貫流風(fēng)葉超聲波焊接缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張冬冬，黃禹,，陳志，徐中，丁斌（.廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 58305；.華中科技大學(xué)制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074）

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貫流風(fēng)葉超聲波焊接缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

摘要：超聲波焊接以其效率高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于塑料及其復(fù)合材料的連接，但在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生刺激噪聲，影響員工身體健康和工作效率，因此，實(shí)現(xiàn)超聲波完全自動(dòng)化是大趨所勢(shì)，而貫流風(fēng)葉缺口自動(dòng)識(shí)別和對(duì)位是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的重中之重。本文針對(duì)貫流風(fēng)葉超聲波焊接自動(dòng)對(duì)位設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)的解決方案。

關(guān)鍵詞：超聲波焊接；自動(dòng)化；貫流風(fēng)葉；缺口識(shí)別

超聲波塑料焊接具有不需要焊劑和外部加熱、效率高、強(qiáng)度高、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn), 是塑料及其復(fù)合材料的重要連接方法[1]。

超聲波塑料焊接的基本原理是采用超聲頻機(jī)械振動(dòng)（頻率10～70 kHz，振幅1～250 μm）作用于塑料零部件，在壓力作用下產(chǎn)生摩擦加熱（發(fā)熱是由于表面和分子間摩擦綜合作用的結(jié)果）和熔融成焊縫，焊接過程可以分成四個(gè)主要階段，如圖1所示[2]。

圖1　超聲波焊接四個(gè)階段

目前國內(nèi)家電行業(yè)對(duì)于塑料風(fēng)葉超聲波焊接的需求量非常大，該行業(yè)具有對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求高、生產(chǎn)環(huán)境差（存在各種空氣粉塵污染、噪聲污染等）以及自動(dòng)化程度低等特點(diǎn)，然而，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益劇烈，使得塑料風(fēng)葉生產(chǎn)企業(yè)必須削減生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)，而設(shè)計(jì)開發(fā)高效穩(wěn)定的自動(dòng)化超聲波焊接設(shè)備對(duì)于此類企業(yè)的發(fā)展毫無疑問是最有效的道路[3]。

華中科技大學(xué)陳源提出一種貫流風(fēng)葉超聲波焊接自動(dòng)化焊接過程，并提出實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的解決方案，王一輝、胡姍姍分別針對(duì)全自動(dòng)貫流風(fēng)葉超聲波焊接生產(chǎn)線控制部分與機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析并優(yōu)化[4～6]。本文在上述研究成果基礎(chǔ)之上針對(duì)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵—貫流風(fēng)葉缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位，提出合理的解決方案。

1　貫流風(fēng)葉的焊接成型工藝分析

在貫流風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于充分考慮了貫流風(fēng)葉輪整體的葉片數(shù)、內(nèi)圍葉片角、外圍葉片角、相對(duì)柵距、直徑比、葉輪寬度等幾何參數(shù)，以及與蝸殼的組合最佳參數(shù)，使得各扇形葉片呈現(xiàn)非圓周對(duì)稱，因此只存在一個(gè)方向可以使葉片插入葉槽，為保證貫流風(fēng)葉在進(jìn)行人工對(duì)位焊接的方便性與可操作性，依據(jù)不同貫流風(fēng)葉尺寸大小設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)位缺口一般為1mm×1mm×1mm立方缺口或者2mm×2mm×2mm的立方缺口。

貫流風(fēng)扇葉是由前端蓋（含金屬支撐軸）、N個(gè)中節(jié)風(fēng)葉（N：按照產(chǎn)品實(shí)際規(guī)格）和后端蓋（含磁環(huán)軸承）進(jìn)行周向與軸向?qū)R后通過超聲波進(jìn)行N+1次焊接而成，如圖2所示，焊接完成的貫流風(fēng)葉存在一定的殘余應(yīng)力，經(jīng)過熱處理后消除。

圖2　貫流風(fēng)葉缺口對(duì)齊焊接

如圖3所示，該產(chǎn)品是廣東順威精密塑料公司目前采用人工超聲波焊接的貫流風(fēng)葉組成件，前端蓋中心嵌入金屬支撐軸、內(nèi)側(cè)注塑35條弧形凹槽、外圓設(shè)有1 mm定位缺口，中節(jié)風(fēng)葉包含35條弧形葉片、35條弧形凹槽且外圓設(shè)有1 mm定位凹槽，后端蓋中心嵌入磁環(huán)軸承、不存在凹槽（焊接為平面焊接，只需軸向定位）。

該貫流風(fēng)扇葉都是通過人工進(jìn)行對(duì)位后，放入超聲波焊接夾具進(jìn)行焊接，焊接精度和效率都難以保證?，F(xiàn)急需一種超聲波自動(dòng)化焊接裝備，而實(shí)現(xiàn)缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的關(guān)鍵。

2　缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位解決方案

要實(shí)現(xiàn)缺口識(shí)別并能夠自動(dòng)對(duì)位這一功能，我們首先會(huì)想到機(jī)器視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺系統(tǒng)能否可靠運(yùn)用取決于以下幾點(diǎn)：①良好穩(wěn)定的光線環(huán)境；②物體待檢測(cè)部位與非檢測(cè)部位有明顯對(duì)比；③機(jī)械振動(dòng)在一個(gè)允許范圍內(nèi)，不影響成像質(zhì)量[7]。運(yùn)用機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位方案如圖4。采用先進(jìn)的視覺檢測(cè)技術(shù)，由工業(yè)計(jì)算機(jī)、千兆網(wǎng)卡、CCD相機(jī)、PLC控制器以及旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

圖3　貫流風(fēng)葉結(jié)構(gòu)圖

圖4　機(jī)器視覺缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位系統(tǒng)

對(duì)該視覺系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析：

（1）超聲波焊接工藝分析：定位采用1 mm缺口，且對(duì)比度較低；焊接位于設(shè)備內(nèi)部，光線較弱；超聲波焊接存在較大的機(jī)械振動(dòng)。

（2）視覺系統(tǒng)分析：兩套千兆網(wǎng)卡以及CCD相機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；工業(yè)計(jì)算機(jī)同時(shí)處理兩套圖像，運(yùn)行計(jì)算壓力較大；圖像處理軟件的開發(fā)周期較長；整套系統(tǒng)安裝較復(fù)雜，調(diào)試難以達(dá)到理想效果。

可見，對(duì)于貫流風(fēng)葉超聲波自動(dòng)焊接來說，機(jī)器視覺系統(tǒng)存在一定的局限，并不能完全滿足要求。針對(duì)機(jī)器視覺對(duì)于貫流風(fēng)葉缺口識(shí)別的局限性，我們考慮一種簡(jiǎn)單高精的傳感器—數(shù)字光纖傳感器，該傳感器不需要對(duì)圖像進(jìn)行處理，只通過設(shè)定閾值便可對(duì)1 mm缺口進(jìn)行識(shí)別。

高精度 數(shù)字光纖傳感器系統(tǒng)如圖5所示，整套系統(tǒng)由數(shù)字光纖傳感器、PLC控制器、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。較機(jī)器視覺系統(tǒng)的方案，該系統(tǒng)節(jié)省了中間圖像傳輸并處理的環(huán)節(jié)。數(shù)字光纖傳感器響應(yīng)快、靈敏度高，通過對(duì)定位缺口微小光線的識(shí)別，直接轉(zhuǎn)換成高低電平信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制器，通過對(duì)比上下兩工位相位變化，對(duì)待焊零件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位，直到缺口對(duì)位，方可放置進(jìn)行焊接。

圖5　數(shù)字光纖傳感器缺口對(duì)齊方案

該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝調(diào)試；響應(yīng)速度快、靈敏度高；易于滿足設(shè)計(jì)需求、成本低。因此高精度數(shù)字光纖傳感器系統(tǒng)最易實(shí)現(xiàn)貫流風(fēng)葉的缺口識(shí)別及自動(dòng)對(duì)位。

3　數(shù)字光纖傳感器缺口識(shí)別和自動(dòng)對(duì)位系統(tǒng)

數(shù)字光纖傳感器缺口檢測(cè)系統(tǒng)采用的是點(diǎn)檢測(cè)的方式。如圖6示，在數(shù)字光纖傳感器未檢測(cè)到缺口時(shí)，待焊部件需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測(cè)到缺口時(shí)，旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，放置工件進(jìn)行焊接。由于缺口僅有1 mm寬度，對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起停位置精度要求高，在這里我們采用旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)值編碼器，該編碼器360。光碼盤每一個(gè)角度都有唯一的編碼，精度是由光碼盤機(jī)械位置決定的，無需記憶，也無需尋找參考點(diǎn)，可隨時(shí)讀取其位置，抗干擾穩(wěn)定性強(qiáng)[8]。

工件缺口檢測(cè)及自動(dòng)對(duì)位時(shí)序如圖7所示，當(dāng)上、下工位的數(shù)字光纖傳感器檢測(cè)到工件定位缺口時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器停止旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，在程序中把相應(yīng)的寄存器置位，兩個(gè)寄存器是邏輯與的關(guān)系，只有在兩個(gè)工位數(shù)字光纖傳感器都檢測(cè)到缺口時(shí)，判定為為工件準(zhǔn)確對(duì)位，上工位待焊工件可放置于下工位工件，然后進(jìn)行超聲波焊接。

圖6　風(fēng)葉缺口識(shí)別

圖7　工件缺口檢測(cè)及自動(dòng)對(duì)位時(shí)序圖

①上旋轉(zhuǎn)工位伺服電機(jī)使能信號(hào)；②數(shù)字光纖傳感器Ⅰ 檢測(cè)信號(hào)；③上工位缺口到位信號(hào)；④下旋轉(zhuǎn)工位伺服電機(jī)使能信號(hào)；⑤數(shù)字光纖傳感器Ⅱ 檢測(cè)信號(hào)；⑥下工位缺口到位信號(hào)；⑦工件可放置焊接信號(hào)。

4　結(jié)論

通過本文對(duì)貫流風(fēng)葉全自動(dòng)超聲波焊接設(shè)備設(shè)計(jì)難點(diǎn)的解析和方案設(shè)計(jì)，可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于貫流風(fēng)葉缺口定位工序，數(shù)字光纖傳感器比機(jī)器視覺系統(tǒng)更加適用，因?yàn)樵摴ば驅(qū)崿F(xiàn)并不需要進(jìn)行圖像處理識(shí)別，這樣大大的簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)系統(tǒng)和減少了制作成本；

（2）設(shè)計(jì)相應(yīng)的送料取料機(jī)構(gòu)配合貫流風(fēng)葉定位對(duì)齊系統(tǒng)可完全實(shí)現(xiàn)超聲波焊接的自動(dòng)化，可及大的改善工人工作環(huán)境，并能夠減少人工進(jìn)行缺口對(duì)位時(shí)耗費(fèi)過長的時(shí)間，以提高生產(chǎn)效率；

（3）通過對(duì)數(shù)字光纖傳感器閾值以及運(yùn)行程序的

更改可以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)尺寸貫流風(fēng)葉的自動(dòng)對(duì)齊定位。

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Identifi cation and automatic positioning system design of Ultrasonic welding gap for cross-fl ow fan

中圖分類號(hào)：TP391

文章編號(hào)：1009-797X(2016)12-0040-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.017

作者簡(jiǎn)介：張冬冬（1989-），男，山東威海人，碩士，學(xué)生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，塑料焊接。

收稿日期：2016-5-20

基金項(xiàng)目:家電送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造的數(shù)字化、智能化技術(shù)研究與應(yīng)用(2013CXTD01)，貫流風(fēng)扇葉超聲波焊接機(jī)器人研發(fā)及柔性生產(chǎn)線示范（2013AH100013）。