周曉曉，龔椿彭，郭正元，方浩賢

（1.廣東省智能機器人研究院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著機械自動化程度的不斷提高，自動化焊接設(shè)備的應(yīng)用需求也逐漸增加。目前大部分企業(yè)往往是采用人工焊接的方式來實現(xiàn)部分表面復(fù)雜工件的焊接[1]，但人工焊接難以保證零部件之間的焊縫質(zhì)量統(tǒng)一，因此，與焊接技術(shù)相關(guān)的企業(yè)進行自動化焊接的轉(zhuǎn)型也將成為行業(yè)未來發(fā)展的趨勢[2]。

在智能制造轉(zhuǎn)型升級的浪潮中，制造行業(yè)的自動化發(fā)展速度在不斷地加速，自動焊接設(shè)備同工業(yè)機器人一樣也在不停地往智能化與模塊化的方向發(fā)展以適應(yīng)不斷轉(zhuǎn)型企業(yè)產(chǎn)能的需求[3]。

異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備所加工的對象是鐵管，該焊接過程需要多個工人先后進行鐵管折彎、鐵管打孔沖孔、壓緊螺母、焊接螺母等工序才能最終完成異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接的任務(wù)，工藝較為復(fù)雜，需要多個工人協(xié)同工作才能完成整個流程。為提高焊接效率及質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，本文采用模塊化設(shè)計方法，進行了工序流程規(guī)劃與整體方案設(shè)計，設(shè)計了一款異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備，滿足異形鐵管內(nèi)嵌螺母的自動化焊接需求。同時企業(yè)要求異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備不僅能實現(xiàn)焊接功能也要實現(xiàn)螺母排料輸送、螺母壓緊等附加功能，這也表明了焊接設(shè)備往多功能、多樣化的方向發(fā)展[4-6]。

1 方案設(shè)計

1.1 需求分析

人工焊接對異形鐵管內(nèi)嵌螺母的焊縫質(zhì)量無法實現(xiàn)統(tǒng)一性、均衡性而且存在生產(chǎn)效率較低以及勞動成本高等缺點。異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接設(shè)備與傳統(tǒng)人工焊接的功能需求對比，如表1所示。由表得出，使用自動化焊接設(shè)備完成相應(yīng)動作可以極大減少生產(chǎn)成本[7-9]。而異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接過程中，生產(chǎn)效率的高低主要與其工件法蘭螺母和異形鐵管的特征有關(guān)。

表1 異形鐵管內(nèi)嵌螺母人工焊接與自動化焊接的需求對比

1.1.1 法蘭螺母特征

異形鐵管要求所壓入的螺母需要帶有法蘭，這樣才能使得螺母面與鐵管表面有足夠多的焊接表面，避免焊接過程中灼傷螺母的螺紋，因此螺母排序出料結(jié)構(gòu)設(shè)計與螺母的外部特征緊密相關(guān)。所需要用到的法蘭螺母的外部特征如圖1和表2所示。

圖1 法蘭螺母外部特征

表2 法蘭螺母的具體參數(shù)mm

1.1.2 異形鐵管特征

根據(jù)企業(yè)提供的異形鐵管三維模型，經(jīng)測量可知異形鐵管是一根長度大概為438 mm、內(nèi)徑20 mm、外徑22 mm 的鐵管經(jīng)2次折彎而來的，如圖2所示。

圖2 異形鐵管三維圖

1.2 工序設(shè)計

目前，企業(yè)對異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接制造大都采用人工操作方式，工作流程如圖3所示。首先企業(yè)工人需要對來料鐵管進行加工處理，使之變?yōu)樗枰漠愋螐澢F管，接著鐵管口兩端需要進行縮口和沖槽處理。然后利用沖孔機在異形鐵管彎曲處進行沖孔，與之同時焊接的螺母經(jīng)過工人的分揀后壓入管彎角處，最后由焊接工人進行焊接處理。

圖3 異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接制造完整流程

異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接制造主要包括了8 大工序，每個工序相互銜接構(gòu)成了一個有機的整體。其中，螺母排序輸出、壓緊螺母及焊接螺母3大工序?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。目前企業(yè)受用人成本影響，考慮使用一款異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備完成以上3大工序。

異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備的工作過程設(shè)計如下：

（1）法蘭螺母排序輸出，要求在輸出螺母的同時也能保持法蘭面的方向一致性；

（2）法蘭螺母經(jīng)過轉(zhuǎn)移送料及輔助轉(zhuǎn)運機構(gòu)的接續(xù)動作，實現(xiàn)螺母在工位之間的轉(zhuǎn)移；

（3）法蘭螺母移到壓緊裝置中，壓緊件在外力的作用下將螺母壓入異形鐵管的沖孔處；

（4）壓好法蘭螺母的異形鐵管進入焊接裝置中，完成螺母焊接環(huán)節(jié)；

（5）已完成焊接的異形鐵管移至下料區(qū)等待下料；

（6）動作結(jié)束。

為了使得異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備順利地完成以上6步，需要對其設(shè)備進行工位設(shè)計。

1.3 工位設(shè)計

1.3.1 工件載具及夾具工位

工件載具及夾具主要是承擔著異形鐵管在整個設(shè)備運行過程中的夾緊作用。夾具目前可選的種類較多，如偏心夾緊機構(gòu)、端面凸輪夾緊機構(gòu)。而本單元模塊選用氣缸與鉸鏈組合的方式實現(xiàn)異形鐵管的夾緊功能。

1.3.2 螺母排序出料工位

螺母排序出料單元模塊作為異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接設(shè)備的關(guān)鍵一環(huán)，它主要是將雜亂無章的螺母按照一定的規(guī)律排序輸出。結(jié)合實際需要，螺母排序出料單元采用振動盤加直線滑軌實現(xiàn)法蘭螺母平穩(wěn)有序輸送的動作，既能保持法蘭面方向朝上也能避免法蘭螺母受到過大的沖擊力。

1.3.3 螺母轉(zhuǎn)移送料工位

螺母轉(zhuǎn)移送料單元模塊的功能主要是為了實現(xiàn)法蘭螺母在空間位置中的移動，使法蘭螺母由直線滑軌轉(zhuǎn)移至壓緊螺母的轉(zhuǎn)運機構(gòu)中。

由于法蘭螺母屬于標準件，其螺紋孔的大小相同，內(nèi)徑保持在一定公差范圍之內(nèi)，所以可以選用法蘭螺母的螺紋孔作為參考面。通過以螺紋孔為拾取機構(gòu)的參考取料特征，機構(gòu)可以較快實現(xiàn)對螺母的定位，同時采用類似的張緊機構(gòu)裝置來實現(xiàn)螺母的自動拾取，如圖4所示。

圖4 張緊機構(gòu)示意圖

1.3.4 壓緊螺母工位

壓緊螺母單元模塊主要是實現(xiàn)將法蘭螺母直接壓入異形鐵管的管彎處。在壓緊螺母時需要保證法蘭螺母平穩(wěn)緊密地進入異形鐵管。因此壓緊時法蘭螺母需要保持在水平面上，在下壓過程中不能傾斜過大，否則法蘭螺母無法準確壓入異形鐵管中。所以可利用氣缸驅(qū)動頂出壓板將法蘭螺母壓入異形鐵管的方法實現(xiàn)壓緊螺母功能。

1.3.5 焊接螺母工位

焊接螺母單元模塊主要功能是將已經(jīng)壓緊的法蘭螺母進行焊接，該單元模塊可以使用固定焊槍的設(shè)計，也可以使用可動焊槍的設(shè)計。綜合考慮，為了使法蘭螺母與異形鐵管之間的焊縫更加緊密，本工位選擇可動焊槍形式進行螺母焊接，鑒于目前市場上的大多焊接設(shè)備尺寸較大，故需要設(shè)計一種由同步帶與氣缸組合的可動式焊槍結(jié)構(gòu)完成焊接螺母功能。

1.3.6 鐵管下料工位

鐵管下料作為整機的最后一道工序，它要求可以將異形鐵管準確地由工件載具轉(zhuǎn)移至料框內(nèi)。為了使得機器結(jié)構(gòu)緊湊，該工位使用夾子將異形鐵管夾出，并放置于料道中使之滑入料框中。這種選擇具有結(jié)構(gòu)緊湊且抓取異形鐵管穩(wěn)定的特點。

2 整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

根據(jù)工位設(shè)計的情況對整體結(jié)構(gòu)的布局進行設(shè)計。圖5所示為異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)平面分布圖，展示了整體結(jié)構(gòu)布局。整機主要包括螺母排序出料單元、螺母轉(zhuǎn)移送料單元、壓緊螺母單元、鐵管下料單元、工件載具及夾具單元、焊接螺母單元等工位。圖6所示為異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動焊接設(shè)備的立體三維結(jié)構(gòu)。

圖5 整機結(jié)構(gòu)布局

圖6 立體三維結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

研發(fā)出一種能實現(xiàn)異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接的專用設(shè)備，制定了焊接過程的工序設(shè)計，設(shè)計工位方案，并得出總體設(shè)備三維模型，實現(xiàn)了異形鐵管與螺母之間的排序送料、壓緊、焊接、夾緊等自動功能，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、焊接效率高、焊縫統(tǒng)一性高、自動化程度高等優(yōu)點，能有效降低企業(yè)的經(jīng)濟成本。