基于PLC 的電動(dòng)三輪車車邦自動(dòng)焊接設(shè)備及生產(chǎn)線研究*

李濟(jì)洲，陳 靜

（淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽 淮北 235000）

電動(dòng)三輪車以經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、便捷等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在城鄉(xiāng)結(jié)合部的大街小巷。但其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率一直難盡如人意，尤其是產(chǎn)品質(zhì)量不高的電動(dòng)三輪車給道路交通帶來了安全隱患，以至于許多地方相繼出臺(tái)了電動(dòng)三輪車“禁售禁行”的管理政策。電動(dòng)三輪車生產(chǎn)技術(shù)含量低，大多數(shù)廠家采用手工焊接車邦、外購電機(jī)、控制器等，手工組裝而成，工藝落后、效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差。部分生產(chǎn)規(guī)模較大的廠家在胎具上手工組配車邦坯料，采用通用機(jī)器人焊接車邦單葉，人工組裝車邦、電機(jī)和其他附件等，目前尚未開發(fā)電動(dòng)三輪車的全自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)線，基于此，以徐州某車業(yè)公司生產(chǎn)線改造為例，設(shè)計(jì)了車邦4 自由度可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 自動(dòng)控制焊接專用設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)流水線。工業(yè)試驗(yàn)表明，單個(gè)車邦焊接效率是手工焊接的2 倍，成本是采用通用機(jī)器人焊接的70%～80%，產(chǎn)品焊接缺陷也大幅度降低，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 車邦自動(dòng)焊接設(shè)備及生產(chǎn)線的技術(shù)方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)三輪車由邊邦、底邦、車架、電機(jī)、控制器及附件組合而成，邊邦和底邦統(tǒng)稱車邦。本研究以電動(dòng)三輪車車邦焊接自動(dòng)線為例，探討了利用專用焊接設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)焊接的設(shè)計(jì)方案。

1.1 車邦焊接結(jié)構(gòu)制造工藝過程

以電動(dòng)三輪車比較常見的邊邦為例，介紹車邦焊接結(jié)構(gòu)制造工藝過程。該邊邦的規(guī)格為1250×407 mm，框架為材質(zhì)Q235 的方管，內(nèi)側(cè)覆0.1～0.3 mm 鋼板，鋼板與框架連接的主要形式為點(diǎn)焊或短連續(xù)焊，設(shè)計(jì)32 個(gè)焊點(diǎn)。

為完成該邊邦焊接成型，其工序流程見第53頁圖1。具體工序流程如下：等離子切割機(jī)將檢驗(yàn)合格的方管下料→方管經(jīng)折邊機(jī)彎曲、沖壓、折邊成型滿足形狀尺寸要求的邊框和輻筋→PLC 自動(dòng)控制滾子鏈運(yùn)動(dòng)將固定邊邦覆筋胎具（見第53 頁圖2） 送入指定工位→機(jī)械手將邊框和輻筋布樣成型并自動(dòng)夾緊（見圖2） →啟動(dòng)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)將布樣成型胎具送到指定工位→啟動(dòng)自動(dòng)焊接設(shè)備PLC 自動(dòng)控制施焊→焊后產(chǎn)品質(zhì)檢→對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)返修→合格產(chǎn)品進(jìn)行覆板并夾緊固定→自動(dòng)焊接設(shè)備焊接覆板→產(chǎn)品質(zhì)檢→合格的產(chǎn)品→表面處理（噴砂除銹、洗滌、涂漆等） →轉(zhuǎn)入部件裝配→總件裝配→成品質(zhì)檢→入庫。

1.2 多點(diǎn)自動(dòng)控制焊接流水線

以江蘇徐州某廠電動(dòng)三輪車車邦焊接技術(shù)改造為例，該廠產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)占有率約為15%，一度采用手工焊接，產(chǎn)品存在燒穿、焊瘤、成形差、咬邊、未焊透、未融合和焊縫不良等較多焊接缺陷[1]。通過技術(shù)改造，采用通用機(jī)器人末端加裝焊炬人工示教器編程自動(dòng)控制焊接，效率較以前提高了約30%，焊接缺陷也大幅度下降。然而，技術(shù)改造后的生產(chǎn)方式使用的夾具和工序之間的產(chǎn)品傳遞仍然靠人工完成，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)流水線?；诖耍瑸檫M(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低技術(shù)改造成本，探討了技術(shù)改造方案為采用PLC 控制的4 自由度自動(dòng)控制焊接專用設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)流水線，即車邦多點(diǎn)自動(dòng)控制焊接流水線，見圖3。

圖1 邊邦焊接成型工序流程圖

圖2 固定邊邦覆筋胎具和人工布料夾緊示意圖

采用雙焊槍多點(diǎn)自動(dòng)控制焊接比采用通用機(jī)器人的技術(shù)改造方案可節(jié)約資金約40%，尤其是其結(jié)構(gòu)布局緊湊，非常適用于該廠車間狀況，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)送料、自動(dòng)焊接、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)焊接背面、自動(dòng)送入物料車，完成一個(gè)流水線的工作節(jié)拍，但不適用于多車型的生產(chǎn)。采用彈匣送料方式，圖3所示的生產(chǎn)流水方向?yàn)橛勺笸?，依次為第一工位、第二工位、第三工位、第四工位。具體工序流程如下：首先，設(shè)計(jì)一個(gè)物料車，按照需要連接的方式，人工將物料擺放入內(nèi)，一次放入10 個(gè)，這個(gè)物料車可以推入第一工位，到達(dá)第一工位后，啟動(dòng)雙點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)，雙點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)開始焊接這個(gè)部件的正面焊縫，焊接完畢后，焊機(jī)抬起，卡部件的卡具抬起，檢測(cè)右邊工位是否為空，不為空則等待，為空則由左側(cè)推具右推，已焊好的部件沿滑道進(jìn)入第二工位；其次，第二工位拉動(dòng)部件到位，人工檢測(cè)焊接質(zhì)量并補(bǔ)焊（如需要），然后翻轉(zhuǎn)，通過腳踏開關(guān)將之右推，送入第三工位；再次，第三工位也裝有雙點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)，傳感器檢測(cè)到位后，雙點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)開始工作，完成后，檢測(cè)第四工位如果為空則將之送入第四工位，否則等待；最后，在第四工位人工檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)需要補(bǔ)焊的地方進(jìn)行補(bǔ)焊，完成后通過腳踏開關(guān)將焊接完成的部件送入右方物料車，物料車自動(dòng)下移一格，10 個(gè)裝滿后，將物料車推走，去總裝工位。

圖3 多點(diǎn)自動(dòng)控制焊接流水線示意圖

在該工序流程中，第一工位物料送至第二工位后，上方卡具回位，物料車通過電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將下方物料上托，使之到達(dá)焊接位置，到達(dá)后，雙點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)開始進(jìn)行下一輪焊接。如此，本條線可以一次焊接10 個(gè)部件，10 個(gè)焊接完成后，將第一工位已經(jīng)空了的物料車推走，換上一個(gè)裝滿的物料車，繼續(xù)進(jìn)行，這樣就極大地提高了效率。盡管一條線一個(gè)人就可以完成，但由于焊接效率太高，一個(gè)人可能勞動(dòng)強(qiáng)度過大，因此可以安排兩個(gè)人，一個(gè)人裝物料，一個(gè)人補(bǔ)焊。

對(duì)本條流水線的討論：可以將4 個(gè)工位改成2 個(gè)工位，人工檢測(cè)的2 個(gè)工位可省去，只要一個(gè)工位焊接正面焊縫，另一個(gè)工位翻轉(zhuǎn)和焊接背面焊縫即可，當(dāng)一個(gè)物料車全部焊接完成后，可以由專人進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)焊。這樣的流水線對(duì)車廂部件是適用的，多少個(gè)車廂就可以建多少條流水線。對(duì)于底邦可以分解2 個(gè)部件，使用多點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接。對(duì)使用多點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)的要求：物料精度要高，不能長(zhǎng)短不一，因?yàn)閷Ｓ米詣?dòng)焊機(jī)不具備自動(dòng)尋縫的功能，所以也不能進(jìn)行槍頭擺動(dòng)焊接。對(duì)使用彈匣送料方式的要求：下料精度要高，如果是用切割機(jī)切下來的，則注意不要有毛邊。

結(jié)合通用機(jī)器人進(jìn)行焊接，一些復(fù)雜、多面、多點(diǎn)的焊接不適用多點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)，比如車底座部分、車的總裝部分等，這就需要更靈活的通用機(jī)器人，總裝部分至少需要裝5 臺(tái)通用機(jī)器人，才能滿足需要，不至于在總裝部分出現(xiàn)效率瓶頸。

2 多點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)結(jié)構(gòu)包括水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，根據(jù)技術(shù)改造生產(chǎn)需要確定設(shè)計(jì)參數(shù)，并給出了計(jì)算和校核結(jié)果。

2.1 水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要確保其運(yùn)動(dòng)的靈活性和精度，要盡可能縮短傳動(dòng)鏈，電機(jī)采用步距角0.9°的步進(jìn)電機(jī)，并由單片機(jī)控制脈沖分配方式，從而減少系統(tǒng)器件數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性。驅(qū)動(dòng)電源采用單電壓驅(qū)動(dòng)，通過細(xì)分調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的控制精度，可以實(shí)現(xiàn)快慢速控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)通過無齒錐環(huán)聯(lián)軸器直聯(lián)滾珠絲杠螺母副，減少中間傳動(dòng)部件，步進(jìn)電機(jī)非輸出軸端安裝編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和位移的檢測(cè)、信號(hào)反饋，由控制系統(tǒng)完成對(duì)誤差的糾正[2]。直線運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：載重質(zhì)量M=50 kg；精度為±0.1 mm；重復(fù)定位精度為±0.05 mm；最大運(yùn)動(dòng)速度vmax=14 m/min；最大行程smax=1000 mm；設(shè)計(jì)壽命Lt=250000 h。

步進(jìn)電機(jī)直聯(lián)滾珠絲杠螺母副，無中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)比i=1，選擇步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速Nmax=2000 r/min，導(dǎo)程L≥7 mm。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇絲杠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為8 mm。取絲杠螺母間摩擦系數(shù)μ=0.1，滑動(dòng)阻力Fa=μ.F=49 N，設(shè)計(jì)軸向平均負(fù)荷為Fm=F+ fa=539 N，fw=1.2，絲杠外徑D 取20～40 mm。選擇的直線模組為絲桿型，根據(jù)實(shí)際計(jì)算和設(shè)計(jì)生產(chǎn)需要，滾珠絲杠螺母副主要參數(shù)選擇如下：絲杠外徑為26 mm；絲杠長(zhǎng)度為1300 mm；絲杠導(dǎo)程為8 mm；最大行程為1000 mm；動(dòng)負(fù)荷為660 kg；最大轉(zhuǎn)速為2000 r/min；固定形式為固-固；螺母為內(nèi)循環(huán)滾珠螺母。

2.2 垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

專用自動(dòng)焊機(jī)在施焊時(shí)要采用上下運(yùn)動(dòng)形式，跟蹤和焊接要有一定的精度要求，考慮焊炬及設(shè)備自重下垂，要有自鎖功能，綜合考慮選擇滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)，雖然其效率損失較多，但是具有很好的自鎖性能，采用30°角的梯形螺紋[3]，其垂直運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：載重質(zhì)量M=30 kg；行程為800 mm；最大速度為2 m/min；精度為0.1 mm。

選擇螺桿和螺母的材料分別為45 號(hào)鋼和ZCuSn10Zn2 鑄造銅合金，則螺紋中徑計(jì)算公式為

式中：ξ 為梯形螺紋尺寸影響系數(shù)；M 為最大載重質(zhì)量；φ 為載荷系數(shù)；[P]為活動(dòng)螺旋副許用壓力。查手冊(cè)，選取參數(shù)計(jì)算螺紋升角，計(jì)算公式為

式中：l 為導(dǎo)程，單頭螺紋l=p=2 mm。螺旋副當(dāng)量摩擦角的計(jì)算公式為

式中：f 為摩擦因數(shù)，取0.09；α 為螺旋角，取30°。由于計(jì)算結(jié)果λ≤ρ，因此滿足自鎖條件。最大輸入轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算公式為

輸入力矩為

最終，選取步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，參考型號(hào)為42BYG250CK-0081，符合設(shè)計(jì)需求。絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)、安裝調(diào)隙形式與水平傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相同。

3 多點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)的PLC 控制系統(tǒng)

1） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過PLC 控制多點(diǎn)焊專用自動(dòng)焊機(jī)的平行移動(dòng)X，Y，Z 軸和焊頭的旋轉(zhuǎn)A 軸，需要112 個(gè)輸入點(diǎn)、68 個(gè)輸出點(diǎn)，1 個(gè)主站PLC、1 個(gè)從站PLC 和4 個(gè)擴(kuò)展模塊，使用4 臺(tái)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制4 個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話界面，與PLC 建立通信后，通過觸摸屏運(yùn)用，配合PLC 硬件電路監(jiān)控和操作焊機(jī)，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度[4]。使用RS485 通信接口連接主站PLC 與觸摸屏，而從站PLC 與示教器連接則使用RS232 通信接口，RS485 通信接口、RS232 通信接口都是比較常用的串行通信方式，成本低、可靠性高，組網(wǎng)簡(jiǎn)單[5]。

2） 硬件設(shè)計(jì)。選擇Y 型PLC，歐姆龍CP1H系列，有24 個(gè)輸入點(diǎn)和1 個(gè)公共端。根據(jù)工藝需要，設(shè)計(jì)手動(dòng)、示教器和工作3 種控制模式，在工作模式下，當(dāng)已布料的胎具到達(dá)指定焊接工位后，胎具上的傳感器就會(huì)把信號(hào)傳給PLC，PLC 觸發(fā)電磁閥控制氣缸伸出夾緊胎具，夾緊到位指示燈亮，接著專用自動(dòng)焊機(jī)就會(huì)按照預(yù)定的路線自動(dòng)移動(dòng)并施焊，焊后自動(dòng)松開夾具，胎具前移至下一個(gè)工位。除自動(dòng)焊接功能外，還兼有計(jì)數(shù)功能，焊接完成會(huì)自動(dòng)計(jì)數(shù)。為了便于查看機(jī)械是否正常工作，還有故障報(bào)警功能。手動(dòng)模式通過硬件按鈕實(shí)現(xiàn)，按下按鈕給PLC 一個(gè)指令，PLC 通過程序控制自動(dòng)控制焊接專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)，如X，Y，Z 軸移動(dòng)、回零、施焊、胎具夾緊、松開等。示教模式可以給操作者調(diào)試自動(dòng)焊接設(shè)備帶來方便，可單步執(zhí)行及增步、減步，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)其路徑優(yōu)化[6]。

3） 軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)工作順序編寫程序，PLC控制系統(tǒng)的程序流程見圖4。觸摸屏有故障報(bào)警功能，一旦工作異常就會(huì)出現(xiàn)故障報(bào)警，報(bào)警信息通過PLC 觸發(fā)，根據(jù)記錄的報(bào)警信息可以迅速查找故障并排除。根據(jù)自動(dòng)控制焊接專用設(shè)備的控制方式、焊接參數(shù)等設(shè)計(jì)觸摸屏主控界面的配置界面和運(yùn)行界面[6]。操作者通過該人機(jī)交互界面對(duì)自動(dòng)控制焊接專用設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控和操作。

4 結(jié)束語

該技術(shù)改造方案利用PLC 控制4 自由度自動(dòng)控制焊接專用設(shè)備，完成電動(dòng)三輪車車邦多點(diǎn)自動(dòng)控制焊接流水線生產(chǎn)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)送料、自動(dòng)焊接、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、自動(dòng)焊接背面、自動(dòng)送入物料車的流水線自動(dòng)工作流程，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低技術(shù)改造成本。該技術(shù)改造方案設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)，理論產(chǎn)能達(dá)到400 件/h[7]，但不適用于多車型的生產(chǎn)。該技術(shù)改造方案設(shè)計(jì)還缺少自動(dòng)智能判斷產(chǎn)品是否合格的功能，因此還應(yīng)當(dāng)結(jié)合視覺和自動(dòng)尋焊等完善車邦自動(dòng)焊接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車邦焊接的全自動(dòng)化，從而促進(jìn)車邦制造裝備更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、功能完善和運(yùn)行可靠等目的。

圖4 PLC 控制系統(tǒng)的程序流程圖