龙门式自动焊接机开发

梁国勇 阎嘉琪 王晓霞

摘 要：针对手工焊接的弊端，研制了一种龙门式自动焊接机，介绍了其性能特点，CNC系统的硬件、软件构成与焊接过程，试验证明，其焊接的产品外观整洁，加工尺寸有保证，焊接精度高，为企业降低成本，提高了效益。

关键词：龙门式；自动；焊接

焊接作为一种先进的制造工艺技术，已发展成为融材料学、冶金学、自动控制学、检验学等学科为一体的综合性学科。焊接技术正逐步集成到产品的全生命周期，其应用范围不仅包括石油化工、机械电力、航天航空等行业，还扩大到通讯工程、医疗器械、电子器件等领域。

1 龙门式自动焊接机产生背景

手工焊接加工要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平，另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。焊接时，有经验的焊工根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊点及焊接轨迹的变化，所以，焊接是有一定技术含量的工作岗位，产品的焊接质量和产量受到焊接工的工艺水平、焊接技能和速度的限制，对企业来说，要招聘一个熟练的焊接工，还存在成本核算问题。自动焊接机，不但可以减轻工人的劳动强度，缩短焊接时间，在提高产品质量的前提下，产品产量也大幅度提高，可以给公司带来极为可观的经济效益，受到企业的追捧。然而，高成本的自动焊接机，对小微企业来讲遥不可及，所以研制适合小微企业的成本合理的自动焊接机，将有良好的开发前景和社会效益。《2015中国高等职业教育质量年度报告》首次采用了“服务贡献表”，引导高职院校更加注重服务区域和中小微企业发展，本课题研制了一款应用于汽车部件、自行车零件、大中型的板材拼接焊接的自动焊接机，能完成平面自动焊接，主要服务于小微企业，弥补当今社会发展的空白。

2 龙门式自动焊接机的结构与性能

2.1 龙门式自动焊接机的结构

该自动焊接机主要由支架、立柱、横臂、升降机构、控制箱等组成，如图1所示。支架为铝型材连接件，矩形导轨结构形式，由伺服电机直接联接丝杠带动立柱实现直线移动；立柱为方形铝型材，立柱顶端为横臂，由伺服电机直接联接滚珠丝杠传动机构，丝杠连接横臂的滑板机构，滑板机构外连接升降机构，横臂另一侧固定在立柱上另加配重保证平衡。升降机构由平行铝型材为支架，由伺服电机直联丝杠带动外连接板（电焊枪）实现直线移动，其运动速度可根据需要任意调节。控制箱由数字控制系统伺服控制、伺服控制系统、强电控制系统组成，控制箱有人机对话装置可根据焊接形状进行编程实现自动加工。由伺服控制系统的控制立柱、横臂、升降机构的移动可实现电焊枪平面轨迹的移动焊接。

2.2 龙门式自动焊接机的性能

自动焊接机进行结构设计时，采用龙门式立柱结构，外形尺寸为2000mm×1300mm×1800mm。彌补了悬臂焊接机臂力不足和加工范围受限制的不足，大幅度降低操作者的劳动强度，提高了生产效率，改善了工作条件。自动焊接机最大焊接长度1600mm，最大焊接宽度800mm，最大焊接高度300mm。焊接数控系统采用标准ISO代码，可实现手工编程或自动编程，具备了焊接轨迹动态仿真功能。

3 龙门式自动焊接机的焊接过程

龙门式自动焊接机主要用于汽车部件、自行车零件、大中型的板材拼接自动焊接，该机结构先进，功能齐全，操作方便，对提高焊接质量起了可靠的保证作用，其焊接过程如下：

1）将电气箱上的电源开按钮按下，将电源接通，进行各电器按钮操作，试行走时要确保导轨上无障碍物。

2）拨动横臂升降开关，使横臂伸缩 升到最高点或最低点，监视行程开关是否动作。拨动横臂伸缩开关，使横臂伸以最长点和最短点，查看行程开关是否动作。如果有任何一路限位发生卡阻，只要立即按下总停按钮，使所有接触器都处于断路状态，然后检修，确保人身安全。

3）将工件安装在工作台上，运用基准工具进行焊接位置的测量，并设置焊接参数和编程原点。

4）焊接手动/自动编程，并实现动态仿真。

5）龙门式自动焊接机对工件进行自动焊接，实时观测焊接速度、焊接轨迹，保证焊接质量

6）设备在使用完毕后，将横梁降到最下端，把横臂平衡，保持重心稳定，然后切断电源。

需要注意的是：该机在作各种功能的运动时不得出现抖动，停顿或异常声响，如有应立即停车，检查消除故障。不论作伸缩或升降，行走等运动，在需要改变方向时，首先必须拨到停止位置，等电机停止转动后，然后再改变方向。

4 龙门式自动焊接机数控系统的構成特点

龙门式自动焊接机采用了目前市场自主研发的经济型数控系统TSNC-SX-B1M数控系统，对自动焊接机进行系统设置，大大降低了自动焊接机的成本，容易被小微企业接受，为企业降低成本，提高效益。TSNC-SX-B1M具有以下技术特点：

1）集成度高，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性高。

2）屏幕分辨率为800×480的7英寸LCD彩色显示器，中文显示，界面友好、操作方便。

3）加减速可调，可配套步进驱动器或伺服驱动器。

4）系面板前置U盘接口和UART串口，利用U盘可实现程序、参数等数据的存储和系统软件升级。

5）完善的自诊断功能，内部、外部状态实时显示，出现异常立即报警。

6）刀具轨迹图形显示，全中文操作界面，完整的帮助信息，操作更方便。

7）可变电子齿轮比，应用方便。

TSNC-SX-B1M数控系统具备插补功能、进给功能、刀具功能、主轴速度功能、辅助功能，配备操作面板、界面显示及数控的修改与设置、手动/手轮操作、自动运行、程序存储于编辑介绍，系统按照图、接口定义、参数表等，可以让用户轻松学习、使用。

5 结论

自动焊接机采用龙门式立柱，弥补了悬臂焊接机臂力不足和加工范围受限制的不足，能同时实现平面直线和曲线的自动焊接，避免了重复装夹带来的误差，可靠性高，结合目前市场自主研发的品牌数控系统，对自动焊接机进行系统设置，大大降低了自动焊接机的成本，提高了焊接精度。

本次设计的龙门式自动焊接机为某汽车座椅生产企业进行焊接工作，为其节省工序人力50%，每年节省人员工资20万元以上；为公司节省由于人为焊接错误造成的废品5万元以上；提高生产效率200%，保证了产品的外观整洁，其加工的外形尺寸得到的保证，得了客户的认可，每年产生经济效益达到60万元以上，总计为该公司每年创效85万元以上。

参考文献：

[1] 盖雨聆，等.3轴联动数控焊接机设计研究.起重运输机械，2010（4）：91-93.

[2] 杨丽，等.数控环缝自动焊接机设计.焊接设备与材料，2013，3：38-40.

[3] 机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

基金项目：

2015年度天津冶金职业技术学院科研计划立项课题“龙门式自动焊接机设计与制造”（课题编号：201501）。

作者简介：梁国勇（1977-），天津人，天津冶金职业技术学院高级技师，实训中心主任，本科，主要从事机械加工、数控加工技术方面的教学和科研工作。