車圈圓形焊縫全自動焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)*

徐平凡,肖文勛,王 哲

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528404; 2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640；3.廣東國哲自動化設(shè)備有限公司，廣東 中山 518000)

0 引言

車圈圓形焊縫焊接難度較大，目前以人工焊接為主，焊接生產(chǎn)線上的每個工人將車圈的不同部件安裝在各自的夾具上，調(diào)整夾具的位置調(diào)整工件的位置，使其達(dá)到平衡點(diǎn)，工人根據(jù)焊縫的大小調(diào)整焊接電源的電流大小和焊接速度，焊接完成后，由專人檢測焊接工藝是否合格，若出現(xiàn)漏焊或過焊問題需返工，整個焊接過程工序復(fù)雜、效率低且易焊偏，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。針對此問題，國內(nèi)很多文獻(xiàn)提出不同的解決措施，主要有：采用數(shù)控焊接方式[1-2]，造價高；圓形焊接專機(jī)[3]，編程復(fù)雜后期升級改造難；夾具的改造設(shè)計(jì)[4～6]，有一定的借鑒作用，但無法實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。另外文獻(xiàn)[7]提到的將焊槍安裝在一轉(zhuǎn)動臺上，利用轉(zhuǎn)動臺的旋轉(zhuǎn)帶動焊槍轉(zhuǎn)動進(jìn)行焊接，這樣能提高生產(chǎn)效率，也能保證產(chǎn)品質(zhì)量，但焊槍的連接導(dǎo)線容易出現(xiàn)卷繞等情況，使用較為不便，且現(xiàn)有的焊接設(shè)備通常無法調(diào)節(jié)焊槍的位置，因此僅能適用一種尺寸規(guī)格的車圈，適用范圍較窄。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種車圈全自動焊接裝置，包括轉(zhuǎn)動機(jī)架、工件夾緊裝置和橫向驅(qū)動裝置，焊槍安裝在焊槍夾具上，車圈工件安裝在工件夾緊裝置上，驅(qū)動裝置可驅(qū)動焊槍夾緊裝置縱向移動至焊槍附近，焊槍對車圈工件進(jìn)行自動焊接，驅(qū)動裝置連續(xù)驅(qū)動工件夾緊裝置轉(zhuǎn)動，焊槍可連續(xù)對車圈工件上的圓形焊縫進(jìn)行焊接，工人只需車圈工件的上下料，無需進(jìn)行焊接操作，能有效降低工人的勞動強(qiáng)度保證操作安全，且能防止焊接偏離保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，效果明顯。

1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車圈自動焊設(shè)備包括：機(jī)架、工件夾緊裝置和焊槍夾緊裝置，如圖1所示。工件夾緊裝置設(shè)置在機(jī)架上，機(jī)架上的第一驅(qū)動裝置用于驅(qū)動工件夾緊裝置橫向轉(zhuǎn)動，車圈工件固定在該工件夾緊裝置上；焊槍夾緊裝置以縱向滑動方式設(shè)置在機(jī)架上，并由第二驅(qū)動裝置驅(qū)動，可相對機(jī)架上下移動，焊槍夾緊裝置還包含焊槍夾具，并與車圈工件的焊縫縱向?qū)R，焊槍固定在焊槍夾具上。車圈工件安裝在工件夾緊裝置上，第二驅(qū)動裝置可驅(qū)動焊槍夾緊裝置縱向移動，使焊槍靠近車圈工件進(jìn)行自動焊接，第一驅(qū)動裝置可驅(qū)動工件夾緊裝置轉(zhuǎn)動，使焊槍對車圈圓形焊縫進(jìn)行連續(xù)焊接，工人只需進(jìn)行車圈工件的上下料作業(yè)，能有效降低工人的勞動強(qiáng)度，保證焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化。

1.機(jī)架 2.第一驅(qū)動裝置 3.第二驅(qū)動裝置，4.干腳輪，5.支腳 6.工件夾緊裝置 7.燕尾式滑軌機(jī)構(gòu) 8.焊槍夾緊裝置 9.焊槍夾具 10.第一調(diào)整座 11.橫向調(diào)整機(jī)構(gòu) 12.第一鎖緊機(jī)構(gòu) 13.第二調(diào)整座 14.縱向調(diào)整機(jī)構(gòu) 15.第二鎖緊機(jī)構(gòu) 16.手輪 17微調(diào)輪 18.手柄 19.車圈工件

圖1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

另外，第一驅(qū)動裝置包括驅(qū)動電機(jī)、減速器和齒輪傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動電機(jī)與減速器通過該齒輪傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動工件夾緊裝置轉(zhuǎn)動，第二驅(qū)動裝置則為一縱向的升降氣缸，第一驅(qū)動裝置和第二驅(qū)動裝置也可采用電機(jī)驅(qū)動的絲桿機(jī)構(gòu)、皮帶輪機(jī)構(gòu)等其他常用結(jié)構(gòu)。

2 焊槍夾緊裝置的設(shè)計(jì)

焊槍夾緊裝置包括基座、第一調(diào)整座和第二調(diào)整座，如圖2所示?；O(shè)置在機(jī)架上并由第二驅(qū)動裝置驅(qū)動，以縱向滑動方式相對基座上下移動；第一調(diào)整座通過橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)橫向移動，并由第一鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊固定在基座上；第二調(diào)整座通過縱向調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)置在第一調(diào)整座上實(shí)現(xiàn)縱向移動，并由第二鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊固定在第一調(diào)整座上；焊槍夾具設(shè)置在第二調(diào)整座上，這樣能方便的對焊槍夾具的橫向位置和縱向位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使焊接設(shè)備能適用多種不同尺寸規(guī)格的車圈工件，有效增大了設(shè)備的適用范圍。

1.機(jī)架 2.驅(qū)動電機(jī) 3.減速器 4.齒輪傳動機(jī)構(gòu) 5.第二驅(qū)動裝置 6.傳感器 7.干腳輪 8.支腳 9.工件夾緊裝置 10.第三驅(qū)動裝置 11.滑動架 12.夾緊組件 13.檢測裝置 14.基座

圖2 焊槍夾緊裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，焊槍夾緊裝置上還配備了手輪和微調(diào)輪，便于工人對橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)和縱向調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，第一鎖緊機(jī)構(gòu)和第二鎖緊機(jī)構(gòu)均采用了鎖緊螺栓結(jié)構(gòu)，且在鎖緊螺栓的頭部設(shè)置有手柄，方便工人解鎖和鎖緊操作。

1.焊槍夾具 2.夾緊塊 3.基座 4.第一調(diào)整座 5.橫向調(diào)整機(jī)構(gòu) 6.第一鎖緊機(jī)構(gòu) 7.第二調(diào)整座 8.縱向調(diào)整機(jī)構(gòu) 9.第二鎖緊機(jī)構(gòu) 10.手輪 11.微調(diào)輪 12.手柄

圖3 焊槍調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

多個焊槍夾具環(huán)繞車圈工件的縱向中心軸周向均勻分布，夾具數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整，焊槍夾具上的多個焊槍能夠同時進(jìn)行焊接作業(yè)，能夠有效縮短加工時間，提高生產(chǎn)效率。其中焊槍夾具包括固定在一起的兩個夾緊塊，這兩個夾緊塊一起夾緊焊槍而對焊槍進(jìn)行安裝和固定，實(shí)際應(yīng)用中，焊槍夾具也可采用其他常用的固定結(jié)構(gòu)。

3 工件夾緊裝置的設(shè)計(jì)

工件夾緊裝置由底座和設(shè)置在底座上的若干工件夾緊機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。底座設(shè)置在機(jī)架上并由第一驅(qū)動裝置驅(qū)動，可繞縱向中心軸轉(zhuǎn)動；工件夾緊機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在底座上的第三驅(qū)動裝置、滑動架和設(shè)置在滑動架上的夾緊組件，滑動架設(shè)置在底座上，并由第三驅(qū)動裝置驅(qū)動可相對底座橫向移動；各夾緊組件環(huán)繞底座的中心軸周向分布，可隨滑動架橫向移動，一起夾緊車圈工件，該工件夾緊裝置能適用于多種不同尺寸規(guī)格的車圈工件，能夠有效增大裝置的適用范圍。另外，滑動架設(shè)置在底座上，通過燕尾式滑軌機(jī)構(gòu)橫向滑動，能保證滑動架移動的平穩(wěn)度，也能防止滑動架出現(xiàn)偏移而導(dǎo)致車圈工件出現(xiàn)松動問題，能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1.工件夾緊裝置 2.底座 3.第三驅(qū)動裝置 4.滑動架 5.夾緊組件 6.圓柱夾緊件 7.燕尾式滑軌機(jī)構(gòu) 8.檢測裝置圖4 工件夾緊裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖4中第三驅(qū)動裝置為橫向驅(qū)動氣缸，結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于安裝使用，第三驅(qū)動裝置也可采用電機(jī)驅(qū)動絲桿機(jī)構(gòu)等其它常用驅(qū)動結(jié)構(gòu)，夾緊組件包括若干圓柱狀的夾緊件，能牢固的對車圈工件進(jìn)行夾緊和固定。

另外，工件夾緊裝置設(shè)有一檢測裝置，機(jī)架上設(shè)有傳感器和控制器，該控制器可通過位置傳感器的檢測結(jié)果，控制第一驅(qū)動裝置的啟停，能方便的檢測焊接作業(yè)的進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)，防止重復(fù)焊接，進(jìn)一步降低工人勞動強(qiáng)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4 試用驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，完成了設(shè)備的制造，并應(yīng)用到佛山市某車圈制造公司，經(jīng)過一個月的調(diào)試和試運(yùn)行，獲得的改造前后對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 改造前后對比數(shù)據(jù)表

從表中看出，改造前，焊接線每個工位配備1名焊接工人，完成工件的上下料、變位、固定和焊接工作，勞動強(qiáng)度大，且另需額外2名工人進(jìn)行焊接工藝的檢測，效率低下；改進(jìn)后，由于不需要人工對工件進(jìn)行變位和固定，整個焊接線只需要2名工人負(fù)責(zé)上下料，員工數(shù)和勞動強(qiáng)度大大降低，且保證焊接工藝的一致性。生產(chǎn)節(jié)拍達(dá)到3.5min/件，同時降至次品率<2‰，達(dá)到合同驗(yàn)收指標(biāo)。

5 總結(jié)

為了解決車圈圓形焊縫的人工焊接帶來的一些列問題，設(shè)計(jì)了一種車圈全自動焊接裝置，包括轉(zhuǎn)動機(jī)架、工件夾緊裝置和橫向驅(qū)動裝置，焊槍安裝在焊槍夾具上，車圈工件安裝在工件夾緊裝置上，驅(qū)動裝置可驅(qū)動焊槍夾緊裝置縱向移動至焊槍附近，焊槍對車圈工件進(jìn)行自動焊接，驅(qū)動裝置連續(xù)驅(qū)動工件夾緊裝置轉(zhuǎn)動，焊槍可連續(xù)對車圈工件上的圓形焊縫進(jìn)行焊接，由于焊槍不需要轉(zhuǎn)動，其電源線不易出現(xiàn)卷繞，方便安裝和使用。工人只需車圈工件的上下料，無需進(jìn)行焊接操作，能有效降低工人的勞動強(qiáng)度保證操作安全，且能防止焊接偏離保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，效果明顯。目前存在的缺點(diǎn)是仍需要人工上下料，后期將進(jìn)一步改造成自動上下料。