袁龍鋒，楊綠群

(惠州市贏合科技有限公司，廣東 惠州 516025)

0 引 言

隨著我國科學(xué)技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)實(shí)力的發(fā)展，在焊接領(lǐng)域內(nèi)自動(dòng)焊接技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了機(jī)械焊接中，自動(dòng)焊接不僅大大提升了機(jī)械焊接行業(yè)的焊接技術(shù)水平與標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量，而且提高了生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。目前自動(dòng)化焊接技術(shù)已應(yīng)用于汽車、能源、軌道交通、航空航天、船舶制造、冶金設(shè)備、醫(yī)藥機(jī)械等多個(gè)行業(yè)，自動(dòng)化焊接技術(shù)的不斷推廣與應(yīng)用，已成為機(jī)械制造領(lǐng)域的未來發(fā)展方向[1-3]。

近幾年來，鋰電行業(yè)高速發(fā)展，社會(huì)對(duì)鋰電設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)[4]。風(fēng)嘴作為鋰電設(shè)備中的部件，需求量也逐漸增加。風(fēng)嘴主要通過將鈑金件折彎、焊接、組裝等步驟完成制作。目前風(fēng)嘴制造大多都是采用人工焊接，焊接方式主要為人工氬弧焊，焊接工人需要長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度工作才能滿足風(fēng)嘴的需求量，長(zhǎng)時(shí)間的焊接工作對(duì)人的眼睛傷害較大，容易發(fā)生意外，且焊接的質(zhì)量無法得到保障。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出使用自動(dòng)焊接替代傳統(tǒng)的人工焊接，通過對(duì)需要焊接的三種風(fēng)嘴部件的結(jié)構(gòu)分析，并綜合考慮設(shè)備利用率、占地面積等各方面因素，設(shè)計(jì)出一條可以同時(shí)焊接三種風(fēng)嘴部件的自動(dòng)化焊接線，該生產(chǎn)線不僅可以保證風(fēng)嘴部件焊接后的品質(zhì)，而且能保證生產(chǎn)線自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 三種風(fēng)嘴部件介紹

文中設(shè)計(jì)的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線主要是針對(duì)風(fēng)嘴外框焊接、風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接、風(fēng)嘴擋板和固定銷三種不同風(fēng)嘴部件進(jìn)行焊接工作，這三種風(fēng)嘴部件主要由有鈑金件拼裝焊接而成，三種產(chǎn)品圖分別對(duì)應(yīng)圖1～3。

圖1 風(fēng)嘴外框產(chǎn)品樣圖

圖2 風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板產(chǎn)品樣圖 圖3 風(fēng)嘴擋板和固定銷產(chǎn)品樣圖

2 工藝流程

上述風(fēng)嘴部件主要是由鈑金件拼裝焊接而成，由于鈑金件存在變形，因此在焊接前需要進(jìn)行拼裝定位，風(fēng)嘴自動(dòng)化焊接線針對(duì)三種風(fēng)嘴部件設(shè)計(jì)了三個(gè)工位進(jìn)行拼裝定位。風(fēng)嘴自動(dòng)化焊接生產(chǎn)的工藝流程如下。

(1) 上料：通過半自動(dòng)方式將物料按要求放置在約定區(qū)域，搬運(yùn)機(jī)器人通過程序控制實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的分揀并搬運(yùn)到指定的工裝位置上。

(2) 拼裝定位：搬運(yùn)機(jī)器人將物料放到對(duì)應(yīng)的工位上，通過夾具進(jìn)行拼裝定位。

(3) 焊接：焊接機(jī)器人對(duì)拼裝定位好的產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)焊接[5-6]。

(4) 下料：搬運(yùn)機(jī)器人將焊接好的產(chǎn)品從工位取出，放到成品區(qū)進(jìn)行自動(dòng)碼垛。

風(fēng)嘴自動(dòng)化焊接生產(chǎn)的工藝流程圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)嘴自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線工藝流程

3 自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線布局與組成

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接過程控制要求、設(shè)備利用率、生產(chǎn)節(jié)拍要求及車間面積實(shí)際使用情況，風(fēng)嘴自動(dòng)化生產(chǎn)線整體布局設(shè)計(jì)為：物料料架放置區(qū)、產(chǎn)品成品區(qū)、搬運(yùn)機(jī)器人工位、焊接機(jī)器人工位、風(fēng)嘴外框焊接工位、風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位、風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位、控制臺(tái)、電控部分以及護(hù)欄部分，根據(jù)物料的結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)了不同料架，根據(jù)加工風(fēng)嘴部件的不同設(shè)計(jì)了三個(gè)焊接工位，并且為了提高設(shè)備的利用率，使用6軸工業(yè)機(jī)器人在地軌上工作，兩臺(tái)機(jī)器人在三個(gè)工位之間交替工作，整個(gè)生產(chǎn)線生產(chǎn)過程只需工人將物料放到設(shè)計(jì)的料架上，以及將焊接產(chǎn)品從成品區(qū)取出即可[7-8]，自動(dòng)化程度較高，具體布局如圖5所示。

圖5 風(fēng)嘴自動(dòng)化焊接線布局圖

3.1 物料料架裝置

料架放置區(qū)主要是由物料架和料架定位裝置構(gòu)成，主要功能是完成物料的初次定位，以便后續(xù)搬運(yùn)機(jī)器人上料。

(1) 風(fēng)嘴側(cè)板料架 根據(jù)側(cè)板的特點(diǎn)以及搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)上料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的風(fēng)嘴側(cè)板料架裝置如圖6所示，料架采用定位塊完成側(cè)板的初次定位，它設(shè)計(jì)有萬向輪，可以移動(dòng)，人工上料時(shí)只需將側(cè)板放到料架上，然后推動(dòng)料架到上料區(qū)即可，方便省力；定位裝置采用電磁鐵將料架吸附在固定位置上，防止搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)上料時(shí)，料架偏移位置造成故障停機(jī)，并且采用接近傳感器檢測(cè)，保證搬運(yùn)機(jī)器人取料工作正常。因?yàn)閷?dǎo)流腔和蓋板的尺寸形狀與側(cè)板相似，所以可以采用同樣的料架。

圖6 風(fēng)嘴側(cè)板料架裝置 圖7 風(fēng)嘴封板料架 圖8 風(fēng)嘴擋板料架裝置

(2) 風(fēng)嘴封板料架 風(fēng)嘴封板料架如圖7所示，因?yàn)榉獍宄叽绺鷤?cè)板尺寸相差較大，不能使用與側(cè)板相同的料架，根據(jù)尺寸設(shè)計(jì)了如下圖的封板料架，旁邊采用四個(gè)支撐柱和底部的兩個(gè)定位塊進(jìn)行封板的定位，并且采用步進(jìn)電機(jī)和絲桿組件進(jìn)行送料，可以方便搬運(yùn)機(jī)器人取料，避免產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。

(3) 風(fēng)嘴擋板料架 風(fēng)嘴擋板料架如圖8所示，根據(jù)擋板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，并且考慮了機(jī)器人取料方便，采用六個(gè)定位塊將擋板固定，料架定位裝置與風(fēng)嘴側(cè)板料架定位裝置一致。

3.2 風(fēng)嘴外框焊接工位

風(fēng)嘴外框焊接工位主要是將外框的四塊鈑金件進(jìn)行拼裝定位，然后焊接機(jī)器人自動(dòng)焊接，外框定位裝置采用氣缸和定位塊相配合組成夾具進(jìn)行定位[9]，外框焊接工位結(jié)構(gòu)如圖9所示，在變位機(jī)結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)外框的定位組件，定位組件進(jìn)行外框的定位，使用變位機(jī)是為了輔助焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接工作。

圖9 風(fēng)嘴外框焊接工位結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)嘴外框焊接工位核心部分是定位組件的設(shè)計(jì)，定位組件主要包括定位氣缸和定位塊，定位組件結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，該機(jī)構(gòu)工作原理是：工作時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人從風(fēng)嘴封板料架處取封板放到工位指定位置，定位氣缸3、4推動(dòng)封板定位，封板定位氣缸2推動(dòng)完成封板定位，封板夾緊氣缸2將定位好的封板夾緊，保證焊接時(shí)位置不發(fā)生改變，定位氣缸3、4和封板定位氣缸2復(fù)位；搬運(yùn)機(jī)器人從風(fēng)嘴側(cè)板料架處取側(cè)板放到工位指定位置，側(cè)板定位氣缸1、2推動(dòng)側(cè)板定位，定位氣缸1推動(dòng)完成側(cè)板定位，定位氣缸1復(fù)位，側(cè)板定位氣缸1、2不退回并將側(cè)板夾緊；同理另一封板和側(cè)板大致也采用此方式進(jìn)行拼裝定位，只是使用定位氣缸不同，拼裝定位完成后焊接機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接，變位機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度輔助機(jī)器人進(jìn)行焊接。在定位塊上安裝有接近開關(guān)，可以起到限位保護(hù)作用，并且有一邊定位組件可以通過調(diào)節(jié)旋鈕柱塞后在導(dǎo)軌上移動(dòng)，可以焊接不同長(zhǎng)度的風(fēng)嘴外框。

圖10 風(fēng)嘴外框焊接工位定位組件結(jié)構(gòu)圖

3.3 風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位

風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位將導(dǎo)流腔和蓋板進(jìn)行拼裝定位，自動(dòng)焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 風(fēng)嘴導(dǎo)流腔和蓋板焊接工位結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是：工作時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人從導(dǎo)流腔料架取料放到焊接工位上，定位氣缸1、2推動(dòng)導(dǎo)流腔配合定位塊2、3對(duì)導(dǎo)流腔進(jìn)行定位，同理定位氣缸3推動(dòng)導(dǎo)流腔進(jìn)行橫向定位，定位完成后定位氣缸3復(fù)位；搬運(yùn)機(jī)器人取蓋板放到導(dǎo)流腔上方，定位氣缸3推動(dòng)蓋板完成該工位的拼裝定位工作；回轉(zhuǎn)夾緊氣缸旋轉(zhuǎn)90°將蓋板夾緊，因?yàn)楹附臃绞讲捎眉す夂附樱褂脷飧讑A緊可以防止蓋板和導(dǎo)流腔之間存在縫隙，激光焊接效果更好。

3.4 風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位

風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位將擋板和固定銷進(jìn)行拼裝定位，其結(jié)構(gòu)如圖12所示，由于固定銷體積與其它物料相比體積小，不能使用搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行上料，為了上料方便，把風(fēng)嘴固定銷的料盤設(shè)計(jì)在焊接工位上，使用三軸機(jī)械手模組和夾爪上料，取料夾爪上面有2個(gè)氣動(dòng)手指，可以一次性抓取2個(gè)固定銷進(jìn)行上料；并且在焊接工位設(shè)計(jì)有擋板的二次定位平臺(tái)，對(duì)擋板進(jìn)行二次定位，方便后續(xù)拼裝。

圖12 風(fēng)嘴擋板和固定銷焊接工位

擋板和固定銷焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖13所示，采用氣缸和真空吸盤將擋板和固定銷拼裝定位，該焊接工位的工作原理是：工作時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人取擋板放到二次定位平臺(tái)上，定位氣缸1、2推動(dòng)擋板進(jìn)行定位，機(jī)械手模組驅(qū)動(dòng)取料夾爪到固定銷料盤取出固定銷放到焊接平臺(tái)上，搬運(yùn)機(jī)器人從二次定位平臺(tái)取定位好的擋板放到焊接平臺(tái)上，真空吸盤將擋板吸住，回轉(zhuǎn)夾緊氣缸將擋板夾緊，滑臺(tái)氣缸向前推動(dòng)，固定銷頂升氣缸將固定銷送到指定位置，頂針頂升氣缸將頂針頂起，固定銷與擋板進(jìn)行拼裝，拼裝完成后焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接。

圖13 焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

4 設(shè)備制造與調(diào)試

為了驗(yàn)證風(fēng)嘴部件自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線加工的可行性，設(shè)計(jì)并制作出一套完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求和設(shè)備各機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要求，采用PLC作為主控制器，對(duì)整個(gè)風(fēng)嘴部件自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化控制。采用HMI可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、機(jī)器人和其它運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和操作指令發(fā)送等；程序功能上設(shè)計(jì)內(nèi)容包括啟動(dòng)、停止、故障報(bào)警等功能[10]。

風(fēng)嘴部件自動(dòng)化焊接線完成裝配調(diào)試后，生產(chǎn)出的產(chǎn)品合格率可以達(dá)到99%以上，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，并且整個(gè)生產(chǎn)線設(shè)備持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖14所示。

圖14 風(fēng)嘴部件自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)圖

5 結(jié) 論

文中重點(diǎn)針對(duì)三種不同的風(fēng)嘴部件設(shè)計(jì)了三個(gè)不同的定位焊接工位，并將三個(gè)工位安裝在同一生產(chǎn)線上，使用兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人完成整個(gè)自動(dòng)化焊接線的上下料和焊接工作，并通過實(shí)際生產(chǎn)證明了整個(gè)自動(dòng)化焊接線的設(shè)計(jì)的可行性，結(jié)果驗(yàn)證如下。

(1) 風(fēng)嘴部件自動(dòng)化焊接線整機(jī)由三個(gè)風(fēng)嘴部件工位、搬運(yùn)機(jī)器人工位、焊接機(jī)器人工位、料架放置區(qū)，成品區(qū)等部分組成，整個(gè)焊接生產(chǎn)過程基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

(2) 采用兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人配合地軌在三個(gè)工位之間交替工作，設(shè)備利用率高。

(3) 整個(gè)自動(dòng)化焊接線設(shè)備所有動(dòng)作均通過 PLC 控制程序來控制實(shí)現(xiàn)，整個(gè)生產(chǎn)線只需安排1 名工人操作即可完成生產(chǎn)工作。

(4) 整個(gè)生產(chǎn)線各組成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，設(shè)備組裝和維護(hù)簡(jiǎn)單，可大大節(jié)約維護(hù)檢修成本。