高金乾， 沙 玲

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

接線板焊接的傳統(tǒng)工藝主要依靠人工使用外熱式電烙鐵進(jìn)行焊接，存在效率低、升溫慢，以及電烙鐵體積較大等缺點[1]159；而且電烙鐵的溫度不能得到有效的控制，只能靠烙鐵頭的大小稍作調(diào)節(jié)[2]101。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，依靠人工來焊接的弊端體現(xiàn)在以下方面[3]51：

1) 焊接工作環(huán)境惡劣，勞動強(qiáng)度大，工作中存在一定的安全隱患[4]59，隨著工人對工作環(huán)境要求的提高和安全意識的增強(qiáng)使得企業(yè)招工困難。

2) 在長時間操作后工人容易疲勞，工作效率不高[5]67，焊接質(zhì)量難以得到保證。

3) 用工成本的增加，加重了企業(yè)負(fù)擔(dān)。

為了解決現(xiàn)有問題，課題組提出了一種適用于接線板自動焊接的裝置，解決了用工荒和安全隱患問題，并能保證焊接質(zhì)量，提高工作效率[6]。

1 系統(tǒng)組成以及工作原理

設(shè)備機(jī)械部分主要由自動送絲裝置、XYR運動平臺、自動點焊機(jī)構(gòu)和絲切斷裝置4個部分組成；控制部分為PLC控制系統(tǒng)，由其對機(jī)械部分焊接過程中的信號進(jìn)行采集與整體控制。接線板自動焊接裝置系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 接線板自動焊接裝置系統(tǒng)Figure 1 System of terminal board automatic welding device

焊接過程由自動送絲裝置將焊接銅絲送入到接線板指定位置；自動點焊機(jī)構(gòu)工作，將銅絲與接線板上的接線柱焊接在一起；絲切斷裝置將需要切斷的銅絲切斷。該自動焊接裝置可以通過示教功能進(jìn)行接線板內(nèi)的銅絲繞線、焊接、切斷工序的規(guī)劃并完成焊接。通過PLC控制系統(tǒng)的示教功能，將同一種接線板的作業(yè)程序存儲起來，以滿足各種不同的焊接接線板的要求。該裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 XYR運動平臺

XYR運動平臺主要由X方向運動裝置、Y方向運動裝置、R向旋轉(zhuǎn)(即繞Z軸的旋轉(zhuǎn))裝置和夾具平臺組成，如圖3所示。XYR運動平臺最終作用臺面為夾具平臺，通過XYR運動平臺3個方向的運動來實現(xiàn)夾具平臺在焊接過程中位置的調(diào)整。如圖4所示，將待加工接線板以固定夾具塊為基準(zhǔn)放置在夾具平臺上，然后分別調(diào)整活動夾具塊1～3將待加工接線板進(jìn)行固定。 通過伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠帶動絲杠螺母將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動來實現(xiàn)X和Y方向直線移動[7]。X直線運動方向和Y直線運動方向的運動末端都裝有編碼器，借助編碼器能夠?qū)崟r反映X和Y方向上的位移，并實時檢測，避免因位置不準(zhǔn)確導(dǎo)致焊接出錯；還可通過檢測位移速度，提前預(yù)測下一個運動位置。該種配置在保證運動精度的同時，又提高了工作效率。R向的旋轉(zhuǎn)由底部電機(jī)通過皮帶傳動帶動底部輪盤旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。工作時，將待加工的接線板固定在夾具上，通過XYR運動平臺3個方向的動作，配合自動送絲裝置、自動點焊機(jī)構(gòu)和絲切斷裝置，來實現(xiàn)焊接接線板位置的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對接線板內(nèi)部的繞線、焊接和切斷動作。

圖3 XYR運動平臺Figure 3 XYR motion platform

圖4 夾具平臺Figure 4 Fixture platform

1.2 自動送絲裝置

自動送絲裝置主要由送絲機(jī)構(gòu)、垂直調(diào)節(jié)裝置和定滑輪組構(gòu)成，如圖5所示。自動送絲裝置工作時，由伺服電機(jī)驅(qū)動主動齒輪并帶動從動齒輪，主動齒輪和從動齒輪帶動2個加壓滾輪，焊接銅絲位于2個加壓滾輪之間，通過2個加壓滾輪之間的擠壓摩擦帶動焊接銅絲進(jìn)入送絲導(dǎo)管，最終使得焊接銅絲到達(dá)指定位置。垂直調(diào)節(jié)氣缸和導(dǎo)向柱等部件組成了垂直調(diào)節(jié)裝置，其固定在自動送絲裝置的上頂板上，氣缸固定在調(diào)節(jié)頂板上，氣缸輸出端與送絲機(jī)構(gòu)的頂板相連。垂直調(diào)節(jié)裝置工作時，氣缸通過推動送絲頂板可作上下運動，并借助導(dǎo)向柱平穩(wěn)地實現(xiàn)送絲裝置垂直方向的調(diào)節(jié)。

圖5 自動送絲裝置Figure 5 Automatic wire feeding device

1.3 自動點焊機(jī)構(gòu)

如圖6所示，自動點焊機(jī)構(gòu)主要由電阻焊頭、滑動導(dǎo)軌、垂直調(diào)節(jié)氣缸、導(dǎo)向柱、聯(lián)軸器和點焊氣缸組成。自動點焊機(jī)構(gòu)安裝在上頂板上，該機(jī)構(gòu)垂直調(diào)節(jié)方式與自動送絲裝置的調(diào)節(jié)方式一致。焊接方式采用的是電阻焊，即利用電阻熱對工件進(jìn)行局部加熱，同時對目標(biāo)位置加壓進(jìn)行焊接。

當(dāng)插座到達(dá)焊接位置時，點焊氣缸動作，通過聯(lián)軸器驅(qū)動電阻焊頭的可滑動部分在滑軌上作直線運動，靠近電阻焊頭的固定部分，對焊接部位與焊絲加壓進(jìn)行焊接操作。焊接的位置依靠XYR運動平臺指定，每當(dāng)XYR運動平臺運動到一個需要焊接的點時，自動點焊機(jī)構(gòu)工作一次。以此類推，直至整個插座焊接完成。焊接完畢，自動點焊機(jī)構(gòu)返回初始位置，等待進(jìn)行下一個焊接操作。

圖6 自動點焊機(jī)構(gòu)Figure 6 Automatic spot welding mechanism

1.4 絲切斷裝置

絲切斷裝置主要由刀具、滑動導(dǎo)軌、活動刀架、聯(lián)軸器、切斷氣缸、垂直調(diào)節(jié)氣缸和導(dǎo)向柱組成，如圖7所示。垂直調(diào)節(jié)方式與送絲裝置和點焊機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)方式一致。當(dāng)焊接工序執(zhí)行完畢，需要切斷焊絲時，XYR運動平臺動作，將需要切斷銅絲的位置移動到刀具位置。此時切斷氣缸動作，通過聯(lián)軸器驅(qū)動活動刀架在滑動導(dǎo)軌上移動，配合刀具將焊絲切斷。每當(dāng)XYR運動平臺每運動到一個銅絲需要切斷的位置時，絲切斷裝置工作一次。工作完畢，絲切斷裝置返回至初始狀態(tài)，等待下一個工作指令。

圖7 絲切斷裝置Figure 7 Wire cutting device

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計[8-13]

為實現(xiàn)接線板自動焊接裝置操作過程的自動化，控制系統(tǒng)需要集成控制XYR運動平臺、自動送絲裝置、自動點焊機(jī)構(gòu)及絲切斷裝置，并根據(jù)要求，各裝置機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，完成接線板內(nèi)部的繞線、焊接和切斷的過程。XYR運動平臺需要實現(xiàn)3個方向的運動，加上垂直調(diào)節(jié)裝置垂直方向的運動，因此采用能夠?qū)崿F(xiàn)4軸聯(lián)動的PLC，西門子828D型號的PLC可以滿足需求。PLC系統(tǒng)通過控制、采集和數(shù)據(jù)處理并顯示出XYR運動平臺、自動送絲裝置、自動點焊機(jī)構(gòu)和絲切斷裝置的工作狀態(tài)，實現(xiàn)自動焊接裝置的運動控制和同步控制。

根據(jù)接線板自動焊接裝置的控制需求，設(shè)計了PLC控制的系統(tǒng)方案，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 PLC控制結(jié)構(gòu)圖Figure 8 PLC control structure diagram

3 結(jié)語

課題組設(shè)計了一種接線板自動焊接裝置，主要由自動送絲裝置、XYR運動平臺、自動點焊機(jī)構(gòu)和絲切斷裝置4部分組成，通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)對各個系統(tǒng)組成部分的協(xié)同作業(yè)。通過實際的樣機(jī)焊接試驗表明該設(shè)備能夠完成接線板焊接的多項工序加工作業(yè)，自動化程度高，且節(jié)約成本，提高了工作效率，適合推廣。