董 雪，盧洪德，董 玉，張子明

(1.山東交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濰坊 261206；2.青島地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 運(yùn)營(yíng)一中心，山東 青島 266400)

熱交換設(shè)備在現(xiàn)代制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。在熱交換設(shè)備制造中，管-板焊接是一道非常重要的工序。管-板焊接接頭數(shù)量大，對(duì)焊接位置和焊縫致密性的要求苛刻。管-板焊接的好壞對(duì)換熱器的質(zhì)量起決定性作用[1-4]。焊槍的準(zhǔn)確定位則是保證焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵[5]。

目前，雖然對(duì)焊接機(jī)器人和基于視覺的管-板焊機(jī)的研究都有了突破，但根據(jù)調(diào)研，因?qū)嶋H應(yīng)用的機(jī)器人運(yùn)行速度慢、運(yùn)行安全可靠性差等，很多企業(yè)尤其是中小微企業(yè)的管-板焊機(jī)定位仍多通過中心桿或中心桿加漲緊塊進(jìn)行管-板環(huán)焊縫中心的定位[6-7]。這樣的定位方法，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊槍位置變化、焊接工藝參數(shù)波動(dòng)造成中心桿同工件焊接成一體的事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備和工件，導(dǎo)致焊接生產(chǎn)的無(wú)法進(jìn)行。

為了可靠地進(jìn)行管-板焊接定位，杜絕中心桿同工件焊接成一體的事故，提高管-板自動(dòng)焊設(shè)備的工作效率和焊縫質(zhì)量，本文將在分析國(guó)內(nèi)外多款管-板焊機(jī)利弊的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作需要，設(shè)計(jì)開發(fā)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位方便、操作簡(jiǎn)便且成本較低的懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備。

1 懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)

懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備(圖1)由移動(dòng)鎖止部分、懸空定位部分、焊槍自動(dòng)運(yùn)行部分、控制系統(tǒng)、焊接電源、供氣系統(tǒng)等組成。從便于運(yùn)輸、安裝和檢修考慮，可將懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備設(shè)計(jì)成各部分相互獨(dú)立的模塊。這些模塊能通過固定螺栓、吊環(huán)、電纜等連接成一個(gè)有機(jī)的整體。

圖1 懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備

懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

1.底座；2.立柱；3，8，10.電磁制動(dòng)器；4.旋轉(zhuǎn)臂支架；5，7.旋轉(zhuǎn)臂；6.旋轉(zhuǎn)臂連接架；9.升降機(jī)構(gòu)防護(hù)罩；11.升降齒輪；12.升降臂連接架；13.平衡器；14.升降齒條；15.升降滑動(dòng)軸承塊；16.升降導(dǎo)軌；17.升降桿；18.焊槍防護(hù)罩；19.懸空氣缸；20.焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)；21.驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；22.步進(jìn)電機(jī)減速器；23.焊槍；24.定位軸；25.復(fù)位彈簧；26.焊槍高度定位螺釘；27.定位滑塊； 28.定位桿；29.軸承座；30.旋轉(zhuǎn)盤；31.總固定盤；32.旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪；33氣缸支架圖2 懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)

2 移動(dòng)鎖止部分

懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的移動(dòng)鎖止部分包括水平移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)和垂直移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)移動(dòng)鎖止部分時(shí)，需重點(diǎn)解決其鎖止可靠性和鎖止精度問題。

水平移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)(圖3)主要由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂(旋轉(zhuǎn)臂5、旋轉(zhuǎn)臂7)和兩個(gè)電磁制動(dòng)器(電磁制動(dòng)器3、電磁制動(dòng)器8)組成。其兩個(gè)旋轉(zhuǎn)臂之間、旋轉(zhuǎn)臂和支架立柱之間采用鉸接方式連接，可實(shí)現(xiàn)水平方向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

3-1，8-1．電磁制動(dòng)器固定盤；3-2，8-2.電磁制動(dòng)器移動(dòng)盤 圖3 水平移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)

垂直移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)(圖4)由電磁制動(dòng)器10、升降齒輪11、升降臂連接架12、平衡器13、升降齒條14、升降滑動(dòng)軸承塊15、升降導(dǎo)軌16、升降桿17等組成。電磁制動(dòng)器10安裝在旋轉(zhuǎn)臂7上。升降齒輪11安裝在電磁制動(dòng)器10的從動(dòng)盤上。升降齒條14安裝在升降桿17上，可實(shí)現(xiàn)垂直方向的自由移動(dòng)。

圖4 垂直移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)

水平移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)和垂直移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)均可進(jìn)行手動(dòng)操作，將設(shè)置在執(zhí)行端的定位機(jī)構(gòu)移動(dòng)到指定位置，實(shí)現(xiàn)鎖止操作。水平移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)和垂直移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)中均設(shè)有電磁制動(dòng)器。電磁制動(dòng)器8和電磁制動(dòng)器10均安裝在鉸軸上。電磁制動(dòng)器的主動(dòng)盤與固定支座連接成一體；從動(dòng)盤與旋轉(zhuǎn)軸連接成一體。斷電時(shí)，電磁制動(dòng)器的主動(dòng)盤和從動(dòng)盤發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；通電后，在電磁力作用下，電磁制動(dòng)器的主動(dòng)盤和從動(dòng)盤又固定為一體，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂與支架立柱、旋轉(zhuǎn)臂與旋轉(zhuǎn)臂、齒輪與齒條之間的鎖緊。

3 懸空定位部分

懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的懸空定位部分(圖5)與垂直移動(dòng)鎖止機(jī)構(gòu)的執(zhí)行端相連。它主要包括平衡器13、懸空氣缸19、定位桿的連接桿36和定位機(jī)構(gòu)等。

34.軸承；35.從動(dòng)齒輪；36.定位桿的連接桿；37.球頭連桿 圖5 設(shè)備的懸空定位部分

懸空定位部分的定位機(jī)構(gòu)包括：復(fù)位彈簧25、焊槍高度定位螺釘26、定位滑塊27、定位桿28和漲緊銅套。其中，漲緊銅套裝在定位桿末端，可在定位桿上滑動(dòng)；定位滑塊位于漲緊銅套上方，且定位滑塊與漲緊銅套之間裝有漲緊彈簧；焊槍高度定位螺釘與定位滑塊相連接，用來調(diào)整焊槍的定位高度。

在定位過程中，平衡器一端固定在懸臂上，另一端連接機(jī)頭，平衡機(jī)頭所受重力的作用，以保證機(jī)頭能夠懸停在任一位置；在電磁制動(dòng)器3、電磁制動(dòng)器8、電磁制動(dòng)器10和氣缸電磁閥斷電時(shí)，懸空氣缸的活塞桿伸出(同時(shí)，漲緊銅套對(duì)中管孔)，推動(dòng)定位桿下移，直到定位塊調(diào)整螺栓頂住焊接板為止；在彈簧力的作用下，漲緊銅套下移，使其錐面緊緊壓在焊接管的內(nèi)壁上，對(duì)焊槍進(jìn)行對(duì)中調(diào)整；在焊槍調(diào)整到位后，3個(gè)電磁制動(dòng)器均通電鎖止，同時(shí)，氣缸電磁閥通電，氣缸桿縮回，使?jié)q緊銅套離開焊接管而懸空。

完成定位后，啟動(dòng)焊機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，焊槍圍繞焊接管旋轉(zhuǎn)一周，即可完成焊接。

4 焊槍自動(dòng)運(yùn)行部分

懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的焊槍自動(dòng)運(yùn)行部分(圖6)主要包括焊槍23、焊槍位置調(diào)整機(jī)構(gòu)和焊槍旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的焊槍自動(dòng)運(yùn)行部分時(shí)，需重點(diǎn)解決焊槍定位精度、焊接速度穩(wěn)定性和焊接角度調(diào)整問題。

38.焊槍支架底座；39滑動(dòng)導(dǎo)軌；40.焊槍滑塊；41.焊槍支架；42.焊槍夾；43.定位塊調(diào)整螺栓 圖6 設(shè)備的焊槍自動(dòng)運(yùn)行部分

焊槍位置調(diào)整機(jī)構(gòu)可根據(jù)焊接件管口外徑進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，并能保證合適的焊接角度。通過定位塊調(diào)整螺栓43，可調(diào)整焊槍23與焊接平板的距離。

焊槍旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)21、步進(jìn)電機(jī)減速器22、旋轉(zhuǎn)盤30、總固定盤31、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪32。電機(jī)軸上裝有一個(gè)旋轉(zhuǎn)盤和一對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在旋轉(zhuǎn)盤上的焊槍能夠隨旋轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

5 控制系統(tǒng)

懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、觸摸屏顯示器、繼電器、電磁閥、傳感器、電磁制動(dòng)器、穩(wěn)壓電源、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。根據(jù)設(shè)備的技術(shù)要求，控制系統(tǒng)選用DVP-40EH00T3型PLC，其I/O口的分配情況如表1所示。

表1 PLC的 I/O口分配情況

設(shè)備的控制系統(tǒng)通過PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行速度、運(yùn)行方向的控制；對(duì)移動(dòng)鎖止部分進(jìn)行自動(dòng)鎖止，并能實(shí)現(xiàn)其自由放松；實(shí)現(xiàn)懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的懸空定位；控制焊接的自動(dòng)啟弧和息弧。通過控制系統(tǒng)的觸摸屏，可選擇手動(dòng)控制方式和自動(dòng)控制方式，也可直接修改焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

6 懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的調(diào)試

調(diào)試時(shí)，先檢查調(diào)整所用設(shè)備，保證其電源電壓、氣體壓力符合技術(shù)要求，各部分的連接牢固可靠，運(yùn)行參數(shù)設(shè)定正確；然后，采用手動(dòng)方式分步運(yùn)行調(diào)試，在各運(yùn)行步驟達(dá)到規(guī)定要求后，選擇自動(dòng)運(yùn)行方式進(jìn)行空運(yùn)行，運(yùn)行無(wú)誤后方可進(jìn)行施焊；最后，根據(jù)焊接結(jié)果分析焊縫存在的問題，進(jìn)一步調(diào)整工藝參數(shù)，直到獲得滿意的焊縫為止。

完成調(diào)試后進(jìn)行正常焊接。采用懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備時(shí)，每個(gè)焊縫的調(diào)整和控制可一鍵完成。

懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的工作流程如圖7所示。

圖7 懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備的工作流程

7 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備改進(jìn)了焊槍定位機(jī)構(gòu)，增加了懸空鎖止功能。它通過焊槍高度調(diào)整機(jī)構(gòu)和管孔中心定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊槍的定位，調(diào)節(jié)方便快捷；通過懸空氣缸活塞桿的伸縮，帶動(dòng)定位機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)；通過鎖止機(jī)構(gòu)固定機(jī)頭位置；采用PLC控制，使每個(gè)焊縫的調(diào)整和控制能一鍵完成；采用平衡器平衡機(jī)頭受到的重力作用，使焊槍的水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)都非常輕便，能減輕操作強(qiáng)度；在完成定位后焊槍鎖止，伸縮氣缸縮回，定位機(jī)構(gòu)懸空且遠(yuǎn)離焊縫，杜絕了焊接參數(shù)波動(dòng)過大、焊槍位置變動(dòng)造成的定位機(jī)構(gòu)受損、定位機(jī)構(gòu)同工件焊接成一體等故障。懸空定位式管-板自動(dòng)焊設(shè)備能夠降低焊接故障率，提高焊槍定位效率和焊接質(zhì)量。