圓筒卷繞及焊接自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)

(巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 庫爾勒 841000)

圓筒卷繞及焊接自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)

柴春花陳換美黃智英

(巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 庫爾勒 841000)

針對洗衣機(jī)內(nèi)膽圓筒的焊接，設(shè)計(jì)了整套自動(dòng)化焊接設(shè)備，主要包括板料上料工位、卷繞工位、搬運(yùn)工位、夾緊夾具、焊接工位及下料工位。其中板料上料工位采用批量上料，然后真空吸附對單個(gè)板料進(jìn)行上料。通過卷繞工位，實(shí)現(xiàn)將平板材料卷繞成圓筒狀，然后經(jīng)過夾緊夾具對圓筒實(shí)現(xiàn)橫向及縱向的夾緊。采用氬弧焊機(jī)對焊縫進(jìn)行焊接，經(jīng)過檢測，焊縫達(dá)到密封效果。

圓筒卷繞焊接自動(dòng)化

0 序 言

洗衣機(jī)內(nèi)膽材料一般為不銹鋼圓筒，焊接前為不銹鋼板材，通過卷板機(jī)將板材卷繞成圓筒，然后進(jìn)行焊接，形成密封的圓筒[1-4]。氬弧焊優(yōu)勢主要有：焊縫一致性好，操作方便，設(shè)備成本低，便于自動(dòng)化集成，氬弧焊技術(shù)在家用電器及五金件的焊接應(yīng)用非常廣泛[5-8]。

傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)大多采用手工加工或者簡單的半自動(dòng)化方式生產(chǎn)，存在著工藝落后、生產(chǎn)效率低、人力資源浪費(fèi)、勞動(dòng)強(qiáng)度高、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，已經(jīng)無法滿足家電企業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要[9-12]。針對以上問題，需要設(shè)計(jì)一條自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線，以最終達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

文中重點(diǎn)介紹了洗衣機(jī)內(nèi)膽圓筒構(gòu)件自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少人工操作、提高自動(dòng)化程度的目的。

1 技術(shù)要求

待焊產(chǎn)品為洗衣機(jī)內(nèi)膽，為一圓筒形零件。焊接前為冷軋板，材質(zhì)為Q235A，外觀尺寸為1 500 mm×1 000 mm×0.5 mm。原材料經(jīng)過激光切割成型，可保證切割后的尺寸適合焊接，最終焊接成型后圓筒直徑尺寸為φ477 mm±2 mm。焊接成型后，需對成品進(jìn)行外觀檢測和泄露測試，以不滲水為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。焊接前材料及焊接成品示意圖如圖1所示,圖1a為焊接前的板料，圖1b為焊接后的成品。

圖1 焊接產(chǎn)品

2 總體設(shè)計(jì)

圓筒焊接成型需要經(jīng)過兩道工序：卷繞成型和焊接。由于板料尺寸較大，卷繞后存在一定的公差，并且板料較薄卷繞后中間部分可能鼓起等因素，選擇對工件高低不敏感的氬弧焊接方式，并設(shè)計(jì)了專用的自動(dòng)化設(shè)備。

設(shè)備主要由板料上料工位、卷繞工位、搬運(yùn)工位、焊接工位、下料工位以及相應(yīng)機(jī)加件等組成，如圖2所示。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，上料工位內(nèi)的板料被運(yùn)送到卷繞工位內(nèi)，卷繞工位將上一工位輸送來的板料卷繞成圓形，卷繞完成后搬運(yùn)工位將卷繞后的板料運(yùn)送到焊接工位內(nèi)。此后焊接工位開始對其進(jìn)行焊接，焊接完成后，焊接工位可將成品推出至搬運(yùn)工位，然后再流入到下料工位，此后人工取料。

圖2 設(shè)備總體機(jī)構(gòu)圖

2.1 板料上料工位設(shè)計(jì)

由于板料較大且較薄，單個(gè)上料容易損壞板料的平整度，且較為浪費(fèi)時(shí)間。文中所述機(jī)構(gòu)可一次性存儲(chǔ)多件板料，一次上料可滿足較長時(shí)間生產(chǎn)所需，且上料一致性好，不會(huì)對板料造成損傷。

如圖3a所示，板料上料工位主要由存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)、二次定位機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)機(jī)加件等組成。設(shè)備運(yùn)行前，將一批物料用叉車放置在存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)上，如圖3b所示。此后抓取機(jī)構(gòu)內(nèi)的氣缸帶著真空吸盤和直線運(yùn)動(dòng)副(導(dǎo)向用)向下運(yùn)動(dòng)直到吸盤接觸到板料，然后抓取機(jī)構(gòu)內(nèi)的真空發(fā)生器開始工作，與之連接的15個(gè)真空吸盤(呈均勻分布)開始將板料吸附住，能夠盡可能地使板料各部分受力均勻，最大程度的減少其變形。每次取走一個(gè)板料，電動(dòng)推桿都在4個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副的導(dǎo)向下向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)板料厚度的距離(0.5 mm)，因?yàn)檎婵瘴P高度位置不變，這樣可保證每次都能使真空吸盤和板料很好地接觸。每個(gè)板料被真空吸盤吸住后，抓取組件內(nèi)的電機(jī)開始工作，驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)副在線性滑軌的導(dǎo)向作用下將被吸附的板料搬運(yùn)到二次定位機(jī)構(gòu)的下方。

如圖3c所示，二次定位機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)力滾筒、夾板、正反螺紋副、直線運(yùn)動(dòng)副(導(dǎo)向作用)以及相應(yīng)機(jī)加件等組成。在此機(jī)構(gòu)內(nèi)沒有板料時(shí)，兩塊夾板之間的距離較大(大于板料寬度)，這樣可以保證每次抓取機(jī)構(gòu)都能將板料放入到二次定位機(jī)構(gòu)內(nèi)。當(dāng)傳感器檢測到板料被放入到機(jī)構(gòu)內(nèi)后，兩塊夾板在正反螺紋副和直線運(yùn)動(dòng)副的作用下開始向中間運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對板料位置的二次定位，與此同時(shí)動(dòng)力滾筒開始運(yùn)動(dòng)，將經(jīng)過二次定位后的板料運(yùn)送到卷繞工位。

圖3 板料上料工位機(jī)構(gòu)圖

2.2 卷繞工位設(shè)計(jì)

卷繞工位主要由機(jī)架、軸承座、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、氣缸1、氣缸2、翻轉(zhuǎn)塊、電機(jī)、滑軌以及相應(yīng)機(jī)加件等組成,如圖4a所示。其中，主動(dòng)輪的一端安裝在軸承座內(nèi)，此端還連接有電機(jī)，電機(jī)可為主動(dòng)輪提供卷繞時(shí)的動(dòng)力。軸承座寬度較大，可保證主動(dòng)輪一端固定在軸承座內(nèi)，整個(gè)主動(dòng)輪能較好的保持其位置精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如圖4b所示，氣缸2和翻轉(zhuǎn)塊連接在一起，當(dāng)氣缸2的活塞桿伸出時(shí)，翻轉(zhuǎn)塊可將主動(dòng)輪的另一端包裹進(jìn)去。當(dāng)卷繞完成后下料時(shí)，氣缸2活塞桿縮回，此時(shí)翻轉(zhuǎn)塊將會(huì)和主動(dòng)輪脫離。卷繞前，在板料上料工位內(nèi)滾筒的作用下，板料被推入到卷繞工位。此時(shí)，氣缸1開始向上運(yùn)動(dòng)，在直線運(yùn)動(dòng)副的導(dǎo)向作用下，將兩個(gè)從動(dòng)輪往上頂，使板料能夠同時(shí)和主動(dòng)輪以及從動(dòng)輪接觸，氣缸1配備單獨(dú)的調(diào)壓閥，可調(diào)整其輸出力，從而達(dá)到對板料卷繞效果的調(diào)整,卷繞機(jī)構(gòu)放大圖如圖4c所示。

2.3 搬運(yùn)工位設(shè)計(jì)

如圖5a所示，搬運(yùn)工位主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)機(jī)加件組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由同步帶，同步輪以及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副(線性滑軌)組成，可實(shí)現(xiàn)較為精密的長距離傳送；抓取機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、滾珠絲桿、線性滑軌、氣爪、夾爪以及相應(yīng)機(jī)加件組成。搬運(yùn)工位工作時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)內(nèi)氣爪帶著夾爪將卷繞好的板料夾緊，然后卷繞工位內(nèi)的氣缸1下降，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)，將板料向上提升一段距離將其從卷繞機(jī)構(gòu)內(nèi)取出，此時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步輪，將卷繞好的板料運(yùn)送到焊接機(jī)構(gòu)內(nèi)。待焊接完成后，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將成品取出并送入到下料機(jī)構(gòu)內(nèi),夾緊機(jī)構(gòu)如圖5b所示，圖5c為夾緊機(jī)構(gòu)放大圖。

圖4 卷繞工位機(jī)構(gòu)圖

圖5 搬運(yùn)工位機(jī)構(gòu)圖

2.4 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾緊機(jī)構(gòu)1主要由正反絲桿螺母副、驅(qū)動(dòng)輪組件、固定座、直線運(yùn)動(dòng)副以及對應(yīng)機(jī)加件組成。其中，驅(qū)動(dòng)輪組件固定在固定座，固定座固定在直線運(yùn)動(dòng)副(線性滑軌)上。驅(qū)動(dòng)輪組件內(nèi)含有多個(gè)動(dòng)力滾筒(滾筒較短)，動(dòng)力由該機(jī)構(gòu)內(nèi)電機(jī)提供，如圖6所示。

圖6 夾緊機(jī)構(gòu)1示意圖

當(dāng)卷繞好的板料經(jīng)由搬運(yùn)工位運(yùn)送到此處前，正反絲桿螺母副在電機(jī)作用下開始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)左、右兩邊固定座背向運(yùn)動(dòng)，彼此遠(yuǎn)離。當(dāng)板料被運(yùn)送到機(jī)構(gòu)內(nèi)后，絲桿螺母副開始反轉(zhuǎn)，直至驅(qū)動(dòng)輪組件將其夾緊，此后搬運(yùn)組件內(nèi)氣缸開始松開，驅(qū)動(dòng)輪組件內(nèi)電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，將卷繞好的板料完全運(yùn)送到焊接機(jī)構(gòu)內(nèi)指定位置。

夾緊機(jī)構(gòu)2主要由氣缸和2個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副、壓塊以及對應(yīng)機(jī)加件組成。板料被固定后，需要為焊接做準(zhǔn)備，因?yàn)楹附臃绞讲捎么罱雍附樱蚀罱犹幮鑼⑵涠ㄎ患皦壕o。板料在定位輥和壓塊的作用下完成軸向的夾緊。其中，定位輥起到對板料定位作用，保證搭接的重合寬度大于1 mm，固定在夾緊機(jī)構(gòu)1內(nèi)的固定座尾部上，通過懸臂連接伸入到如圖7所示位置機(jī)構(gòu)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸在直線運(yùn)動(dòng)副導(dǎo)向作用下帶著壓塊下壓，將焊接處壓緊。

2.5 焊接工位設(shè)計(jì)

如圖8所示，焊接工位主要由夾緊機(jī)構(gòu)1、夾緊機(jī)構(gòu)2、焊槍組件等三大部分組成。其中，夾緊機(jī)構(gòu)1可對卷繞后的板料實(shí)現(xiàn)徑向方向的夾緊，夾緊機(jī)構(gòu)2可對板料實(shí)現(xiàn)軸向方向的壓緊。待兩個(gè)方向均被夾緊后，焊槍組件即可開始焊接，焊接的同時(shí)隨動(dòng)壓緊焊縫，避免板料變形及間隙，保證無漏焊現(xiàn)象。

圖7 夾緊機(jī)構(gòu)2示意圖

圖8 焊接工位機(jī)構(gòu)圖

2.6 下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

板料焊接完成后，搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將其取出，然后放在搬運(yùn)機(jī)構(gòu)上，經(jīng)由搬運(yùn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的皮帶線流入到人工取件位置,下料機(jī)構(gòu)如圖9所示。

圖9 下料機(jī)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

(1)采用手動(dòng)對板材進(jìn)行批量上料，然后自動(dòng)完成單個(gè)產(chǎn)品的上料，經(jīng)過卷繞機(jī)構(gòu)，形成圓筒結(jié)構(gòu)，在搬運(yùn)機(jī)構(gòu)作用下，運(yùn)動(dòng)到焊接工位。在夾緊機(jī)構(gòu)的固定及定位后，采用氬弧焊機(jī)實(shí)現(xiàn)焊縫的密封焊接。

(2)該機(jī)構(gòu)關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)為夾緊機(jī)構(gòu)，采用夾緊機(jī)構(gòu)1實(shí)現(xiàn)工件徑向夾緊，夾緊機(jī)構(gòu)2實(shí)現(xiàn)工件橫向夾緊，抵消焊接過程中產(chǎn)生的熱變形，保證焊縫的質(zhì)量。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)檢測，該系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品良品率達(dá)到99%。

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2017-04-06

TG454

柴春花，1979年出生，碩士，講師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備單機(jī)集成化操作與智能控制。