貫流風(fēng)葉超聲波焊接機(jī)的自動(dòng)化*

陳 源，丁 斌

(1.華中科技大學(xué) 制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074;2.廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 528305)

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，早在20世紀(jì)末，焊接行業(yè)的自動(dòng)化程度就很高了［1-3］。但超聲波塑料焊接，特別是在接口比較復(fù)雜的時(shí)候，其自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)存在很大困難［4］。超聲波塑料焊接是將超聲波通過(guò)焊頭傳導(dǎo)至塑料焊接件上，使塑料焊接面因受超聲波作用而產(chǎn)生劇烈磨擦，磨擦熱使塑料接合面熔化而完成膠合。該技術(shù)具有焊接速度快，焊接強(qiáng)度高，密封性好，成本低廉，清潔無(wú)污染且不會(huì)損傷工件等優(yōu)點(diǎn)［5］。目前廣泛使用的超聲波塑料焊接機(jī)大部分都是半自動(dòng)的，強(qiáng)烈地依賴操作人員，而操作人員不得不忍受焊接時(shí)的刺激噪聲。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的超聲波塑料焊接是提高生產(chǎn)效率，改善工人工作環(huán)境的關(guān)鍵手段。

本文針對(duì)貫流風(fēng)葉這種產(chǎn)品，全面介紹了使用全自動(dòng)超聲波焊接機(jī)對(duì)其進(jìn)行焊接的工序，分析了各個(gè)工序存在的難點(diǎn)以及相應(yīng)的解決方案，提供了一種可行的貫流風(fēng)葉超聲波焊接自動(dòng)化解決方案。

1 焊接機(jī)焊接的產(chǎn)品

本文以一款九節(jié)的貫流風(fēng)葉產(chǎn)品為例來(lái)介紹全自動(dòng)超聲波焊接機(jī)的焊接過(guò)程。這款九節(jié)的貫流風(fēng)葉產(chǎn)品由九節(jié)中節(jié)風(fēng)葉組成，每節(jié)中節(jié)風(fēng)葉包含35片葉片，另外包含兩端的端蓋，共由11個(gè)部件焊接十次而成。其中九節(jié)中節(jié)風(fēng)葉均相同，故整個(gè)風(fēng)葉產(chǎn)品由三種不同零件組成。

圖1 貫流風(fēng)葉產(chǎn)品及其零件

在焊接接面上，除了右端蓋與其左側(cè)的風(fēng)葉節(jié)之間為圓環(huán)面焊接，其它九處焊接均為沿圓形分布的35道弧形焊接口，如圖1所示。所以，整個(gè)風(fēng)葉焊接下來(lái)，對(duì)焊接過(guò)程中的位置精度、焊接力大小控制、焊接強(qiáng)度等都有較高的要求［6-8］。

2 全自動(dòng)超聲波焊接的過(guò)程

全自動(dòng)超聲波焊接機(jī)主要由一臺(tái)超聲波焊接機(jī)、上料機(jī)械手、四條料道及料道末端的定位系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)焊接機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 零件的自動(dòng)上料

焊接機(jī)的上料部分由四條料道組成，其中兩條分別負(fù)責(zé)左右端蓋的上料，另外兩條則負(fù)責(zé)中節(jié)風(fēng)葉的上料。之所以要兩條料道負(fù)責(zé)中節(jié)風(fēng)葉的上料，原因是中節(jié)風(fēng)葉料道末端有徑向及周向的精確定位，這個(gè)定位需要一定時(shí)間，而貫流風(fēng)葉產(chǎn)品主要焊接零件為中節(jié)風(fēng)葉。為了保證中節(jié)風(fēng)葉的上料節(jié)奏能夠跟得上焊接節(jié)奏，所以提供了兩個(gè)料道進(jìn)行中節(jié)風(fēng)葉的上料。

四個(gè)料道的上料方式均采用皮帶輪的形式，且每個(gè)料道最后都布置有一個(gè)零件的定位裝置。在需要進(jìn)行焊接的三種零件中，中節(jié)風(fēng)葉和左端蓋是需要進(jìn)行35道葉片焊接，故需要周向的角度定位，而右端蓋只需要進(jìn)行軸心的定位。中節(jié)風(fēng)葉和左端蓋均通過(guò)在周向某個(gè)確定角度預(yù)設(shè)缺口來(lái)實(shí)現(xiàn)周向定位。

在料道上，左右端蓋均采用U型開(kāi)口的定位板進(jìn)行軸心的定位，隨著皮帶輪的輸送，當(dāng)端蓋會(huì)最終停在定位板預(yù)先設(shè)置的卡口位置，保證其軸心定位。然后，左端蓋會(huì)被帶有六個(gè)真空吸盤的三軸機(jī)械手吸附，并輸送到由四個(gè)內(nèi)活動(dòng)桿構(gòu)成的豎直焊接道上。焊接道中的放左端蓋的工作臺(tái)具備旋轉(zhuǎn)自由度，加上配套的傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)左端蓋的周向角度定位。

中節(jié)風(fēng)葉的定位則是通過(guò)與其配型的定位座來(lái)實(shí)現(xiàn)。在兩個(gè)中節(jié)風(fēng)葉輸送帶的末端，均布置有兩軸機(jī)械手。這個(gè)機(jī)械手將輸送帶終端的中節(jié)風(fēng)葉夾持到與其配套的中節(jié)定位座上。當(dāng)中節(jié)風(fēng)葉放置在中節(jié)定位座上時(shí)，其軸心位置就確定了。然后，通過(guò)定位座的旋轉(zhuǎn)以及布置在其外圍的傳感器，就可以將中節(jié)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)到確定的周向位置，實(shí)現(xiàn)其周向角度定位。

2.2 零件的焊接進(jìn)料

零件的自動(dòng)上料實(shí)現(xiàn)了大量零件有序的以確定的姿態(tài)布置到要求的位置上。而零件的焊接進(jìn)料則是將所需的零件按焊接順序依次輸送到焊接位置上，是保證自動(dòng)化焊接正常進(jìn)行的重要工序。

首先，上料機(jī)械手的前端切換為真空吸盤，吸附傳送帶料道上已經(jīng)做好軸心定位的左端蓋，并將其放置在焊接道中的焊接座上，焊接座旋轉(zhuǎn)，通過(guò)配套的傳感器對(duì)左端蓋的周向角度進(jìn)行定位，將其旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)的角度。

而后，上料機(jī)械手的前端切換為夾持氣爪，夾持已經(jīng)在中節(jié)定位座上已經(jīng)做好軸心及周向角度定位的中節(jié)風(fēng)葉，將其放置在焊接道中。由于中節(jié)風(fēng)葉與左端蓋的位置已經(jīng)對(duì)應(yīng)好，通過(guò)焊接頭下壓中節(jié)風(fēng)葉即可將中節(jié)風(fēng)葉上的35片葉片的焊接端嵌入到左端蓋上對(duì)應(yīng)的35個(gè)焊槽中。當(dāng)中節(jié)風(fēng)葉和端蓋的焊接面達(dá)到結(jié)合壓力后，超聲波焊接部分即開(kāi)始工作，通過(guò)換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波頻段的振動(dòng)，并傳遞到塑料焊接面上，形成局部高溫后融合在一起，實(shí)現(xiàn)焊接［9］。

上料機(jī)械手的夾持氣爪在兩個(gè)中節(jié)風(fēng)葉料道上輪流夾持已經(jīng)定位好的中節(jié)風(fēng)葉，直到完成九節(jié)中節(jié)風(fēng)葉的焊接。此后，上料機(jī)械手前端切換為真空吸盤，吸附傳送帶料道上做好軸心定位的右端蓋，將其放置在最上端的中節(jié)風(fēng)葉上。焊接頭完成右端蓋的焊接后，整個(gè)貫流風(fēng)葉產(chǎn)品的焊接就完成了。

最后，由四條不銹鋼桿形成的焊接道張開(kāi)，下料機(jī)械手夾持已經(jīng)焊接好的貫流風(fēng)葉裝箱。同時(shí)，下一件貫流風(fēng)葉的焊接也開(kāi)始進(jìn)行。

3 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)過(guò)程中的難點(diǎn)及解決方案

3.1 三種不同零件的自動(dòng)上料

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的大批量焊接作業(yè)，首先就要保證大量零件的自動(dòng)上料。這一步，要實(shí)現(xiàn)初始批量包裝的產(chǎn)品能夠按照既定的順利到達(dá)焊接道。

對(duì)于左右端蓋，由于其結(jié)構(gòu)呈片狀，且有上下面之分，故采用先用振動(dòng)盤分好上下面后用皮帶送到既定位置的方式。中節(jié)風(fēng)葉的的上料則采用兩級(jí)皮帶的形式，第一級(jí)大皮帶有多行多列，可以直接將裝箱的中節(jié)風(fēng)葉一層層放置其上，第二級(jí)皮帶則為單列式，保證中節(jié)風(fēng)葉單件有序的到達(dá)料道末端。

在三種零件到達(dá)料道末端后，依據(jù)其可夾持面的不同特征，左右端蓋采用真空吸附上料，中節(jié)風(fēng)葉則采用夾持氣爪上料。而真空吸盤和夾持氣爪則集成在了上料機(jī)械手末端，并能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)切換。

3.2 復(fù)雜焊接口之間的對(duì)接

每個(gè)中節(jié)風(fēng)葉上有35片葉片，同時(shí)在與葉片的對(duì)應(yīng)側(cè)上有35個(gè)深度約1 mm的弧形焊接槽，而焊接時(shí)要將葉片的焊接端插入到相應(yīng)的焊接槽里。由于葉片分布并不規(guī)整，要保證35片葉片全部準(zhǔn)確插入焊接槽，必須保證兩個(gè)焊接件的軸心位置和周向角度均對(duì)應(yīng)。這個(gè)工作現(xiàn)在一般都是由人工完成，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化是貫流風(fēng)葉從半自動(dòng)焊接到全自動(dòng)焊接的一個(gè)重大難點(diǎn)。

為了保證零件的軸心定位，就要保證左右端蓋及中節(jié)風(fēng)葉的外圓面的精度。這個(gè)通過(guò)對(duì)模具的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。而零件的周向角度定位，首先在零件的外圓面上預(yù)留一個(gè)1 mm×1 mm×1 mm的立方缺口，在對(duì)零件實(shí)現(xiàn)圓周上的角度定位時(shí)，通過(guò)激光傳感器來(lái)辨別這個(gè)缺口，從而保證零件的周向角度在預(yù)設(shè)位置上。

4 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)全自動(dòng)超聲波焊接機(jī)焊接九節(jié)貫流風(fēng)葉的全過(guò)程描述，可以得出以下結(jié)論。

1)空調(diào)貫流風(fēng)葉的超聲波焊接是可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的。同時(shí)，現(xiàn)在普遍使用的半自動(dòng)人工上下料式超聲波焊接機(jī)均可以通過(guò)加入類似的自動(dòng)化部件來(lái)實(shí)現(xiàn)從上料、焊接一直到下料的自動(dòng)化，可以極大的改善工人的工作環(huán)境，減弱超聲波噪音對(duì)人耳的損害。

2)通過(guò)更改控制程序，本文描述的全自動(dòng)超聲波焊接機(jī)還可以適應(yīng)其它不同規(guī)格的貫流風(fēng)葉的焊接工作，利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

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