风机自动化焊接技术研究

崔中慧

摘 要：风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。其广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却等。焊接作业，是一种有害的工种，焊接过程中所产生的烟尘、弧光和高温直接损害焊工的身体健康，而且手工焊接很难持续保持稳定的焊接质量，另外手工焊接的低效率往往成为工厂进一步发展的最大障碍。针对风机外壳的焊接作业，设计了风机外壳焊接工作机。文章对风机外壳焊接工作机进行了总体及控制系统设计，并搭建试验台，验证设计方案的可行性与可靠性。

关键词：三轴联动；数控系统；风机

近20年来，焊接工艺已发展成为一种先进的制造技术，它在各工业部门生产中所发挥的作用越来重要，应用范围迅速扩大。但必须注意到，焊接作业，特别是弧焊是一种有害的工种，焊接过程中所产生的烟尘、弧光和高温不仅直接损害焊工的身体健康，而且还污染生产车间的环境；其次，手工操作的弧焊作业是一种繁重的体力劳动，不仅劳动强度大，且还受弧光和高温的辐射，容易疲劳，不能坚持长时间的连续工作。因此，由于人体生理上的原因，手工焊接很难持续保持稳定的焊接质量。在现代工业生产中，随着焊接结构向大型化、重型化、高参数化和精密化方向的发展，对产品的焊接质量也提出了愈来愈高的要求，若只借助手工操作就很难达到高质量标准的要求。在某些大型焊接工程或大批量工业生产中，手工操作的低效率往往成为按期完成预定生产计划的最大障碍。焊接生产过程的机械化和自动化是焊接结构制造工业现代化发展的必然趋势。

1 刚性自动化焊接设备

刚性自动化焊接设备亦可称为初级自动化焊接设备，其大多是按照开环控制的原理设计。虽然整个焊接过程是由焊接设备自动完成的，但对焊接过程中焊接参数的波动不能进行闭环的反馈控制，焊接机头或焊件的运动只能按照预先规定的路径进行，而不能随机纠正可能出现的形位偏差，操作工还需目测监视焊头运动的方向、焊丝（电极）对准接缝的偏差和焊接参数的变化，并作适当的手工调整。这种初级化自动焊接设备还称不上真正意义上的自动化焊接设备，但与机械化焊接设备相比，已前进了一大步，在焊接结构的生产中已得到较广泛的应用。

2 自适应控制自动化焊接设备

自适应控制自动化焊接设备是一种自动化程度较高的焊接设备。它配用高度灵敏传感器和电子检测线路，对焊接的轨迹自动导向和跟踪，并对主要焊接参数实行闭环的反馈控制。通过对焊接参数的程序控制，可以实现焊接过程的全程自动化。对焊接过程中可能出现的偏差能以最快的速度予以自动纠正，使焊接熔池始终保持良好的状态。焊接过程中能持续稳定维持预置的各重要焊接参数，无需操作工随机监视和手工调整。使用这种自适应控制的焊接设备时，操作工只需在焊接前作必要的预调整和焊接参数的设置，设备启动焊接后，操作工不必再干预。整个焊接过程将按预置的程序和工艺参数自动完成。

3 智能化自动焊接设备

智能化自动焊接设备是一种具有人类某些智能而实现焊接过程的过度自动化的最新一代先进焊接设备。它利用各种高级传感原件，如视觉传感器、触觉传感器、光敏传感器、听觉传感器和激光扫描器等，并借助计算机软件系统、数据库和专家系统而具有识别、判断、实时监测、运算、自动编程、参数优化、自动编排焊道顺序、焊接参数存储和调用及自动生成焊接质量记录文件等功能。这种智能化自动焊接设备已能部分取代焊接工程师的工作。在焊接产品焊缝之前，焊接操作人员只需在人机界面或在控制面板上输入焊件的原始数据，焊接工艺参数即能自动生成。

3.1 焊接工作机机械结构主要由焊枪夹持机构、风机外壳夹具、十字滑台、旋转工作台、送丝机和机架六部分组成，本文主要针对焊枪夹持机构、风机外壳夹具和机架三部分进行具体的结构设计，对十字滑台不做具体的结构设计，对于送丝机及焊机电源等则直接使用厂家现有设备，不做任何机构设计。利用三维软件Pro/E对焊接工作机进行三维建模并进行简单的运动学仿真分析。

控制系统采用华中数控的世纪星铣床数控系统“HNC-18xpM”，通过对数控系统的三个进给轴的控制来驱动十字滑台带动焊枪移动和旋转工作台带动风机外壳旋转，从而实现控制焊枪相对风机外壳做焊接运动的操作。主要工作包括系统电气结构的接线、控制程序的编写及调试。要求工作机可在运动范围内任意确定表面内完成焊接功能，焊接时保证焊枪与焊接表面垂直，工作机可依据给定工件的尺寸和形状自动完成焊接作业。搭建试验台以验证设计方案的合理性和可靠性。

3.2 由焊接工作机运动方案可知，系统需要实现三轴联动的功能，即各个轴以一定的运动规律相互配合完成风机外壳的焊接，整个系统的运动精度不高，选用三个步进电机分别驱动三个轴的运动。控制系统选用华中数控的世纪星铣床数控系统“HNC-18xpM”，其有一个主轴运动，三个进给轴运动，三个进给轴可实现三轴联动的功能，可通过对数控系统的三个进给轴的控制来驱动十字滑台带动焊枪移动和旋转工作台带动风机外壳旋转，从而实现控制焊枪相对风机外壳做焊接运动的操。

3.3 焊枪的移动是靠十字滑台带动的，其传动机构采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠传动的特点是传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长、运动具有可逆性但不能自锁。使用滚珠丝杠副传动可保证得到较高的运动控制精度，但是对于Z方向的垂直滑台必须安装制动器，防止运动结束后滑块在自身重力下下滑。

X和Z向滑台的行程根据工件尺寸和焊接时焊枪相对工件的运动方式确定。最大工件670-1边缘距回转中心的最大距离为1059mm，最小工件450-8mm边缘距回转中心的最小距离为300，而Z向滑台的行程应该大于最大距离与最小距离的差值（即为1059-300=759mm）759mm，取Z向滑台有效行程为800mm。X向滑台的行程为最大工件（即670-1）在X方向的焊接行程（635+576=1211）1211mm，取X向滑臺有效行程为1400mm。X和Z向滑台都采用导程为5mm的滚珠丝杠，矩形滚动直线导轨导向，其中Z向滑台安装有配重块，以抵消由于滑块处受力所引起的对X滑台处的倾覆力矩。滑台起支撑作用处大部分采用铝合金板以减轻机构自身的重量。Z向滑台最大负重为30Kg，滑板工作面与地面垂直，步进电机驱动，定位精度。X向滑台最大负重为Z向滑台+30Kg，滑板工作面与地面平行，步进电机驱动，定位精度。

4 完成了焊接工作机的原理与方案设计，提出了两种运动方案，对各方案的优缺点进行了比较并选择出工件立着，两个焊枪同时焊接的最优方案。完成了焊接工作机的结构设计。对焊枪夹具、工件夹具、机架及相关零件分别进行了具体的结构设计以及必要的计算，对十字滑台和转台进行了选定。进行了步进电机的选择和校核，并对压紧弹簧进行了计算。完成了机构的整体设计。进行了焊接工作机的驱动系统和控制系统设计，完成了焊接工作机的运动轨迹设计，然后对HNC-18xpM在焊接工作机中的应用作了具体介绍，画出了系统接线图，对数控系统的参数进行了设置，完成了控制程序的编制。建立了焊接工作机的PRO/E三维模型，并进行了运动学分析。完成了焊接工作机的装配过程与调试过程，对工件进行了焊接，焊接质量良好。

进行了方案的总体设计，提出两种运动方案，并对比两方案的优缺点选择了以方案二为基础的工件立放，龙门式结构两焊枪同时焊接的方案。运动方案确定后，对方案进行了详述。包括机架方案、十字滑台、转台、焊枪夹具和工件夹具。为下一步结构的设计做好准备。