全自動(dòng)鋼帶卷圓焊接機(jī)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用

游劍峰

（福建寶豐管樁有限公司，福州 350100）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，管樁應(yīng)用場(chǎng)景從鐵道橋梁等擴(kuò)大到工業(yè)與民用等領(lǐng)域。全國(guó)范圍內(nèi)的管樁生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越多，而目前與國(guó)內(nèi)的管樁企業(yè)配套的設(shè)備廠商主要以生產(chǎn)傳統(tǒng)粗加工設(shè)備為主。近年來(lái)，管樁設(shè)備廠商也開(kāi)始研發(fā)自動(dòng)化設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線，而這需要漫長(zhǎng)的技術(shù)積累過(guò)程。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，管樁生產(chǎn)過(guò)程中鋼帶卷圓焊接工藝存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及可能會(huì)傷害焊接工人等問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題點(diǎn)分析

傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用的是手動(dòng)設(shè)備，從入料到產(chǎn)成品，整個(gè)過(guò)程存在大量的搬運(yùn)作業(yè)。鋼材料質(zhì)量和剛性大，導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度大[1]。鋼帶卷圓后，需要焊接成整體。傳統(tǒng)焊接工藝采用普通焊條，對(duì)工人的焊接專業(yè)技能要求較高。在焊接鋼帶接合縫時(shí)，工人需要用肉眼進(jìn)行對(duì)位，而強(qiáng)光輻射容易損傷眼睛和裸露的皮膚，引起角膜結(jié)膜炎（電光性眼炎）、皮膚紅斑癥和紅外線白內(nèi)障等職業(yè)疾病。焊接過(guò)程產(chǎn)生的反應(yīng)煙氣，容易影響工人的呼吸系統(tǒng)。

2 鋼帶卷圓焊接的設(shè)計(jì)研發(fā)

2.1 鋼帶卷圓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

卷圓設(shè)備的幾種結(jié)構(gòu)如圖1所示。

因手動(dòng)鋼帶卷圓設(shè)備中最常用的卷圓結(jié)構(gòu)是采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)初期選擇圖1（a）結(jié)構(gòu)作為設(shè)備卷圓的主體結(jié)構(gòu)。實(shí)際設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)存在以下問(wèn)題：卷圓完成后，鋼帶無(wú)法從動(dòng)力輥處脫離出來(lái)；卷圓完成后，鋼帶接合處位置無(wú)法實(shí)現(xiàn)居中定位；鋼帶以水平方式入料，要保證入料正常，需先抬高動(dòng)力輥，入料結(jié)束后動(dòng)力輥再恢復(fù)原位，而動(dòng)力輥上面的空間大小有限，難以實(shí)現(xiàn)大幅度動(dòng)作[2]。

圖1 卷圓設(shè)備的幾種結(jié)構(gòu)

經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，圖1（b）結(jié)構(gòu)與圖1（a）結(jié)構(gòu)存在相同的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不斷設(shè)計(jì)和調(diào)整，最終確定圖1（c）結(jié)構(gòu)最適合做自動(dòng)化控制。當(dāng)輪2開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，通過(guò)控制輪1的高度H1和距離L1，可以改變鋼帶的卷圓半徑，從而達(dá)到想要的鋼帶卷圓后的圓度尺寸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[3]。

2.2 鋼帶卷圓居中定位結(jié)構(gòu)研發(fā)

鋼帶從平直狀態(tài)彎曲成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求的圓形狀態(tài)是一種材料形變的過(guò)程[4]，最終成品狀態(tài)的鋼帶需要達(dá)到國(guó)標(biāo)的尺寸要求，還需要方便后續(xù)焊接等工藝作業(yè)。

設(shè)計(jì)研發(fā)的兩種結(jié)構(gòu)方式如下。第一種結(jié)構(gòu)方式是通過(guò)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的周長(zhǎng)確認(rèn)鋼帶進(jìn)料的長(zhǎng)度。此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，主動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)鋼帶也在前進(jìn)。但是，實(shí)際使用時(shí)，鋼帶與主動(dòng)輪接觸面存在打滑的可能性。鋼帶進(jìn)料時(shí)會(huì)存在偏差，導(dǎo)致圓形狀態(tài)時(shí)不能閉合。第二種結(jié)構(gòu)方式是采用機(jī)械定位方案，定位結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)引裝置，保留主動(dòng)輪但不作長(zhǎng)度計(jì)量，導(dǎo)引結(jié)構(gòu)下面安裝定位片，在鋼帶卷圓完成后，用三面定位結(jié)構(gòu)（含側(cè)推輪、壓輪、主動(dòng)輪和伺服電機(jī)）將鋼帶的兩端面壓在居中片上進(jìn)行定位。樣機(jī)測(cè)試證明，采用機(jī)械定位方案，能夠完美滿足技術(shù)需求。

圖2 鋼帶卷圓居中定位結(jié)構(gòu)

2.3 鋼帶對(duì)中接合的結(jié)構(gòu)研發(fā)

在鋼帶卷圓居中定位完成后，需要接合焊接兩端面。這個(gè)環(huán)節(jié)要求圓形狀態(tài)鋼帶的兩端接合處要平齊，使鋼帶兩端焊接接合時(shí)牢固平整[5]。

鋼帶卷圓居中定位后，設(shè)計(jì)一結(jié)構(gòu)從上面往下壓緊圓形鋼帶，同時(shí)左右兩側(cè)用壓緊機(jī)構(gòu)壓緊。此時(shí)進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，左右側(cè)鋼帶形狀出現(xiàn)圓度差異，鋼帶兩端接合處不平整且有間隙，不良率達(dá)到了32%左右。這需要保證鋼帶的各位置硬度和平整度等一致，導(dǎo)致可適應(yīng)性低，成本投入大。當(dāng)右側(cè)固定壓緊不動(dòng)而左側(cè)用伺服電機(jī)做控制精度調(diào)整時(shí)，鋼帶卷圓后兩端接合處閉合靠攏定位精準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

經(jīng)過(guò)50組樣品測(cè)試，圖2方案滿足實(shí)際生產(chǎn)制造需求，實(shí)際合格率達(dá)到99.5%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼帶卷圓居中接合。

2.4 鋼帶卷圓居中接合后的焊接方案

目前，可適用的焊接方案有二氧化碳保護(hù)焊、氬弧焊和激光焊接[6]。其中，二氧化碳保護(hù)焊有焊渣飛濺和煙塵，不適合在小空間的機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)做焊接。激光焊接需要的空間大，而且成本高。氬弧焊不需要大空間，也無(wú)飛濺和煙塵等問(wèn)題，是首選的合適焊接方案。

2.5 焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)

鋼帶卷圓居中接合后，要把兩端焊接形成一個(gè)完整、牢固和標(biāo)準(zhǔn)的圓形鋼帶。此過(guò)程需要克服幾個(gè)難點(diǎn)：第一，鋼帶接合處需要平整不能有重疊；第二，焊接過(guò)程需要自動(dòng)完成；第三，焊接完成后需要自動(dòng)出料。

針對(duì)以上問(wèn)題，解決方式如下。第一，結(jié)合圖2的結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制側(cè)推平移結(jié)構(gòu)自動(dòng)適應(yīng)鋼帶兩端的接合點(diǎn)，避免出現(xiàn)重疊。第二，設(shè)計(jì)絲杠結(jié)構(gòu)控制焊槍運(yùn)行路線和速度，通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置參數(shù)，結(jié)合可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）運(yùn)行控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過(guò)程全自動(dòng)、可量化和無(wú)人化。第三，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。焊接完成后，側(cè)推平移結(jié)構(gòu)和焊槍自動(dòng)復(fù)位，絲杠帶動(dòng)排出工位將焊接好的圓形鋼帶輸送到下一道工序。經(jīng)實(shí)際測(cè)試使用，整體結(jié)構(gòu)合理，生產(chǎn)節(jié)拍周期滿足計(jì)劃需求。

3 成套設(shè)備優(yōu)點(diǎn)分析

局部的結(jié)構(gòu)研發(fā)完成后可進(jìn)行成套設(shè)備組裝，從而形成一套全自動(dòng)鋼帶卷圓焊接設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)運(yùn)行控制，不需要人工參與，普通工人就能替代專業(yè)焊工完成，同時(shí)避免了人工作業(yè)時(shí)的弊端，減少了工位職業(yè)傷害。全自動(dòng)生產(chǎn)時(shí)，小時(shí)產(chǎn)能相對(duì)提高了2.5倍。

（2）提高了材料投入量的控制精度，減少了材料浪費(fèi)，做到了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可通過(guò)參數(shù)設(shè)置調(diào)整實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，以適應(yīng)生產(chǎn)不同的產(chǎn)品。

（3）控制系統(tǒng)可以計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行記錄和追溯生產(chǎn)情況，利于生產(chǎn)管理。

4 結(jié)語(yǔ)

全自動(dòng)鋼帶卷圓焊接機(jī)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用，是在人工作業(yè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合管樁行業(yè)的特點(diǎn)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)研發(fā)，解決了管樁生產(chǎn)中鋼帶卷圓焊接的難題。目前，整套成品設(shè)備實(shí)際應(yīng)用反饋良好。