一種基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的全自動(dòng)刀柄碰焊機(jī)

潘新宇 伍玩秋 林毅貞

（陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，陽(yáng)江 529566）

在五金刀剪制造領(lǐng)域，金屬刀具的刀柄一般由兩塊對(duì)稱的不銹鋼刀柄手柄部件焊接而成。加工刀柄時(shí)，需要利用相應(yīng)的碰焊設(shè)備焊接兩個(gè)刀柄部件。碰焊機(jī)又稱電阻焊機(jī)，利用焊接區(qū)本身的電阻熱和大量塑性變形能量，使兩個(gè)分離表現(xiàn)的金屬原子間距離接近晶格距離，從而形成金屬鍵，并在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠的共同晶粒得到焊點(diǎn)、焊縫或?qū)咏宇^[1]。

現(xiàn)有的刀柄碰焊機(jī)設(shè)備主要存在兩類問(wèn)題：一類是刀柄碰焊機(jī)屬于半自動(dòng)化設(shè)備，焊接刀柄時(shí)需要人工上料將兩個(gè)需要焊接的刀柄元件放置一起進(jìn)行焊接，存在質(zhì)量不穩(wěn)定、自動(dòng)化程度不高、生產(chǎn)成本高以及效率低等缺點(diǎn)；另一類屬于自動(dòng)化設(shè)備，利用機(jī)械手與活動(dòng)轉(zhuǎn)盤的機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀柄激光焊接作業(yè)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，難以滿足中小型企業(yè)的需求，且仍需要人工篩選刀柄、人工參與刀柄送料，無(wú)法解決自動(dòng)送料和成品自動(dòng)輸送的技術(shù)問(wèn)題，尚未實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的全自動(dòng)化[2]。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)刀柄碰焊機(jī)。利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的各種邏輯控制功能，通過(guò)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不銹鋼刀柄焊接的自動(dòng)化，從而解決現(xiàn)有刀柄碰焊機(jī)生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題。

1 全自動(dòng)刀柄碰焊機(jī)的技術(shù)設(shè)計(jì)方案

全自動(dòng)刀柄碰焊機(jī)由刀柄自動(dòng)送料裝置、自動(dòng)焊接裝置、刀柄成品輸送機(jī)構(gòu)和控制電箱組成[3]，如圖1所示。

首先，刀柄自動(dòng)送料裝置將刀柄篩選后排序，導(dǎo)入工作臺(tái)的輸送軌道；其次，在送料裝置和重力的共同作用下，將待焊接的左右刀柄元件一起送至自動(dòng)焊接裝置工位的焊接模組；再次，焊接模組在氣缸的推動(dòng)下合攏到刀柄元件內(nèi)表面，自動(dòng)焊接裝置接通電流將兩個(gè)不銹鋼刀柄元件焊接；最后，待刀柄碰焊完成后，焊接模組縮回，刀柄成品脫離焊接模組，同時(shí)下方的電動(dòng)擋板縮回，在重力作用下將刀柄成品通過(guò)刀柄成品輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)送到下一工位。

2 刀柄自動(dòng)送料裝置的設(shè)計(jì)

刀柄自動(dòng)送料裝置由安裝座、電磁式振動(dòng)單元、右刀柄振盤料斗、選向機(jī)構(gòu)、定向機(jī)構(gòu)、左刀柄振盤料斗、二合一軌道、電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)斜軌道以及電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)組成。振盤在工程上又稱振動(dòng)盤或振動(dòng)料斗，是一種倒錐形的盤狀或圓柱容器，具有體積小、送料平穩(wěn)、出料速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)單以及成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化制造[4]。刀柄自動(dòng)送料裝置是基于振盤送料裝置開(kāi)發(fā)的。在料斗的螺旋軌道上設(shè)置專門針對(duì)刀柄結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的選向機(jī)構(gòu)和定向機(jī)構(gòu)，可以將料斗內(nèi)集中放置、姿態(tài)方向雜亂無(wú)章的刀柄按規(guī)定的方向連續(xù)輸送到焊接工位或暫存取料工位，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀柄自動(dòng)輸送和自動(dòng)定向功能。定向機(jī)構(gòu)和選向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料的技術(shù)方案如下。第一，安裝在安裝座上的電磁式振動(dòng)單元產(chǎn)生高頻振動(dòng)，在左刀柄振盤料斗和右刀柄振盤料斗內(nèi)，散亂無(wú)序的刀柄由于受到這種振動(dòng)而沿所述料斗的螺旋軌道上升至選向機(jī)構(gòu)和定向機(jī)構(gòu)。若符合所需姿態(tài)的刀柄則通過(guò)，否則跌落振盤料斗內(nèi)重新爬升。第二，符合姿態(tài)的刀柄有序進(jìn)入二合一軌道，由于電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)的擋板升起，擋板擋住后面的刀柄，使刀柄前端與擋板對(duì)齊。第三，當(dāng)擋板下降時(shí)，左刀柄和右刀柄在刀柄自動(dòng)送料裝置送料的作用下同時(shí)進(jìn)入斜軌道。第四，電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)的擋板再次升起，擋板后面的刀柄控制電箱送料裝置和電動(dòng)擋板動(dòng)作，以保證每次進(jìn)入斜軌道的刀柄為配對(duì)刀柄。斜軌道是指有特定長(zhǎng)度的封閉軌道且中間設(shè)置有一定長(zhǎng)度的隔板。電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)的擋板伸出并配對(duì)刀柄塊，在重力作用下進(jìn)入封閉軌道到達(dá)預(yù)焊接位置。

3 自動(dòng)焊接裝置的設(shè)計(jì)

碰焊機(jī)焊接原理是利用焊接模組正負(fù)兩極在瞬間短路時(shí)產(chǎn)生的高溫電弧融化被焊的兩個(gè)材料，以達(dá)到兩個(gè)材料結(jié)合的目的[5]。

刀柄碰焊時(shí)產(chǎn)生的熱量Q為：

式中：Q為產(chǎn)生的熱量，J；I為焊接電流，A；R為電極間電阻，Ω；T為焊接時(shí)間，s。

焊接刀柄和電阻示意圖，如圖3所示。

焊接電阻R為：

式中：Re1、Re2分別為焊接模組內(nèi)阻；Rc1為左焊接模組與左刀柄的接觸電阻；Rc2為右焊接模組與右刀柄的接觸電阻；Rc3為左刀柄與右刀柄的接觸電阻；Rt為焊接刀柄的電阻。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接的技術(shù)方案：第一，刀柄在電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)的擋板、斜軌道的封閉軌道、焊接模組的左模組和右模組的作用下定位；第二，焊接推進(jìn)氣缸進(jìn)一步合攏，焊接模組的左模組和右模組，使左、右刀柄碰焊面完全接觸；第三，刀柄完全定位合攏后，自動(dòng)碰焊裝置開(kāi)始碰焊工作；第四，刀柄碰焊完成后，電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)的擋板退回到初始位置，已碰焊加工的刀柄在重力作用下進(jìn)入刀柄成品輸送機(jī)構(gòu)；第五，電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)的擋板伸出，焊接模組退回到初始位置，電動(dòng)擋板機(jī)構(gòu)的擋板繼續(xù)下降；第六，擋板后面的刀柄在刀柄自動(dòng)送料裝置送料和重力共同作用下同時(shí)進(jìn)入斜軌道。

刀柄成品輸送機(jī)構(gòu)的傳送帶將已加工的刀柄輸送到下一道工序?？刂齐娤涞腜LC控制系統(tǒng)控制刀柄自動(dòng)送料裝置、自動(dòng)碰焊裝置和刀柄成品輸送機(jī)構(gòu)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

刀柄自動(dòng)送料裝置采用振盤送料裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、送料效率高以及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。利用振盤送料裝置可解決工件自動(dòng)送料問(wèn)題，刀柄利用重力作用送料進(jìn)入焊接預(yù)定位，節(jié)能且高效。該送料方案解決了傳統(tǒng)手工生產(chǎn)方式存在人工送料效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度高以及危險(xiǎn)性大的難題。焊接定位可采用擋板、斜軌道的封閉軌道、焊接模組的左模組和右模組配合工作，在重力作用下保證刀柄快速進(jìn)入焊接加工前預(yù)定位位置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低以及無(wú)須人工參與等優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)碰焊裝置采用傾斜角度焊接的方式，利用重力作用使刀柄快速進(jìn)入焊接加工前預(yù)定位位置，其左模組和右模組可以保證刀柄定位準(zhǔn)確，從而保證焊接質(zhì)量。

該設(shè)備的最大特點(diǎn)是利用重力作用送料，具有節(jié)能高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、易維護(hù)以及無(wú)須人工參與刀柄送料等優(yōu)點(diǎn)，有利于減少企業(yè)用工成本，可為我國(guó)五金刀剪企業(yè)的智能制造升級(jí)更新提供解決方案。