智能化焊接制造設(shè)備

李海霞

摘要：在人工成本不斷攀升、原材料價(jià)格上漲及同質(zhì)化競爭加劇，對(duì)于勞動(dòng)密集型的中國制造而言，工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用成為最好的解決之道，也是必然的趨勢(shì)。本文從智能化焊接設(shè)備的需求為切入點(diǎn)，解讀現(xiàn)階段國內(nèi)數(shù)控焊床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與局限性，并提出本文所設(shè)計(jì)的平面凸輪廓數(shù)控焊床結(jié)合了智能化焊接技術(shù)的特點(diǎn)，基于計(jì)算機(jī)、控制等信息處理新技術(shù)，將人工智能與焊接工藝有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊接工藝制造的技術(shù)

一、技術(shù)背景

焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬噸巨輪到不足1克的微電子元件，在生產(chǎn)中都不同程度地依賴焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命以及生產(chǎn)的成本、效率和市場反應(yīng)速度。傳統(tǒng)的機(jī)械焊接雖然設(shè)備簡單、操作靈活適用面廣，但是生產(chǎn)效率低，工作環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度高。在人工成本不斷攀升、原材料價(jià)格上漲及同質(zhì)化競爭加劇的今天，焊接制造領(lǐng)域也面臨著難以支撐、環(huán)境壓力加大、用戶需求提高、貿(mào)易摩擦平發(fā)、市場競爭激烈、人工成本增加和運(yùn)營費(fèi)用增加等一系列難題，焊接裝備智能化已勢(shì)不容緩。

目前工業(yè)上的數(shù)控焊床為三軸數(shù)控焊床，對(duì)工件進(jìn)行焊接時(shí)，工件卡在焊床上，焊槍在X軸、Y軸及Z軸方向直線移動(dòng)，使焊槍沿著焊縫的軌跡運(yùn)行，以達(dá)到焊接目的。但由于這種焊床存在焊槍姿態(tài)控制軸，這種焊槍姿態(tài)控制軸不具備對(duì)焊槍的姿態(tài)角的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)制，因此從焊床機(jī)構(gòu)的角度來看只能焊接直焊縫，或者大直徑環(huán)縫，無法滿足曲線焊縫的焊接工藝要求。

二、裝置描述

如圖1所示，平面凸輪廓數(shù)控焊床與數(shù)控車床結(jié)構(gòu)有些相似，其結(jié)構(gòu)包括：機(jī)架、主轉(zhuǎn)軸、夾持機(jī)構(gòu)、焊槍系統(tǒng)及控制系統(tǒng)五大部分組成。該設(shè)備由Y、A、A′三個(gè)軸組成，其中A軸是控制待焊接工件繞X軸旋轉(zhuǎn)，A′軸控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動(dòng)。該設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了部分曲線焊縫的數(shù)控焊接問題。

三、設(shè)計(jì)思路

根據(jù)工件輪廓形狀，設(shè)計(jì)一種凸輪廓三軸曲線焊接機(jī)床，根據(jù)數(shù)控多軸控制系統(tǒng)中RTCP功能，利用平行四連桿機(jī)構(gòu)根據(jù)焊槍角度隨焊接軌跡變化實(shí)現(xiàn)焊槍與工件之間實(shí)時(shí)確保法矢關(guān)系。并利用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊槍在焊接過程根據(jù)焊接軌跡變化對(duì)焊槍速度、電流的控制。

四、設(shè)計(jì)方案

如圖2所示為平面凸輪廓數(shù)控焊床，包括：控制待焊接工件繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，Y軸，控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動(dòng)的A′軸。使用該數(shù)控焊床焊接待焊接工件時(shí)，待焊接工件在A軸的控制下旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，Y軸及A′軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，其中A′軸可以控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)焊槍的焊接角度。

焊接工件時(shí)，工件在A軸的控制下旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，Y軸及A′軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，其中A′軸可以控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)焊槍的焊接角度，使焊槍沿焊縫移動(dòng)的過程中根據(jù)焊縫的曲率變化實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)角，滿足焊接工藝要求。

平面凸輪廓焊接原理：如圖3所示，將將平面凸輪廓焊縫V放置于平面為XYZ-O坐標(biāo)系的YZ-O平面上，并將選定一平面凸輪廓的回轉(zhuǎn)軸作為待焊接工件的回轉(zhuǎn)軸且該回轉(zhuǎn)軸與X軸重合，焊接時(shí)工件旋轉(zhuǎn)，焊接點(diǎn)在Y軸上滑動(dòng)，且鎢極W與過焊接點(diǎn)的輪廓線的法線保持一設(shè)定角度，通常該設(shè)定角度為O°。

在這里我們引出了一個(gè)概念，平面凸輪廓，所謂平面凸輪廓即如圖4所示，平面上一輪廓線V，如果在平面上存在點(diǎn)O，過O點(diǎn)在平面上做任意射線S，如果任意射線S至多與輪廓線V有一個(gè)交點(diǎn)，則稱該輪廓線V為平面凸輪廓。稱O點(diǎn)位平面凸輪廓回轉(zhuǎn)中心。過O且與輪廓線V所在平面垂直的直線稱之為回轉(zhuǎn)軸。一個(gè)平面凸輪廓可能有無數(shù)回轉(zhuǎn)中心，因此同時(shí)存在無數(shù)回轉(zhuǎn)軸。

對(duì)以上工作原理有了了解后，接下來就其具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖5所示。

機(jī)架：在整個(gè)焊床機(jī)構(gòu)中主要起到支撐、安裝和穩(wěn)固的作用。

主轉(zhuǎn)軸：即A軸，包括機(jī)架上的主軸和與主軸連接并可驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。

夾持機(jī)構(gòu)：連接在主軸上，用于夾持焊接工件。

焊槍系統(tǒng)：A′軸所在系統(tǒng)，主要包含控制焊槍圍繞其焊尖轉(zhuǎn)動(dòng)的平行四連桿機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)裝置。

控制系統(tǒng)：用于焊接軌跡的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)控制的裝置。

以上五個(gè)部分構(gòu)成平面凸輪廓數(shù)控焊床的核心。下面就主轉(zhuǎn)軸以及焊槍系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1、主轉(zhuǎn)軸（A軸）

如圖6所示，A軸上主軸驅(qū)動(dòng)裝置包括伺服電機(jī)，伺服電機(jī)設(shè)置在機(jī)架上并與主軸以同步帶傳動(dòng)。伺服電機(jī)的輸出軸上鍵連接有帶輪，與主軸上的帶輪帶連接，從而使伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給主軸。兩個(gè)帶輪的選擇上可以考慮同步帶輪，以提高轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力傳遞的穩(wěn)定性。

焊接時(shí)，高電流會(huì)從主軸流到機(jī)架上，使機(jī)架與主軸之間產(chǎn)生熱熔。為了避免高電流流過支撐軸承時(shí)，對(duì)支撐軸承造成損壞，采用電滑環(huán)裝飾實(shí)現(xiàn)主軸與機(jī)架之間的連接。如圖7所示，電滑環(huán)裝置由固定在機(jī)架上道碳刷座和多個(gè)碳刷機(jī)構(gòu)組成，碳刷座套在主軸上且與主軸滑動(dòng)配合；碳刷座上設(shè)置有多個(gè)環(huán)形陣列的且沿徑向延伸的碳刷腔；每一個(gè)碳刷機(jī)構(gòu)包括碳刷和彈性件；多個(gè)碳刷分別與多個(gè)碳刷腔一一配合且每一個(gè)碳刷均與主軸滑動(dòng)配合；多個(gè)彈性件分別與多個(gè)碳刷一一配合且對(duì)每一個(gè)碳刷施加徑向預(yù)緊力。

主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，彈性件對(duì)碳刷施加徑向預(yù)緊力，使碳刷與主軸時(shí)刻接觸并滑動(dòng)，而碳刷與固定在機(jī)架上的碳刷座電連接，則主軸的電流會(huì)經(jīng)過碳刷及碳刷座流到機(jī)架上，從而可以避免主軸與機(jī)架之間采用軸承而使軸承產(chǎn)生熱熔。

2、焊槍系統(tǒng)（A′軸）

焊槍系統(tǒng)由焊槍及控制焊槍圍繞其焊頭轉(zhuǎn)動(dòng)的平行四連桿機(jī)構(gòu)組成，焊槍可拆卸地設(shè)置在平行四連桿機(jī)構(gòu)上，如圖8所示。

平行四連桿機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)焊槍姿態(tài)與焊縫之間法矢關(guān)系，即數(shù)控多軸RTCP功能。其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖9所示。

平行四連桿機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)曲柄、連桿和延伸桿。延伸桿固定在連桿的延伸方向，傳動(dòng)裝置用于將一個(gè)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)同步傳遞給位于延伸桿上的焊槍。焊槍的焊尖與其轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離等于曲柄與其轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離。根據(jù)平行四連桿機(jī)構(gòu)的特性，平行四連桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)曲柄在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的位置始終不變，則使焊槍的焊尖與其轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離等于曲柄與其轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離，該焊槍構(gòu)成雙平行四連桿機(jī)構(gòu)的另一個(gè)曲柄，通過傳動(dòng)裝置將兩個(gè)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給該焊槍，則該焊槍會(huì)繞其焊尖轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)焊槍的姿態(tài)角。其中，傳動(dòng)裝置可以包括兩個(gè)同步帶輪，一個(gè)同步帶輪與一個(gè)曲柄鍵連接，另一個(gè)曲柄可以與焊槍固連，則曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)一個(gè)同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過同步帶的連接，另一個(gè)同步帶輪會(huì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)，而由于雙平行四連桿機(jī)構(gòu)的特性，焊槍在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，其轉(zhuǎn)動(dòng)中心始終在焊槍的焊尖處。

調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)角的原理，如圖10所示。在焊接過程中，焊槍沿著焊接軌跡以一定的角度進(jìn)行焊接加工。當(dāng)焊接軌跡曲率變化是，需要調(diào)整焊槍角度后繼續(xù)進(jìn)行焊接加工，如果直接將焊槍擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使焊槍按照預(yù)定的角度焊接工件。然而擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)焊槍尖點(diǎn)位置的移動(dòng)，即焊槍的位置會(huì)移動(dòng)到圖10中虛線所示的偏移焊槍的位置，使焊槍的位置偏離焊接軌跡，從而影響工件的加工精度。在這里A′軸采用平行四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)焊槍中心點(diǎn)控制RTCP的功能，以使焊尖位置在姿態(tài)角調(diào)節(jié)的過程中始終沿著編程軌跡運(yùn)行，確保焊接的精度。

圖9中A′軸驅(qū)動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)曲柄繞其轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。即該A′軸驅(qū)動(dòng)裝置可以與任一個(gè)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)連接，也可以同時(shí)與兩個(gè)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)連接。通常A′軸驅(qū)動(dòng)裝置可以選用步進(jìn)電機(jī)。

3、Y軸

如圖11所示，平面凸輪廓數(shù)控焊床的y軸主要實(shí)現(xiàn)焊槍系統(tǒng)在機(jī)床上軸向移動(dòng)。其主要包括絲杠、滑座和y軸驅(qū)動(dòng)裝置，A′軸固定在滑座上；y軸驅(qū)動(dòng)裝置與絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)配合且滑座與絲桿滑動(dòng)配合。絲桿通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，滑座與絲桿配合，則滑座將沿著絲桿的軸向方向移動(dòng)，即A′軸上的焊槍會(huì)隨著滑座在y軸移動(dòng)。

4、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)與A軸、Y軸及A′軸電連接。在控制系統(tǒng)中輸入預(yù)先根據(jù)焊縫軌跡所編的程序，根據(jù)程序控制A軸、Y軸及A′軸對(duì)焊槍聯(lián)動(dòng)控制，從而精確的焊接焊縫。

五、結(jié)語

平面凸輪廓數(shù)控焊床的主要特征是控制待焊接工件繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，以及控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動(dòng)的A′軸，利用平行四連桿機(jī)構(gòu)代替RTCP功能，實(shí)現(xiàn)隨著焊縫的曲率變化而實(shí)時(shí)調(diào)整焊槍的姿態(tài)角。使用該數(shù)控焊床焊接工件時(shí)，通過夾持機(jī)構(gòu)將工件夾持在主轉(zhuǎn)軸上，控制機(jī)構(gòu)控制主轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，主轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)主轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，被夾持在主轉(zhuǎn)軸上的工件隨著主轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，控制機(jī)構(gòu)控制焊槍系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，焊槍系統(tǒng)包括焊槍和平行四連桿機(jī)構(gòu)，焊槍系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，平行四連桿機(jī)構(gòu)控制焊槍圍繞其焊頭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)焊槍的焊接角度，提升焊接精度高。