一種能自動(dòng)定心的環(huán)縫焊機(jī)

李 凌，賈瑞婷，米亞如，傅 強(qiáng)

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

一種能自動(dòng)定心的環(huán)縫焊機(jī)

李 凌，賈瑞婷，米亞如，傅 強(qiáng)

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022）

針對(duì)大直徑管板環(huán)縫焊接中工件體積大、管子無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的問(wèn)題，研制一種包括自動(dòng)定心和焊槍旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的環(huán)縫自動(dòng)焊接設(shè)備，通過(guò)3組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊槍旋轉(zhuǎn)中心與管子中心的快速準(zhǔn)確對(duì)齊，并設(shè)計(jì)了基于AVR單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定心和焊接過(guò)程的自動(dòng)化，且該系統(tǒng)能夠適應(yīng)管徑變化范圍大的應(yīng)用場(chǎng)合。

環(huán)縫焊機(jī)；自動(dòng)定心；曲柄滑塊；AVR單片機(jī)

0 前言

大直徑鋼管和平板類(lèi)構(gòu)件對(duì)接在焊接過(guò)程中工作量大，且焊縫有一定規(guī)律，通常配備大型變位機(jī)或者焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)焊接[1-3]，但現(xiàn)有自動(dòng)焊機(jī)體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采購(gòu)成本和使用成本很高，中小型企業(yè)難以承受。因此很多中小型企業(yè)仍依靠人工方法來(lái)完成此類(lèi)環(huán)縫的焊接，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且很難保證焊接質(zhì)量和提高工作效率。

為此，本研究設(shè)計(jì)了一種用于環(huán)縫自動(dòng)焊接的焊接專(zhuān)機(jī)。焊機(jī)通過(guò)定位電機(jī)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組實(shí)現(xiàn)快速定心，通過(guò)CPU精準(zhǔn)控制環(huán)縫的自動(dòng)焊接過(guò)程。焊接方法有CO2焊接、混合氣體焊接、藥芯焊絲焊接[4]。這款自動(dòng)定心的環(huán)縫焊機(jī)，適用于管子直徑變化范圍大且管子無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的大管徑環(huán)縫焊接，可快速定心并精確焊接，具有自動(dòng)、高效、焊接效果好的優(yōu)點(diǎn)，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度以適應(yīng)各種不同管子?？刂葡到y(tǒng)選用AVR單片機(jī)為核心，通過(guò)軟硬件的良好配合來(lái)實(shí)現(xiàn)各種焊接參數(shù)的設(shè)置、存儲(chǔ)與調(diào)整以及焊接過(guò)程的自動(dòng)控制。

1 總體設(shè)計(jì)

焊接工件為大直徑鋼管和平板，如圖1所示，管子直徑500～2 000 mm，變化范圍大，且工件體積較大，不適合轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)了一套包括定心機(jī)構(gòu)和焊接機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)，其中定心機(jī)構(gòu)由機(jī)座、定位電機(jī)、3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組構(gòu)成；焊接機(jī)構(gòu)由焊接電機(jī)、焊接齒輪系、焊槍支架構(gòu)成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定心和精準(zhǔn)焊接的功能，且焊機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，易于操作。

另外設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，由CPU、開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)控制過(guò)程中的參數(shù)的存儲(chǔ)器和輸入設(shè)備組成。其中，CPU接收輸入設(shè)備的參數(shù)，以控制定位電機(jī)和焊接電機(jī)的運(yùn)行，并將參數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上，實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程的自動(dòng)控制、焊接過(guò)程的自動(dòng)控制、以及參數(shù)設(shè)置和存儲(chǔ)的高度自動(dòng)化。

此款環(huán)縫焊機(jī)工作流程如下：（1）將設(shè)備放置或懸掛在待焊接的管子內(nèi)部；（2）定位電機(jī)帶動(dòng)3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沿著機(jī)座的徑向同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位；（3）啟動(dòng)焊接，引燃電?。唬?）焊接信號(hào)識(shí)別并給出電弧信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；在電弧引燃的條件下，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，電弧熄滅，同時(shí)電機(jī)停止。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)包括定位機(jī)構(gòu)和焊接機(jī)構(gòu)，如圖2所示，定位機(jī)構(gòu)包括機(jī)座、設(shè)置在機(jī)座上的定位電機(jī)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組由3個(gè)互成120°的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，定位電機(jī)帶動(dòng)每個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沿著機(jī)座的徑向同步運(yùn)動(dòng)；焊接機(jī)構(gòu)包括焊接電機(jī)、由焊接電機(jī)帶動(dòng)的焊接齒輪系和位于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組中心的焊槍支架。焊槍支架上設(shè)置一橫桿，橫桿另一端設(shè)置一環(huán)縫焊接的焊槍。

2.1 自動(dòng)定心設(shè)計(jì)

定位電機(jī)通過(guò)定位齒輪組帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。當(dāng)定位電機(jī)帶動(dòng)從動(dòng)齒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沿著機(jī)座的徑向同步靠近管壁運(yùn)動(dòng)。由于3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)之間互成120°且始終保持同步運(yùn)動(dòng)，即每個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沿著管子徑向運(yùn)動(dòng)的速度始終保持一致且運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻也始終保持一致，任意時(shí)刻每個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的端部距離曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組中心的距離相等，所以當(dāng)3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)同時(shí)觸碰到管子內(nèi)壁時(shí)可確定焊槍支架位于管子內(nèi)部中心，并且可利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自鎖作用使定位擋塊夾緊管子內(nèi)壁而不回彈。此時(shí)焊槍可實(shí)現(xiàn)在管子外側(cè)旋轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行環(huán)縫焊接；當(dāng)定位電機(jī)帶動(dòng)從動(dòng)齒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離管子內(nèi)壁，可快速恢復(fù)初始狀態(tài)。

圖3 自動(dòng)定心示意

2.2 焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)

焊接轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的焊槍支架與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組、從動(dòng)齒的中心重合。焊槍支架上設(shè)置一橫桿，橫桿另一端設(shè)置環(huán)縫焊接的焊槍?zhuān)褂脮r(shí)將設(shè)備放置在待焊接的管子內(nèi)部或懸掛在管子內(nèi)部，其中設(shè)備的位置是可移動(dòng)的。因此，焊接過(guò)程中可以設(shè)置成橫桿沿著焊槍支架旋轉(zhuǎn)或焊槍支架旋轉(zhuǎn)而橫桿固定；優(yōu)選在機(jī)座上設(shè)置一個(gè)焊接電機(jī)，焊接電機(jī)通過(guò)焊接齒輪組帶動(dòng)焊槍支架轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)

根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程的自動(dòng)控制、焊接過(guò)程的自動(dòng)控制、參數(shù)的設(shè)置和存儲(chǔ)要求，選用AVR單片機(jī)作為控制核心[5]，控制系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)接收的輸入信號(hào)包括按鍵、開(kāi)關(guān)、參數(shù)設(shè)定；輸出信號(hào)包括焊機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)

由于步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。而本系統(tǒng)中對(duì)自動(dòng)定心機(jī)構(gòu)和焊槍旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置和距離精度要求不高，所以均采用開(kāi)環(huán)精度較高的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件[6]。選用42BYGH-5402型步進(jìn)電機(jī)，靜力矩0.6 N·m，配套驅(qū)動(dòng)器為WZM-2H042MH。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)來(lái)自于單片機(jī)，如圖5所示，OPTO為共陽(yáng)端，接+5 V；CP為脈沖信號(hào)，脈沖頻率決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，即行走距離；DIR為方向信號(hào)：1為正轉(zhuǎn)，0為反轉(zhuǎn)；FREE為鎖緊信號(hào)，1為鎖緊狀態(tài)，0為自由狀態(tài)。

在實(shí)際運(yùn)行中，控制系統(tǒng)中預(yù)置4種速度：自動(dòng)定心速度、定心釋放速度、正常焊接速度、快速返程速度，可通過(guò)操作開(kāi)關(guān)切換速度。

3.2 焊接過(guò)程控制系統(tǒng)

焊接過(guò)程由焊前準(zhǔn)備和焊接操作兩部分組成。

焊接準(zhǔn)備工作：將設(shè)備放置在待焊接管子內(nèi)部或懸掛在管子內(nèi)部，其中設(shè)備的位置是非固定、可移動(dòng)的。參數(shù)輸入，CPU接收輸入設(shè)備的參數(shù)后控制定位電機(jī)和焊接電機(jī)的運(yùn)行，并將參數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上。

焊接操作流程：?jiǎn)?dòng)焊接，引燃電??；CPU識(shí)別焊接信號(hào)并給出電弧信號(hào)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；在電弧引燃的條件下，按啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，CPU控制電弧熄滅，同時(shí)電機(jī)停止工作。在任何位置啟動(dòng)時(shí)，焊機(jī)焊接一周便會(huì)自動(dòng)停止。

圖5 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的連接

4 結(jié)論

該環(huán)縫焊機(jī)適用于管子直徑變化范圍大且管子無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)縫焊接，可實(shí)現(xiàn)快速定位并精確焊接，具有自動(dòng)、高效的優(yōu)點(diǎn)，而且可通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)各種不同的管子。實(shí)現(xiàn)了定位過(guò)程的自動(dòng)控制、焊接過(guò)程的自動(dòng)控制、以及參數(shù)設(shè)置和存儲(chǔ)的高度自動(dòng)化。

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An automatic centering girth welding machine

LI Ling，JIA Ruiting，MI Yaru，F(xiàn)U Qiang
（College of Mechanical&Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Due to the big volume of workpiece and unable rotating tube in the girth welding of the large diameter tube plates，it is difficult to guarantee that the rotation center of the welding torch and the pipe center are aligned.In this paper，the girth welding equipment with automatic centering and rotating welding gun is developed.Through three groups of slider-crank mechanism，the rotation center of welding gun and the center of tube can be quickly accurately aligned.And an automatic control system is designed based on the AVR microcontroller to realize the automation of centering and welding process.This system can adapt to the application which has a large range of change of the tube diameter.

girth welding machine；automatic centering；slider-crank；AVR microcontroller

TG439.9

A

1001－2303（2017）05－0059-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.12

2016-07-25

江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作——前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2015030-03）。

李 凌（1974—），女，講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究工作。E-mail：hhdxfuqiang@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：李凌，賈瑞婷，米亞如，等.一種能自動(dòng)定心的環(huán)縫焊機(jī)[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：59-61.