風(fēng)機(jī)自動(dòng)化焊接技術(shù)研究

崔中慧

摘 要：風(fēng)機(jī)是依靠輸入的機(jī)械能，提高氣體壓力并排送氣體的機(jī)械，它是一種從動(dòng)的流體機(jī)械。其廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風(fēng)、排塵和冷卻等。焊接作業(yè)，是一種有害的工種，焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的煙塵、弧光和高溫直接損害焊工的身體健康，而且手工焊接很難持續(xù)保持穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，另外手工焊接的低效率往往成為工廠進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙。針對(duì)風(fēng)機(jī)外殼的焊接作業(yè)，設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)外殼焊接工作機(jī)。文章對(duì)風(fēng)機(jī)外殼焊接工作機(jī)進(jìn)行了總體及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并搭建試驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：三軸聯(lián)動(dòng)；數(shù)控系統(tǒng)；風(fēng)機(jī)

近20年來(lái)，焊接工藝已發(fā)展成為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它在各工業(yè)部門生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用越來(lái)重要，應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。但必須注意到，焊接作業(yè)，特別是弧焊是一種有害的工種，焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的煙塵、弧光和高溫不僅直接損害焊工的身體健康，而且還污染生產(chǎn)車間的環(huán)境；其次，手工操作的弧焊作業(yè)是一種繁重的體力勞動(dòng)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，且還受弧光和高溫的輻射，容易疲勞，不能堅(jiān)持長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作。因此，由于人體生理上的原因，手工焊接很難持續(xù)保持穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著焊接結(jié)構(gòu)向大型化、重型化、高參數(shù)化和精密化方向的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的焊接質(zhì)量也提出了愈來(lái)愈高的要求，若只借助手工操作就很難達(dá)到高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。在某些大型焊接工程或大批量工業(yè)生產(chǎn)中，手工操作的低效率往往成為按期完成預(yù)定生產(chǎn)計(jì)劃的最大障礙。焊接生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化是焊接結(jié)構(gòu)制造工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備

剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備亦可稱為初級(jí)自動(dòng)化焊接設(shè)備，其大多是按照開(kāi)環(huán)控制的原理設(shè)計(jì)。雖然整個(gè)焊接過(guò)程是由焊接設(shè)備自動(dòng)完成的，但對(duì)焊接過(guò)程中焊接參數(shù)的波動(dòng)不能進(jìn)行閉環(huán)的反饋控制，焊接機(jī)頭或焊件的運(yùn)動(dòng)只能按照預(yù)先規(guī)定的路徑進(jìn)行，而不能隨機(jī)糾正可能出現(xiàn)的形位偏差，操作工還需目測(cè)監(jiān)視焊頭運(yùn)動(dòng)的方向、焊絲（電極）對(duì)準(zhǔn)接縫的偏差和焊接參數(shù)的變化，并作適當(dāng)?shù)氖止ふ{(diào)整。這種初級(jí)化自動(dòng)焊接設(shè)備還稱不上真正意義上的自動(dòng)化焊接設(shè)備，但與機(jī)械化焊接設(shè)備相比，已前進(jìn)了一大步，在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中已得到較廣泛的應(yīng)用。

2 自適應(yīng)控制自動(dòng)化焊接設(shè)備

自適應(yīng)控制自動(dòng)化焊接設(shè)備是一種自動(dòng)化程度較高的焊接設(shè)備。它配用高度靈敏傳感器和電子檢測(cè)線路，對(duì)焊接的軌跡自動(dòng)導(dǎo)向和跟蹤，并對(duì)主要焊接參數(shù)實(shí)行閉環(huán)的反饋控制。通過(guò)對(duì)焊接參數(shù)的程序控制，可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的全程自動(dòng)化。對(duì)焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的偏差能以最快的速度予以自動(dòng)糾正，使焊接熔池始終保持良好的狀態(tài)。焊接過(guò)程中能持續(xù)穩(wěn)定維持預(yù)置的各重要焊接參數(shù)，無(wú)需操作工隨機(jī)監(jiān)視和手工調(diào)整。使用這種自適應(yīng)控制的焊接設(shè)備時(shí)，操作工只需在焊接前作必要的預(yù)調(diào)整和焊接參數(shù)的設(shè)置，設(shè)備啟動(dòng)焊接后，操作工不必再干預(yù)。整個(gè)焊接過(guò)程將按預(yù)置的程序和工藝參數(shù)自動(dòng)完成。

3 智能化自動(dòng)焊接設(shè)備

智能化自動(dòng)焊接設(shè)備是一種具有人類某些智能而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的過(guò)度自動(dòng)化的最新一代先進(jìn)焊接設(shè)備。它利用各種高級(jí)傳感原件，如視覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、光敏傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器和激光掃描器等，并借助計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)而具有識(shí)別、判斷、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)算、自動(dòng)編程、參數(shù)優(yōu)化、自動(dòng)編排焊道順序、焊接參數(shù)存儲(chǔ)和調(diào)用及自動(dòng)生成焊接質(zhì)量記錄文件等功能。這種智能化自動(dòng)焊接設(shè)備已能部分取代焊接工程師的工作。在焊接產(chǎn)品焊縫之前，焊接操作人員只需在人機(jī)界面或在控制面板上輸入焊件的原始數(shù)據(jù)，焊接工藝參數(shù)即能自動(dòng)生成。

3.1 焊接工作機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由焊槍夾持機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)外殼夾具、十字滑臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、送絲機(jī)和機(jī)架六部分組成，本文主要針對(duì)焊槍夾持機(jī)構(gòu)、風(fēng)機(jī)外殼夾具和機(jī)架三部分進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)十字滑臺(tái)不做具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于送絲機(jī)及焊機(jī)電源等則直接使用廠家現(xiàn)有設(shè)備，不做任何機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用三維軟件Pro/E對(duì)焊接工作機(jī)進(jìn)行三維建模并進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

控制系統(tǒng)采用華中數(shù)控的世紀(jì)星銑床數(shù)控系統(tǒng)“HNC-18xpM”，通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的三個(gè)進(jìn)給軸的控制來(lái)驅(qū)動(dòng)十字滑臺(tái)帶動(dòng)焊槍移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)外殼旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)控制焊槍相對(duì)風(fēng)機(jī)外殼做焊接運(yùn)動(dòng)的操作。主要工作包括系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)的接線、控制程序的編寫及調(diào)試。要求工作機(jī)可在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意確定表面內(nèi)完成焊接功能，焊接時(shí)保證焊槍與焊接表面垂直，工作機(jī)可依據(jù)給定工件的尺寸和形狀自動(dòng)完成焊接作業(yè)。搭建試驗(yàn)臺(tái)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性和可靠性。

3.2 由焊接工作機(jī)運(yùn)動(dòng)方案可知，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)的功能，即各個(gè)軸以一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相互配合完成風(fēng)機(jī)外殼的焊接，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度不高，選用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)選用華中數(shù)控的世紀(jì)星銑床數(shù)控系統(tǒng)“HNC-18xpM”，其有一個(gè)主軸運(yùn)動(dòng)，三個(gè)進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)，三個(gè)進(jìn)給軸可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)的功能，可通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的三個(gè)進(jìn)給軸的控制來(lái)驅(qū)動(dòng)十字滑臺(tái)帶動(dòng)焊槍移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)外殼旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)控制焊槍相對(duì)風(fēng)機(jī)外殼做焊接運(yùn)動(dòng)的操。

3.3 焊槍的移動(dòng)是靠十字滑臺(tái)帶動(dòng)的，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副。滾珠絲杠傳動(dòng)的特點(diǎn)是傳動(dòng)效率高、系統(tǒng)剛度好、傳動(dòng)精度高、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)具有可逆性但不能自鎖。使用滾珠絲杠副傳動(dòng)可保證得到較高的運(yùn)動(dòng)控制精度，但是對(duì)于Z方向的垂直滑臺(tái)必須安裝制動(dòng)器，防止運(yùn)動(dòng)結(jié)束后滑塊在自身重力下下滑。

X和Z向滑臺(tái)的行程根據(jù)工件尺寸和焊接時(shí)焊槍相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)方式確定。最大工件670-1邊緣距回轉(zhuǎn)中心的最大距離為1059mm，最小工件450-8mm邊緣距回轉(zhuǎn)中心的最小距離為300，而Z向滑臺(tái)的行程應(yīng)該大于最大距離與最小距離的差值（即為1059-300=759mm）759mm，取Z向滑臺(tái)有效行程為800mm。X向滑臺(tái)的行程為最大工件（即670-1）在X方向的焊接行程（635+576=1211）1211mm，取X向滑臺(tái)有效行程為1400mm。X和Z向滑臺(tái)都采用導(dǎo)程為5mm的滾珠絲杠，矩形滾動(dòng)直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，其中Z向滑臺(tái)安裝有配重塊，以抵消由于滑塊處受力所引起的對(duì)X滑臺(tái)處的傾覆力矩?；_(tái)起支撐作用處大部分采用鋁合金板以減輕機(jī)構(gòu)自身的重量。Z向滑臺(tái)最大負(fù)重為30Kg，滑板工作面與地面垂直，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度。X向滑臺(tái)最大負(fù)重為Z向滑臺(tái)+30Kg，滑板工作面與地面平行，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度。

4 完成了焊接工作機(jī)的原理與方案設(shè)計(jì)，提出了兩種運(yùn)動(dòng)方案，對(duì)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較并選擇出工件立著，兩個(gè)焊槍同時(shí)焊接的最優(yōu)方案。完成了焊接工作機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)焊槍夾具、工件夾具、機(jī)架及相關(guān)零件分別進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及必要的計(jì)算，對(duì)十字滑臺(tái)和轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了選定。進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)的選擇和校核，并對(duì)壓緊彈簧進(jìn)行了計(jì)算。完成了機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。進(jìn)行了焊接工作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了焊接工作機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)，然后對(duì)HNC-18xpM在焊接工作機(jī)中的應(yīng)用作了具體介紹，畫出了系統(tǒng)接線圖，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，完成了控制程序的編制。建立了焊接工作機(jī)的PRO/E三維模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。完成了焊接工作機(jī)的裝配過(guò)程與調(diào)試過(guò)程，對(duì)工件進(jìn)行了焊接，焊接質(zhì)量良好。

進(jìn)行了方案的總體設(shè)計(jì)，提出兩種運(yùn)動(dòng)方案，并對(duì)比兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)選擇了以方案二為基礎(chǔ)的工件立放，龍門式結(jié)構(gòu)兩焊槍同時(shí)焊接的方案。運(yùn)動(dòng)方案確定后，對(duì)方案進(jìn)行了詳述。包括機(jī)架方案、十字滑臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)、焊槍夾具和工件夾具。為下一步結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。