自動(dòng)直縫焊接裝備的設(shè)計(jì)

單以海，趙建偉，容祖龍，劉德文

(凱龍高科技股份有限公司，江蘇無(wú)錫 214153)

0 引言

在SCR催化消聲器的封裝工序中，筒體直縫焊接一直以來(lái)被行內(nèi)視為瓶頸，嚴(yán)重制約生產(chǎn)線的效率及自動(dòng)化改革，現(xiàn)有的直縫焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)及性能對(duì)操作人員的要求很苛刻，上料、對(duì)邊、壓緊、再對(duì)邊、再壓緊均需要手工作業(yè)來(lái)完成，這一系列輔助動(dòng)作完成后才能啟動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行氬弧焊接。在作業(yè)過(guò)程中，出現(xiàn)如對(duì)邊不平齊、壓緊力不夠，都會(huì)出現(xiàn)焊偏、焊漏等焊接缺陷，導(dǎo)致筒體報(bào)廢，且作業(yè)效率低下，產(chǎn)能嚴(yán)重受制約。而且整個(gè)作業(yè)過(guò)程工作強(qiáng)度較大，對(duì)作業(yè)人員的身體素質(zhì)要求較高，導(dǎo)致作業(yè)人員的可用范圍嚴(yán)重受限，人員的穩(wěn)定性較差。根據(jù)行業(yè)實(shí)際現(xiàn)狀，結(jié)合公司產(chǎn)品特點(diǎn)，設(shè)計(jì)滿足個(gè)性生產(chǎn)需求的自動(dòng)直縫焊接裝配。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備存在的不足，著重解決如何減少此過(guò)程對(duì)人工需求。運(yùn)用傳感器及PLC控制相結(jié)合思路取代人的作業(yè)動(dòng)作，運(yùn)用氣動(dòng)及伺服元器件匹配氬弧焊機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。根據(jù)工藝驗(yàn)證及節(jié)拍測(cè)算，革新后的設(shè)備產(chǎn)能CT節(jié)拍由原來(lái)的95 s縮短至39 s、作業(yè)過(guò)程中釋放了人的主導(dǎo)行為因素。

2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

直縫焊機(jī)機(jī)械部分由設(shè)備基體、上料機(jī)構(gòu)、旋壓機(jī)構(gòu)、推取機(jī)構(gòu)、焊接腔室、下料機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。設(shè)備作業(yè)機(jī)制為：物料由上道工序流轉(zhuǎn)至進(jìn)料輸送機(jī)構(gòu)，PLC控制輸送機(jī)構(gòu)將筒體移栽至進(jìn)料口，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)夾箍筒體后旋轉(zhuǎn)自動(dòng)找正焊縫路徑，推爪機(jī)構(gòu)推動(dòng)筒體進(jìn)入焊接區(qū)域，焊機(jī)機(jī)構(gòu)感應(yīng)到信號(hào)后開始焊接作業(yè)，焊接后筒體流轉(zhuǎn)至下料輸送機(jī)構(gòu)[1]。

圖1 直縫焊機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于制作過(guò)程全自動(dòng)化理念，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用PLC作為控制器，觸摸屏實(shí)現(xiàn)全程動(dòng)作的操作和監(jiān)控。

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

根據(jù)電氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和物控要求設(shè)計(jì)自動(dòng)移栽和焊接的電氣控制系統(tǒng)，采用PLC作為核心控制器，系統(tǒng)由按鈕開關(guān)控制啟停，位置傳感器控制物料的移栽及定位。PLC依據(jù)各種傳感器在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中的采集信息，來(lái)控制相關(guān)執(zhí)行元件的動(dòng)作，形成一個(gè)閉環(huán)的作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從上料、對(duì)邊、壓緊、焊接、下料等全過(guò)程的自動(dòng)化作業(yè)[2]。整體框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3.2 PLC選型和控制對(duì)象設(shè)計(jì)

結(jié)合產(chǎn)品制作過(guò)程特點(diǎn)和產(chǎn)品技術(shù)要求以及公司現(xiàn)用設(shè)備PLC使用情況(公司設(shè)備PLC以三菱為主，設(shè)備工程人員已能夠熟練掌握)，為便于設(shè)備的后期使用、維護(hù)、擴(kuò)展改造等，此設(shè)備優(yōu)先選用三菱FX3U系列PLC。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)PLC輸入輸出定義見表1[3]。

表1 直縫焊機(jī)PLC I/O分配

3.3 電氣控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

整個(gè)產(chǎn)品零部件的自動(dòng)作業(yè)過(guò)程為：上料—伺服推料—?dú)飧妆A筒體—旋轉(zhuǎn)尋縫—推爪送料—焊接—下料?？刂乒δ苁亲詣?dòng)直縫焊機(jī)是否正常工作的關(guān)鍵，程序設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到直縫焊機(jī)的使用性能。系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)功能。手動(dòng)功能主用調(diào)機(jī)、試機(jī)，自動(dòng)功能用于正常的零件生產(chǎn)，同時(shí)系統(tǒng)還具有設(shè)備診斷及故障報(bào)警功能，故障模式通過(guò)相應(yīng)代碼顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。直縫焊機(jī)流程圖如圖3所示。

圖3 直縫焊機(jī)流程

在設(shè)備啟動(dòng)后，PLC控制進(jìn)料軌道傳感器工作，推進(jìn)機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)啟動(dòng)，傳輸皮帶機(jī)帶動(dòng)工件沿進(jìn)料軌道將其推至進(jìn)料口；當(dāng)工件被推送至進(jìn)料口時(shí)觸發(fā)尋縫光電傳感器，傳感器將信號(hào)傳遞給輥筒旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和尋縫對(duì)射式傳感器，PLC控制輥筒旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)上升帶動(dòng)并夾緊筒體后旋轉(zhuǎn)，當(dāng)尋縫光電傳感器信號(hào)通過(guò)筒體卷圓開口時(shí)，被尋縫對(duì)射式傳感器感應(yīng)到時(shí)，PLC控制輥筒旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，工件上需要焊接的縫隙將被固定(該步動(dòng)作替代原有直縫焊機(jī)人工對(duì)邊的工步)；PLC程序中插板氣缸傳感器發(fā)出指令信號(hào)給插板機(jī)構(gòu)和推爪機(jī)構(gòu)，插板插入該工件需要焊接的縫隙中；PLC控制推爪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至工件最左端，將工件緩慢推入焊接腔室，當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)接觸到插板對(duì)射傳感器時(shí)，PLC控制插板機(jī)構(gòu)下降，與工件分離，推爪機(jī)構(gòu)繼續(xù)推進(jìn)工件前行[4-5]。

當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)至焊接腔室端部碰觸主軸端部接近開關(guān)時(shí)，接近開關(guān)發(fā)出信號(hào)給焊槍升降開關(guān)，PLC控制焊槍升降開關(guān)啟動(dòng)，焊槍下降至工件焊縫上邊沿，并觸發(fā)焊機(jī)作業(yè)對(duì)射傳感器；焊機(jī)作業(yè)對(duì)射傳感器接收到指令后，PLC控制啟動(dòng)焊機(jī)開始作業(yè)，推爪機(jī)構(gòu)按照程序設(shè)定的速度推動(dòng)工件進(jìn)行焊接；當(dāng)推爪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至焊槍升降傳感器下方并觸發(fā)該傳感器時(shí)，PLC控制焊槍停止焊接并上升回歸零位；此時(shí)工件已經(jīng)焊接結(jié)束并運(yùn)動(dòng)至出料軌道上，推爪繼續(xù)后退復(fù)位。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行革新設(shè)計(jì)后，在滿足工藝要求前提下，采用PLC控制，大大提高了直縫焊機(jī)的操作便利性及運(yùn)行可靠性，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升產(chǎn)線效率。經(jīng)過(guò)對(duì)其在臨界參數(shù)條件下多次驗(yàn)證，均圓滿地實(shí)現(xiàn)初始設(shè)計(jì)要求，設(shè)備滿足筒體長(zhǎng)度在300～1 200 mm之間的無(wú)縫切換，新增產(chǎn)品只需在PLC控制程序中輸入?yún)?shù)、保存即可完成，下次再生產(chǎn)該機(jī)型時(shí)直接調(diào)取程序即可。

該款直縫焊機(jī)的開發(fā)使用，為汽車后處理器的生產(chǎn)企業(yè)解決一道頑固之疾，焊接質(zhì)量相比之前手工作業(yè)，焊縫成型飽滿，均勻；焊接效率翻倍提升；該設(shè)備同時(shí)可運(yùn)用到相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈(電熱水器內(nèi)膽、汽車油箱、空調(diào)制冷等)。

后續(xù)該設(shè)備將進(jìn)行新的技術(shù)革新，配備激光焊接技術(shù)，激光焊接技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多方論證并成熟，采用新技術(shù)后，該直縫焊機(jī)性能及效率提升的空間將進(jìn)一步增強(qiáng)。