六工位焊接電器盒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

詹劍良　金浩哲

摘要： 針對空調(diào)用鈑金件電器盒需要對接縫處進(jìn)行焊接處理，設(shè)計(jì)了六工位高頻電阻焊接系統(tǒng)，可自由選擇人工方式和工業(yè)機(jī)器人兩種進(jìn)料模式，待焊件逐次經(jīng)過上料工位、檢測工位、焊接工位及下料工位后變?yōu)槌善?。待焊件依靠分割器?shí)現(xiàn)工位旋轉(zhuǎn)，精準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)停靠在下一道工序工位。焊接工位采取高頻電阻焊方式焊接電器盒不同接合邊。通過搭建PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對電磁閥、氣缸及焊接系統(tǒng)等控制。

關(guān)鍵詞： 電器盒; 六工位; 高頻電阻焊; PLC控制系統(tǒng)

中圖分類號： TG 454

Design of six-station welding electrical box system

Zhan Jianliang Jin Haozhe

（1. Shaoxing Vocational & Technical College， Shaoxing 312000，Zhejiang ， China;

2. Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， Zhejiang， China）

Abstract： Aiming at the need to weld the joints of electrical box of sheet metal parts used in air conditioning， a six-station high-frequency resistance welding system was designed. Manual mode and industrial robot feeding mode could be freely selected. The parts to be welded passed through feeding station， testing station， welding station and cutting station， and then become finished products. The parts to be welded relied on the splitter to realize rotation of the station and accurately rotate and dock at the next working station. High frequency resistance welding method adopted to weld different joint edges of electrical box in welding station. Through construction of PLC control system，the control of solenoid valve， cylinder， welding system was achieved.

Key words：? ?electrical box; six-station; high frequency resistance welding; PLC control system

0前言

隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速高效健康發(fā)展，企業(yè)用工成本的不斷增加，選擇機(jī)器換人和建立高水平的自動(dòng)化生產(chǎn)線能有效解決這一問題，既能減少用工需求量，又能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量[1-5]。電阻焊是將焊件組合在一起后，通過設(shè)備中的電極來施加一定壓力，再利用電流流過指定焊接區(qū)后產(chǎn)生的電阻熱瞬間加熱焊接部位，在機(jī)械力和熱力的聯(lián)合作用下完成連接[6-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，低頻焊接技術(shù)逐漸被高頻焊接技術(shù)所取代，成為產(chǎn)品品質(zhì)保障的重要焊接技術(shù)之一[8-10]。

現(xiàn)階段，中國已然成為全世界空調(diào)產(chǎn)品的制造國和消費(fèi)國，空調(diào)進(jìn)入了千家萬戶。國內(nèi)空調(diào)制造企業(yè)也建立了自動(dòng)化生產(chǎn)流水線，然而一臺空調(diào)產(chǎn)品的零部件非常多，導(dǎo)致整機(jī)產(chǎn)品制造裝配的自動(dòng)化程序不高，通常采用擴(kuò)建生產(chǎn)線來提升產(chǎn)能，進(jìn)而增加生產(chǎn)成本的投入。中國在《中國制造2025》的通知中明確提出制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，將是立國之本。提出新一代信息技術(shù)要與制造業(yè)實(shí)現(xiàn)深度融合，智能家電位列其中。朝智能制造方向發(fā)展，將是未來趨勢。

根據(jù)某企業(yè)提供的空調(diào)用電器盒，結(jié)合工藝要求，設(shè)計(jì)了一款針對此電器盒的多工位焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

1焊接技術(shù)要求

焊接件為電器盒，主要供給國內(nèi)某空調(diào)企業(yè)，在其內(nèi)部安裝PCB板，為鈑金件。該產(chǎn)品需依次經(jīng)過沖壓、折彎兩道工序后，成為待焊件。折彎之后，接合處通過焊接工序，方能使接合處牢固。采用高頻電阻焊工藝，定點(diǎn)焊接。焊接件電器盒如圖1所示。

2焊接總體設(shè)計(jì)

待焊件電器盒有人工方式和工業(yè)機(jī)器人2種進(jìn)料模式。若采用機(jī)器人進(jìn)料模式，可有效提高效率，節(jié)省人工成本，實(shí)現(xiàn)智能化。焊接設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該設(shè)備主要由控制電箱、鋁合金框架、上料工位、檢測工位、焊接工位、下料工位等組成。鋁合金框架配備亞克力透明防護(hù)罩，提供防護(hù)作用，在設(shè)備啟動(dòng)后，將待焊件電器盒放入上料工位后，夾具將夾緊工件，中間圓形分割器將電器盒逐次送到后續(xù)工位，完成檢測、焊接、下料工序。

2.1分割器設(shè)計(jì)

分割器負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)任務(wù)，分割器上均勻設(shè)置6個(gè)電器盒夾具，通過控制系統(tǒng)來保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中精準(zhǔn)地將電器盒停在對應(yīng)工序指定點(diǎn)，如圖3所示。分割器選用鋁合金材質(zhì)，直徑為1 500 mm，厚度為25 mm，要求轉(zhuǎn)位時(shí)間1.6 s/工位（1.6 s/60°）。

2.2檢測工位設(shè)計(jì)

當(dāng)分割器將待焊件運(yùn)轉(zhuǎn)定位到檢測工位時(shí)，檢測構(gòu)件在氣缸推動(dòng)下行完成檢測。檢測任務(wù)包括夾具內(nèi)是否有待焊件電器盒、是否擺放整齊，要是檢測反饋結(jié)果是沒有工件或者沒有擺放整齊，設(shè)備將停止焊接，并發(fā)出報(bào)警信號。如若沒有問題，分割器將從檢測工位旋轉(zhuǎn)到焊接工位。檢測工位如圖4所示。

2.3焊接工位設(shè)計(jì)

當(dāng)分割器將待焊件轉(zhuǎn)動(dòng)到焊接工位，將開展焊接。焊接工位共設(shè)置了3個(gè)工位，每個(gè)工位可設(shè)置8個(gè)焊接點(diǎn)，可根據(jù)用戶需求，設(shè)置焊接位置和數(shù)量，來對電器盒不同邊進(jìn)行焊接。每個(gè)焊接工位可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)和左右移動(dòng)，對焊接位置精準(zhǔn)焊接。焊接工位采用高頻電阻焊，焊接過程中瞬間放電可達(dá)20 kA電流，大電流能將金屬瞬間熔合在一起。焊接工位如圖5所示。該電器盒需要完成11個(gè)焊接點(diǎn)。

2.4下料工位設(shè)計(jì)

當(dāng)電器盒依次完成3個(gè)焊接工位作業(yè)后，分割器將其旋轉(zhuǎn)到下料工位區(qū)，如圖6所示。下料區(qū)主要由氣動(dòng)夾爪、氣缸組成，當(dāng)電器盒成品處于夾爪正下方時(shí)，由控制系統(tǒng)來驅(qū)使夾爪張開，由氣缸推動(dòng)下行，氣缸的行程正好使夾爪到達(dá)指定位置，然后夾爪閉合，氣缸上行，電器盒隨夾爪上行，回程后氣缸將水平運(yùn)動(dòng)至右端，再次張開氣爪，塑料盒掉落沿導(dǎo)向料斗自行下滑，落入到電器盒成品籃內(nèi)。

3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)是整臺設(shè)備的核心，需要對伺服電機(jī)、電磁閥、氣缸、變頻器、焊機(jī)等部件控制。PLC控制過程流程圖如圖7所示。

電器盒焊接工序是最關(guān)鍵的，在3號、4號、5號工位分別安裝有2套伺服電機(jī)模組，一共6套。同時(shí)在3號、4號、5號工位的Z軸，都配備1∶5的減速機(jī)和伺服剎車電磁，主要是Z軸向下有很大的力，為了防止伺服電機(jī)過載造成伺服報(bào)警或造成伺服電機(jī)損壞，因此配備1∶5減速機(jī)。在其X軸則配備相對較小一點(diǎn)的1∶3減速機(jī)，即可滿足需求。

考慮到有6個(gè)伺服電機(jī)，需要發(fā)6路脈沖。該設(shè)備選用的是三菱FX5U+FX5-16ET/ES-H模塊，F(xiàn)X5U本體自帶4路脈沖，再配一個(gè)FX5-16ET/ES-H模塊帶2路脈沖，湊夠6路脈沖，支持6個(gè)伺服電機(jī)。設(shè)備內(nèi)包含許多電磁閥、氣缸，需要的I/O點(diǎn)的數(shù)量也是非常多的，增添了許多的輸入輸出模塊。

伺服電機(jī)是需要設(shè)置非常多的參數(shù)及程序的，圖8就是伺服電機(jī)在手動(dòng)模式情況下的正反轉(zhuǎn)程序，其中以軸1為例，M100為正轉(zhuǎn)，M101為反轉(zhuǎn)，兩者之間必須配備互鎖功能，否則就會(huì)造成伺服還在BUSY狀態(tài)就反向動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生伺服報(bào)警，從而可能使能斷開。圖9則為伺服電機(jī)在手動(dòng)或者自動(dòng)下的回原點(diǎn)程序。每次設(shè)備開機(jī)都必須會(huì)原點(diǎn)，并對當(dāng)前位置進(jìn)行校準(zhǔn)，其作用是防止定位出現(xiàn)偏差，確保其絕對值的有效性。在執(zhí)行此程序之前還需要進(jìn)行前限位、后限位、原點(diǎn)、回原高速回原、爬行速度、加減速、中斷信號、完成信號的設(shè)置。

伺服電機(jī)要實(shí)現(xiàn)高速高精度的定位運(yùn)動(dòng)，需要完成伺服參數(shù)設(shè)定。伺服電機(jī)是屬于非常精密的設(shè)備，是以脈沖接受信號數(shù)量多少進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行定位運(yùn)動(dòng)之前，需要設(shè)置減速機(jī)的大小、前后限位、原點(diǎn)、伺服電機(jī)Z相信號、脈沖輸出選擇等參數(shù)。將圖10中參數(shù)設(shè)置完成后，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)器參數(shù)也設(shè)置好，就可以進(jìn)行伺服定位運(yùn)動(dòng)，保證焊接位置的精準(zhǔn)。

4結(jié)論

（1）六工位焊接系統(tǒng)上料工位可選擇人工或者機(jī)器上料，檢測、焊接、下料工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作。相比人工焊接完成1個(gè)產(chǎn)品所需2 min，而該系統(tǒng)只需30 s，大大提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，能節(jié)約用工成本。

（2）采用PLC來控制伺服電機(jī)、電磁閥、氣缸、焊接系統(tǒng)等，分割器實(shí)現(xiàn)工位旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)精度高。

參考文獻(xiàn)

[1]黃繼強(qiáng)， 蓋守新， 薛龍， 等. 坡口偏差厚板機(jī)器人多道焊接方法[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2020， 41（6）： 60-66.

[2]沈亮， 趙倩， 武強(qiáng)強(qiáng)， 等. 基于PLC的鎳板對接等離子弧焊過程控制[J]. 焊接， 2020（9）： 43-46.

[3]李榮， 徐富家， 李洪偉， 等. 機(jī)器人激光制造工作站數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 焊接， 2020（4）： 42-46.

[4]張雪健， 毛業(yè)兵， 楊芳， 等. 基于機(jī)器視覺的五軸坡口切割機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 焊接， 2021（2）： 14-19， 37.

[5]Zeng Qingfei， Liu Xuemei， Qiu Chengrong. Inverse kinematics and error analysis of cooperative welding robot with multiple manipulators [J].China Welding， 2020， 29（2）： 9-16.

[6]邱雪松， 肖超， 譚候金， 等. 大型機(jī)器人沖壓生產(chǎn)線多軟件聯(lián)合仿真[J]. 中國機(jī)械工程， 2016， 27（6）： 772-777.

[7]呂冬， 劉仁東， 蘆延鵬， 等. 雙相鋼馬氏體含量對點(diǎn)焊極值電流與熔核轉(zhuǎn)變規(guī)律的影響[J]. 焊接， 2020（1）： 36-41.

[8]武會(huì)賓， 劉立甫， 王立東， 等. Q125級套管鋼高頻電阻焊接頭耐CO2/H2S腐蝕行為[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2013， 34（10）： 17-21.

[9]Yin Xiaohui， He Guoqiang， Liu Sihan， et al. Effect of welding pressure on mechanical properties of resistance spot welding joint [J]. China Welding， 2020， 29（3）： 33-37.

[10]孟根巴根， 艾兵權(quán)， 王秋雨， 等. S380高頻焊管焊縫開裂分析[J]. 焊接， 2019（8）： 57-60.