動(擺正機(jī)構(gòu)下方有一個推力球軸承)，此后擺正機(jī)構(gòu)內(nèi)的氣缸開始往左運(yùn)動到指定位置即可完成對齒輪軸的二次校正，如圖7f所示，齒輪軸位置校正完成后即可開始通保護(hù)氣和并進(jìn)行焊接。

2.6檢測工位設(shè)計

激光焊完成后即進(jìn)入到檢測工序。如圖8a所示，檢測工位主要由渦流探傷儀、三軸線性模組、探針組件以及相關(guān)機(jī)加件組成。

探針組件固定在三軸線性模組上，可方便調(diào)試以及確定最終所需的位置。在進(jìn)行探傷檢測時，Z軸帶著探針組件往下運(yùn)動到預(yù)定位置時，如圖8b所示，激光測距傳感器反饋信號給設(shè)備的工控系統(tǒng)使Z軸停止運(yùn)動，此后渦流探傷儀通過探針對工件進(jìn)行檢測以判別焊接后的成品是否合格，此檢測信號將輸出給后面下料工位。

2.7下料工位設(shè)計

下料工位的輸入信號來自于上一工位，上一工位檢測后的結(jié)果即為本工位被輸入信號。下料工位主要由平移組件、機(jī)械手、下料皮帶線和料道等組成，如圖9所示。其中，平移組件為滾珠絲桿和直線運(yùn)動副的組合體；機(jī)械手為一個氣動滑臺和一個氣爪的組合。下料時，機(jī)械手將物料抓取起來后經(jīng)過平移組件將其放到下料皮帶線上，若上一工位檢測的結(jié)果為合格品，則皮帶線往后運(yùn)動，此時等待人工將其拾?。蝗羯弦还の粰z測的結(jié)果為不合格品，則皮帶線往前運(yùn)動，此時不合格的產(chǎn)品會流入到料道內(nèi)，最后進(jìn)入料道下方的廢品盒內(nèi)。

圖7 焊接工位總體機(jī)構(gòu)圖

圖8 檢測工位總體機(jī)構(gòu)圖

圖9 下料工位機(jī)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

(1)采用四工位轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)分別完成對拔叉與齒輪軸的組裝、定位夾緊及激光焊、渦流探傷檢測及自動分揀下料，提高了生產(chǎn)效率。

(2)采用激光焊接方式，焊縫熔深達(dá)到1 mm 的要求，同時經(jīng)過渦流探傷在線檢測，檢測了每個產(chǎn)品焊后的狀態(tài)，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。該系統(tǒng)集成了上料、裝配、激光焊、在線檢測、自動下料功能，具備自動化生產(chǎn)功能。

[1] 王 偉，黃 堅(jiān)，趙耀邦，等.2A14鋁合金光纖激光填絲焊熱裂紋敏感性研究[J].焊接，2015，(4):27-30.

[2] 師文慶，楊永強(qiáng)，王 迪，等.脈沖激光焊接H62黃銅[J].焊接學(xué)報，2010.31(7):101-104

[3] 陳玉華，柯黎明，徐世龍，等.超薄不銹鋼片微激光焊接的焊縫成形[J]，金屬熱處理，2008，33(10):95-98．

[4] 陳 君，張群莉，姚建華，等.金屬材料的激光吸收率研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2008，29(5):794-798.

[5] 曹銀花，劉友強(qiáng)，秦文斌，等.光束質(zhì)量超過全固態(tài)激光器的千瓦直接半導(dǎo)體激光器[J].中國激光，2009，36(9):2281-2285.

[6] 高曉龍，劉 晶，張林杰，等.Nd:YAG激光器焊接鈦合金薄板的工藝研究[J].焊接，2014，(2):19-33.

[7] 鄭啟光，辜建輝，王 濤，等. 激光深熔焊接的熔池行為與焊接缺陷的研究[J].激光技術(shù)，2000，24( 2):90- 94.

[8] 丁紅園，崔 麗，陳 俐，等.激光焊接工藝對鋁鋰合金T形接頭微觀組織的影響[J].焊接，2014，(10):25-29.

[9] 衣思平，許寶忠，李 梅，等.鋰離子蓄電池極耳的激光自動焊接[J].電源技術(shù)，2005，29(2):80-81.

[10] 師亞娟，劉 欣.自動化生產(chǎn)線物料搬運(yùn)站的設(shè)計[J].計算技術(shù)與自動化，2013，32(2):48-51.

[11] 姚舜剛.無縫鋼管渦流探傷和漏磁探傷比較[J].浙江冶金，2006，(2):6-8.

[12] 王鐵虎，楊 斌，謝秀宋.渦流探傷在鎢絲生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國鎢業(yè)，2008，23(3):43-45.

[13] 王宏偉，張文雯.激光干涉法近場掃描架平面度高精度測量及誤差分析[J].計測技術(shù)，2013，33(2):51-54.

單 瀾，1973年出生，博士研究生，講師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計與理論。

李 敏，1979年出生，碩士，講師，工程師。主要從事機(jī)械設(shè)計及制造、CAD/CAM、先進(jìn)制造技術(shù)等方面的科研和教學(xué)工作，已發(fā)表論文10余篇。

2016-06-21

國家青年基金項(xiàng)目(51005214)；浙江教育廳課題(2015SB121)；浙江教育廳課題(kg2015961)。

TG439.4