自动直缝焊接装备的设计

单以海，赵建伟，容祖龙，刘德文

(凯龙高科技股份有限公司，江苏无锡 214153)

0 引言

在SCR催化消声器的封装工序中，筒体直缝焊接一直以来被行内视为瓶颈，严重制约生产线的效率及自动化改革，现有的直缝焊接设备结构及性能对操作人员的要求很苛刻，上料、对边、压紧、再对边、再压紧均需要手工作业来完成，这一系列辅助动作完成后才能启动焊机进行氩弧焊接。在作业过程中，出现如对边不平齐、压紧力不够，都会出现焊偏、焊漏等焊接缺陷，导致筒体报废，且作业效率低下，产能严重受制约。而且整个作业过程工作强度较大，对作业人员的身体素质要求较高，导致作业人员的可用范围严重受限，人员的稳定性较差。根据行业实际现状，结合公司产品特点，设计满足个性生产需求的自动直缝焊接装配。

1 总体方案设计

根据现有生产设备存在的不足，着重解决如何减少此过程对人工需求。运用传感器及PLC控制相结合思路取代人的作业动作，运用气动及伺服元器件匹配氩弧焊机实现自动化焊接。根据工艺验证及节拍测算，革新后的设备产能CT节拍由原来的95 s缩短至39 s、作业过程中释放了人的主导行为因素。

2 机械机构设计

直缝焊机机械部分由设备基体、上料机构、旋压机构、推取机构、焊接腔室、下料机构等组成，如图1所示。设备作业机制为：物料由上道工序流转至进料输送机构，PLC控制输送机构将筒体移栽至进料口，旋转机构夹箍筒体后旋转自动找正焊缝路径，推爪机构推动筒体进入焊接区域，焊机机构感应到信号后开始焊接作业，焊接后筒体流转至下料输送机构[1]。

图1 直缝焊机机械机构

3 控制系统设计

基于制作过程全自动化理念，电气控制系统设计采用PLC作为控制器，触摸屏实现全程动作的操作和监控。

3.1 控制系统总体方案

根据电气行业标准和物控要求设计自动移栽和焊接的电气控制系统，采用PLC作为核心控制器，系统由按钮开关控制启停，位置传感器控制物料的移栽及定位。PLC依据各种传感器在整个作业过程中的采集信息，来控制相关执行元件的动作，形成一个闭环的作业系统，实现从上料、对边、压紧、焊接、下料等全过程的自动化作业[2]。整体框架如图2所示。

图2 控制系统框图

3.2 PLC选型和控制对象设计

结合产品制作过程特点和产品技术要求以及公司现用设备PLC使用情况(公司设备PLC以三菱为主，设备工程人员已能够熟练掌握)，为便于设备的后期使用、维护、扩展改造等，此设备优先选用三菱FX3U系列PLC。根据控制系统设计方案，对PLC输入输出定义见表1[3]。

表1 直缝焊机PLC I/O分配

3.3 电气控制系统功能设计

整个产品零部件的自动作业过程为：上料—伺服推料—气缸抱夹筒体—旋转寻缝—推爪送料—焊接—下料。控制功能是自动直缝焊机是否正常工作的关键，程序设计的好坏关系到直缝焊机的使用性能。系统具有手动和自动功能。手动功能主用调机、试机，自动功能用于正常的零件生产，同时系统还具有设备诊断及故障报警功能，故障模式通过相应代码显示来实现人机交互。直缝焊机流程图如图3所示。

图3 直缝焊机流程

在设备启动后，PLC控制进料轨道传感器工作，推进机构伺服电机启动，传输皮带机带动工件沿进料轨道将其推至进料口；当工件被推送至进料口时触发寻缝光电传感器，传感器将信号传递给辊筒旋转伺服电机和寻缝对射式传感器，PLC控制辊筒旋转伺服电机上升带动并夹紧筒体后旋转，当寻缝光电传感器信号通过筒体卷圆开口时，被寻缝对射式传感器感应到时，PLC控制辊筒旋转伺服电机停止旋转，此时，工件上需要焊接的缝隙将被固定(该步动作替代原有直缝焊机人工对边的工步)；PLC程序中插板气缸传感器发出指令信号给插板机构和推爪机构，插板插入该工件需要焊接的缝隙中；PLC控制推爪机构运动至工件最左端，将工件缓慢推入焊接腔室，当工件运动接触到插板对射传感器时，PLC控制插板机构下降，与工件分离，推爪机构继续推进工件前行[4-5]。

当工件运动至焊接腔室端部碰触主轴端部接近开关时，接近开关发出信号给焊枪升降开关，PLC控制焊枪升降开关启动，焊枪下降至工件焊缝上边沿，并触发焊机作业对射传感器；焊机作业对射传感器接收到指令后，PLC控制启动焊机开始作业，推爪机构按照程序设定的速度推动工件进行焊接；当推爪机构运动至焊枪升降传感器下方并触发该传感器时，PLC控制焊枪停止焊接并上升回归零位；此时工件已经焊接结束并运动至出料轨道上，推爪继续后退复位。

4 结束语

根据现场实际情况进行革新设计后，在满足工艺要求前提下，采用PLC控制，大大提高了直缝焊机的操作便利性及运行可靠性，减轻了工人劳动强度，提升产线效率。经过对其在临界参数条件下多次验证，均圆满地实现初始设计要求，设备满足筒体长度在300～1 200 mm之间的无缝切换，新增产品只需在PLC控制程序中输入参数、保存即可完成，下次再生产该机型时直接调取程序即可。

该款直缝焊机的开发使用，为汽车后处理器的生产企业解决一道顽固之疾，焊接质量相比之前手工作业，焊缝成型饱满，均匀；焊接效率翻倍提升；该设备同时可运用到相关产业链(电热水器内胆、汽车油箱、空调制冷等)。

后续该设备将进行新的技术革新，配备激光焊接技术，激光焊接技术已经经过多方论证并成熟，采用新技术后，该直缝焊机性能及效率提升的空间将进一步增强。