筋板自動進料焊接裝置的研制

沈孝芹 李歡歡 國海芝 于復生

(山東建筑大學 機電工程學院,濟南 250101)

筋板自動進料焊接裝置的研制

沈孝芹 李歡歡 國海芝 于復生

(山東建筑大學 機電工程學院,濟南 250101)

針對大直徑?jīng)_擊鉆頭和錐形管與法蘭的筋板焊接進行了研究，研制了一種筋板自動上料焊接裝置，提高了焊接效率。介紹了該裝置的自動化上料裝置以及其電控系統(tǒng)的設(shè)計。該裝置主要由機架、上料機構(gòu)、夾持測距機構(gòu)、焊槍運動機構(gòu)、焊機及控制柜等組成。電控系統(tǒng)包括檢測與控制兩部分，檢測部分的檢測錐形管的旋轉(zhuǎn)位置，以確定筋板的焊接位置；控制部分控制焊槍的運動，實現(xiàn)對筋板的焊接。該裝置可提高肋板焊接的自動化程度，降低焊工的勞動強度，提高工作效率。

錐形鋼管 大直徑?jīng)_擊鉆頭 自動進料 焊接裝置 筋板

0 序 言

筋板是用于加強結(jié)構(gòu)強度和剛度的一種常規(guī)設(shè)計[1-2]，在大直徑?jīng)_擊鉆頭和電力錐形管的結(jié)構(gòu)中，筋板得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。目前，筋板與主結(jié)構(gòu)件的連接主要采用手工焊，焊工勞動強度高，焊接效率低；同時，手工焊容易受工作環(huán)境、焊工狀態(tài)等諸多因素的影響，焊縫質(zhì)量不夠穩(wěn)定，導致筋板位置尺寸的偏差和焊接缺陷。目前，自動化焊接特別是焊接機器人已得到了廣泛的應(yīng)用[5-9]，但在該類鉆頭和錐形管的筋板焊接中卻不多見，其主要原因是：構(gòu)件的尺寸誤差偏大，對于無自動尋位和焊縫跟蹤的機器人焊接來說有一定的難度，若進行機器人的示教再焊接，就大大降低了生產(chǎn)效率。針對這種情況，文中研發(fā)了針對該類鉆頭和錐形管筋板的焊接裝置，初步試用，效果良好。

1 機械裝置的設(shè)計

1.1焊接工件的結(jié)構(gòu)特點

文中所研制的自動化焊接裝置所針對的工件如圖1和圖2所示。圖1為大直徑?jīng)_擊反循環(huán)鉆頭，其結(jié)構(gòu)為階梯狀布置的導向圈通過均勻分布的筋板與中間空心管焊接在一起；圖2是錐形電塔桿的端部，其主要的焊接要求為將筋板均勻地焊接在帶棱錐形管和端部法蘭盤之間，該兩類工件均要求筋板均布，且都是多層多道焊；該兩種工件尺寸都很大，鉆頭的外廓直徑可達2.5 m，而錐形管的外廓直徑也可達2 m以上，因此，其工件的尺寸誤差較大，用焊接機器人焊接效率不理想。

圖1 大直徑?jīng)_擊反循環(huán)鉆頭

圖2 帶棱錐形電塔桿的端部

錐形鋼管廠在多邊形錐形鋼管的筋板焊接方面存在以下問題：①鋼管棱面數(shù)量和筋板數(shù)量不相等，造成筋板與棱面的徑向距離不等；②鋼管滾動時會有軸向的移動，造成筋板與法蘭之間距離發(fā)生變化；③鋼管的尺寸有很多種，造成自動焊接設(shè)備不能應(yīng)用于筋板焊接。

1.2自動上料焊接裝置

根據(jù)上述工件的零部件的尺寸精度及焊接工藝要求，文中研制了一款基于光電管傳感器和接觸式電阻直線傳感器的筋板自動焊接裝置，主要由機架、上料機構(gòu)、夾持測距機構(gòu)、焊槍運動機構(gòu)、焊機及控制柜等組成，如圖3所示。圖3中，機架由鋁型材搭制而成，其余機構(gòu)通過螺釘安裝在機架上，以便因焊接錐形管尺寸的不同而進行機構(gòu)的位置調(diào)整；上料機構(gòu)如圖4所示，由步進電機帶動的滾珠絲杠和圓柱導軌組成，步進電機安裝有行星減速機，以增大輸出的力矩，為了減小步進電機的功率，增加了氣缸助力；夾持測距機構(gòu)是該裝置的關(guān)鍵，采用了如圖5所示的機構(gòu)，X,Y向分別由TN型氣缸為執(zhí)行件，為適應(yīng)所推動的筋板的大小和安裝位置的不同，氣缸的前端增加了彈簧機構(gòu)，該彈簧的彈性系數(shù)較大，確保筋板能被推到錐形管的管壁和法蘭盤上，并允許零件有一定的尺寸誤差；焊槍運動機構(gòu)為一三維的運動機構(gòu)，即X,Y向和繞Z的旋轉(zhuǎn)運動，如圖6所示，可實現(xiàn)筋板與管壁、筋板與法蘭盤之間焊縫的焊接工作。

圖3 筋板自動上料焊接裝置

圖4 上料機構(gòu)

圖5 夾緊定位及夾持測距機構(gòu)圖

圖6 焊槍運動機構(gòu)

2 電控系統(tǒng)的設(shè)計

該焊接裝置的電控系統(tǒng)包括檢測與控制兩部分：檢測部分的主要任務(wù)是檢測錐形管的旋轉(zhuǎn)位置，以確定筋板的焊接位置；控制部分的主要任務(wù)是控制焊槍的運動，實現(xiàn)對筋板的焊接。

如圖2所示的錐形管，錐形管體的端面與一圓形法蘭盤焊接在一起，在圓形法蘭盤的周邊上，均勻開有若干個螺栓安裝孔，在兩個螺栓安裝孔的中間位置，需焊有筋板。為了測量管子的旋轉(zhuǎn)位置，采用了兩組光電對射管，兩組光電對射管安裝在法蘭盤的兩側(cè)，當管子旋轉(zhuǎn)時，光電對射管出現(xiàn)被遮擋或?qū)ǖ那闆r，據(jù)此判斷管子的圓周運動位置。由于法蘭盤與錐形管端口焊接圓周位置上的隨意性，導致筋板與管壁焊接表面的不同：有的正好焊接在錐形管的平面上，有的斜著焊接在錐形管的平面上，甚至有些將焊接在平面與平面之間的棱上，如圖2所示。因此，將導致兩個問題：一是筋板的焊縫與錐形管中心軸線的距離不一，焊接在平面中間的與軸線的距離最近，焊接在棱上的與軸線的距離最遠，斜焊在平面上的與軸線的距離介于最近和最遠之間，對于直徑為600 mm的錐形管來說，筋板的焊縫距離軸線的距離可差23 mm；二是對于較厚的筋板(>10 mm)來說，由于與管壁的接觸方式不同，筋板兩側(cè)的焊縫需要的焊縫層數(shù)不同，當筋板與錐形管壁平面形成角度最大的時候，筋板兩側(cè)的焊縫層數(shù)會相差很多，比如一側(cè)為4～5層，而另一側(cè)僅需1～2層的情況。

為此，該裝置設(shè)計了筋板焊縫處于不同位置時的測量機構(gòu)，如圖5所示，在X向和Y向的推動機構(gòu)中，在兩根彈簧的中間，放置了一只直線滑動電阻傳感器，該傳感器的伸出端有彈簧，以使伸出端始終接觸在被測表面的實體上，因而可以測量被測表面與氣缸前端的相對位置，據(jù)此判斷筋板與管壁相接觸的位置與接觸形式，從而控制焊槍進行相應(yīng)的焊接工作。

該裝置的電控系統(tǒng)的控制部分主要完成管體旋轉(zhuǎn)、底部電機推送筋板垛上行、水平氣缸推動筋板定位、焊槍的位置及姿態(tài)控制以及焊機開關(guān)。在管體旋轉(zhuǎn)中，光電對射管會測量法蘭盤上孔的位置。從某組孔開始，當下一組孔到達光電管測量位置時，即表明兩組孔的中間部分運動到了應(yīng)焊接筋板的位置。此時，底部電機運動，由滾珠絲杠推動筋板垛上行，運動距離由單片機根據(jù)筋板厚度設(shè)定。當筋板到達水平焊接位置時，進料氣缸推動筋板運動，同時安裝在氣缸內(nèi)的直線滑動電阻傳感器頭部在彈簧的推動下，與筋板的外邊緣接觸。通過單片機讀取傳感器的數(shù)據(jù)，可以推知筋板的外邊緣位置，從而進一步推知筋板與錐形管外表面的接觸方式，最后推斷出筋板與管體焊接的焊縫形式：當水平推進的筋板與管體的平面相垂直時，筋板與管體表面的接觸為棱面與平面的面接觸，此時筋板兩側(cè)的焊縫層數(shù)一致；除此之外的筋板與管體外表面的接觸均為線面接觸，且除了筋板正好與管體的棱對接外，其余的均會出現(xiàn)筋板兩側(cè)焊縫層數(shù)不一致的情況，多的焊縫的層數(shù)相差3～4層。因而，控制系統(tǒng)需要控制焊槍運動機構(gòu)完成對筋板一側(cè)焊縫的焊接工作。同時，在焊接的過程中，筋板的短直角邊與法蘭盤之間也有焊縫，這需要對焊槍的姿態(tài)進行調(diào)整，因而，在焊槍的運動機構(gòu)中，設(shè)置了焊槍旋轉(zhuǎn)的一維運動。筋板要連續(xù)不斷地焊接在錐形管的外表面，因此，設(shè)置了管體自動旋轉(zhuǎn)的動作，這些動作的實現(xiàn)和焊機開關(guān)的控制均由電控系統(tǒng)的控制部分來完成。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

該裝置的控制系統(tǒng)核心采用成本低且抗干擾好的STC系列單片機。其前端輸入信號有兩路：①光電對射管的開關(guān)信號;②直線滑線電阻器輸出的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。其后向輸出信號有：①帶動

錐形管旋轉(zhuǎn)的大功率步進電機的一路脈沖驅(qū)動信號；②對上料機構(gòu)的步進電機的一路脈沖驅(qū)動信號；③對上料機構(gòu)的助力氣缸的電磁閥所發(fā)出的一路開關(guān)信號；④對推動筋板氣缸的電磁閥發(fā)出的兩路開關(guān)信號；⑤對焊槍位置控制的運動機構(gòu)發(fā)出的兩路步進電機驅(qū)動的脈沖信號；⑥對焊槍姿態(tài)調(diào)整的一路步進電機的驅(qū)動信號。其程序框圖如圖7所示。

圖7 電控程序框圖

4 結(jié) 論

(1)應(yīng)用STC單片機為控制核心，采用光電對射管和直線滑線電阻器為傳感器，應(yīng)用步進電機和氣缸作為執(zhí)行件，構(gòu)建了針對大直徑?jīng)_擊反循環(huán)鉆頭和錐形電塔管的筋板自動上料焊接裝置。

(2)設(shè)計的焊接裝置結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，可適用于多尺寸多型號的同類型工件的自動焊接中。

(3)經(jīng)使用表明，該焊接裝置焊接效果好，提高了大直徑鉆頭和錐形管筋板焊接的自動化程度，節(jié)省了大量的勞動力。

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2016-07-21

山東省高等學?？蒲杏媱濏椖?J14LB05)；山東建筑大學博士科研基金項目(XNBS1014)。

TG438.2

沈孝芹，1974年出生，博士，副教授。主要從事工程機械的焊接工藝及設(shè)備、結(jié)構(gòu)有限元分析、機械創(chuàng)新設(shè)計等教學與科研工作，已發(fā)表論文30余篇。