李海霞

摘要：在人工成本不斷攀升、原材料價格上漲及同質(zhì)化競爭加劇，對于勞動密集型的中國制造而言，工業(yè)自動化設(shè)備的應(yīng)用成為最好的解決之道，也是必然的趨勢。本文從智能化焊接設(shè)備的需求為切入點，解讀現(xiàn)階段國內(nèi)數(shù)控焊床的結(jié)構(gòu)特點與局限性，并提出本文所設(shè)計的平面凸輪廓數(shù)控焊床結(jié)合了智能化焊接技術(shù)的特點，基于計算機、控制等信息處理新技術(shù)，將人工智能與焊接工藝有機結(jié)合，實現(xiàn)焊接工藝制造的技術(shù)

一、技術(shù)背景

焊接是一種將材料永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬噸巨輪到不足1克的微電子元件，在生產(chǎn)中都不同程度地依賴焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命以及生產(chǎn)的成本、效率和市場反應(yīng)速度。傳統(tǒng)的機械焊接雖然設(shè)備簡單、操作靈活適用面廣，但是生產(chǎn)效率低，工作環(huán)境差，勞動強度高。在人工成本不斷攀升、原材料價格上漲及同質(zhì)化競爭加劇的今天，焊接制造領(lǐng)域也面臨著難以支撐、環(huán)境壓力加大、用戶需求提高、貿(mào)易摩擦平發(fā)、市場競爭激烈、人工成本增加和運營費用增加等一系列難題，焊接裝備智能化已勢不容緩。

目前工業(yè)上的數(shù)控焊床為三軸數(shù)控焊床，對工件進行焊接時，工件卡在焊床上，焊槍在X軸、Y軸及Z軸方向直線移動，使焊槍沿著焊縫的軌跡運行，以達到焊接目的。但由于這種焊床存在焊槍姿態(tài)控制軸，這種焊槍姿態(tài)控制軸不具備對焊槍的姿態(tài)角的實時調(diào)節(jié)機制，因此從焊床機構(gòu)的角度來看只能焊接直焊縫，或者大直徑環(huán)縫，無法滿足曲線焊縫的焊接工藝要求。

二、裝置描述

如圖1所示，平面凸輪廓數(shù)控焊床與數(shù)控車床結(jié)構(gòu)有些相似，其結(jié)構(gòu)包括：機架、主轉(zhuǎn)軸、夾持機構(gòu)、焊槍系統(tǒng)及控制系統(tǒng)五大部分組成。該設(shè)備由Y、A、A′三個軸組成，其中A軸是控制待焊接工件繞X軸旋轉(zhuǎn)，A′軸控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動。該設(shè)備的設(shè)計實現(xiàn)了部分曲線焊縫的數(shù)控焊接問題。

三、設(shè)計思路

根據(jù)工件輪廓形狀，設(shè)計一種凸輪廓三軸曲線焊接機床，根據(jù)數(shù)控多軸控制系統(tǒng)中RTCP功能，利用平行四連桿機構(gòu)根據(jù)焊槍角度隨焊接軌跡變化實現(xiàn)焊槍與工件之間實時確保法矢關(guān)系。并利用控制系統(tǒng)實現(xiàn)焊槍在焊接過程根據(jù)焊接軌跡變化對焊槍速度、電流的控制。

四、設(shè)計方案

如圖2所示為平面凸輪廓數(shù)控焊床，包括：控制待焊接工件繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，Y軸，控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動的A′軸。使用該數(shù)控焊床焊接待焊接工件時，待焊接工件在A軸的控制下旋轉(zhuǎn)，與此同時，Y軸及A′軸進行聯(lián)動，其中A′軸可以控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)焊槍的焊接角度。

焊接工件時，工件在A軸的控制下旋轉(zhuǎn)，與此同時，Y軸及A′軸進行聯(lián)動，其中A′軸可以控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)焊槍的焊接角度，使焊槍沿焊縫移動的過程中根據(jù)焊縫的曲率變化實時調(diào)整姿態(tài)角，滿足焊接工藝要求。

平面凸輪廓焊接原理：如圖3所示，將將平面凸輪廓焊縫V放置于平面為XYZ-O坐標系的YZ-O平面上，并將選定一平面凸輪廓的回轉(zhuǎn)軸作為待焊接工件的回轉(zhuǎn)軸且該回轉(zhuǎn)軸與X軸重合，焊接時工件旋轉(zhuǎn)，焊接點在Y軸上滑動，且鎢極W與過焊接點的輪廓線的法線保持一設(shè)定角度，通常該設(shè)定角度為O°。

在這里我們引出了一個概念，平面凸輪廓，所謂平面凸輪廓即如圖4所示，平面上一輪廓線V，如果在平面上存在點O，過O點在平面上做任意射線S，如果任意射線S至多與輪廓線V有一個交點，則稱該輪廓線V為平面凸輪廓。稱O點位平面凸輪廓回轉(zhuǎn)中心。過O且與輪廓線V所在平面垂直的直線稱之為回轉(zhuǎn)軸。一個平面凸輪廓可能有無數(shù)回轉(zhuǎn)中心，因此同時存在無數(shù)回轉(zhuǎn)軸。

對以上工作原理有了了解后，接下來就其具體結(jié)構(gòu)進行分析，如圖5所示。

機架：在整個焊床機構(gòu)中主要起到支撐、安裝和穩(wěn)固的作用。

主轉(zhuǎn)軸：即A軸，包括機架上的主軸和與主軸連接并可驅(qū)動其轉(zhuǎn)動的驅(qū)動裝置。

夾持機構(gòu)：連接在主軸上，用于夾持焊接工件。

焊槍系統(tǒng)：A′軸所在系統(tǒng)，主要包含控制焊槍圍繞其焊尖轉(zhuǎn)動的平行四連桿機構(gòu)及傳動裝置。

控制系統(tǒng)：用于焊接軌跡的設(shè)定，實現(xiàn)三軸聯(lián)動控制的裝置。

以上五個部分構(gòu)成平面凸輪廓數(shù)控焊床的核心。下面就主轉(zhuǎn)軸以及焊槍系統(tǒng)進行詳細的闡述。

1、主轉(zhuǎn)軸（A軸）

如圖6所示，A軸上主軸驅(qū)動裝置包括伺服電機，伺服電機設(shè)置在機架上并與主軸以同步帶傳動。伺服電機的輸出軸上鍵連接有帶輪，與主軸上的帶輪帶連接，從而使伺服電機的轉(zhuǎn)動傳遞給主軸。兩個帶輪的選擇上可以考慮同步帶輪，以提高轉(zhuǎn)動動力傳遞的穩(wěn)定性。

焊接時，高電流會從主軸流到機架上，使機架與主軸之間產(chǎn)生熱熔。為了避免高電流流過支撐軸承時，對支撐軸承造成損壞，采用電滑環(huán)裝飾實現(xiàn)主軸與機架之間的連接。如圖7所示，電滑環(huán)裝置由固定在機架上道碳刷座和多個碳刷機構(gòu)組成，碳刷座套在主軸上且與主軸滑動配合；碳刷座上設(shè)置有多個環(huán)形陣列的且沿徑向延伸的碳刷腔；每一個碳刷機構(gòu)包括碳刷和彈性件；多個碳刷分別與多個碳刷腔一一配合且每一個碳刷均與主軸滑動配合；多個彈性件分別與多個碳刷一一配合且對每一個碳刷施加徑向預(yù)緊力。

主軸在轉(zhuǎn)動的過程中，彈性件對碳刷施加徑向預(yù)緊力，使碳刷與主軸時刻接觸并滑動，而碳刷與固定在機架上的碳刷座電連接，則主軸的電流會經(jīng)過碳刷及碳刷座流到機架上，從而可以避免主軸與機架之間采用軸承而使軸承產(chǎn)生熱熔。

2、焊槍系統(tǒng)（A′軸）

焊槍系統(tǒng)由焊槍及控制焊槍圍繞其焊頭轉(zhuǎn)動的平行四連桿機構(gòu)組成，焊槍可拆卸地設(shè)置在平行四連桿機構(gòu)上，如圖8所示。

平行四連桿機構(gòu)用來實現(xiàn)焊槍姿態(tài)與焊縫之間法矢關(guān)系，即數(shù)控多軸RTCP功能。其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖9所示。

平行四連桿機構(gòu)包括兩個曲柄、連桿和延伸桿。延伸桿固定在連桿的延伸方向，傳動裝置用于將一個曲柄的轉(zhuǎn)動同步傳遞給位于延伸桿上的焊槍。焊槍的焊尖與其轉(zhuǎn)動中心的距離等于曲柄與其轉(zhuǎn)動中心的距離。根據(jù)平行四連桿機構(gòu)的特性，平行四連桿機構(gòu)的兩個曲柄在轉(zhuǎn)動過程中的位置始終不變，則使焊槍的焊尖與其轉(zhuǎn)動中心的距離等于曲柄與其轉(zhuǎn)動中心的距離，該焊槍構(gòu)成雙平行四連桿機構(gòu)的另一個曲柄，通過傳動裝置將兩個曲柄的轉(zhuǎn)動傳遞給該焊槍，則該焊槍會繞其焊尖轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)焊槍的姿態(tài)角。其中，傳動裝置可以包括兩個同步帶輪，一個同步帶輪與一個曲柄鍵連接，另一個曲柄可以與焊槍固連，則曲柄的轉(zhuǎn)動會帶動一個同步帶輪的轉(zhuǎn)動，通過同步帶的連接，另一個同步帶輪會同步轉(zhuǎn)動，從而使焊槍轉(zhuǎn)動，而由于雙平行四連桿機構(gòu)的特性，焊槍在轉(zhuǎn)動過程中，其轉(zhuǎn)動中心始終在焊槍的焊尖處。

調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)角的原理，如圖10所示。在焊接過程中，焊槍沿著焊接軌跡以一定的角度進行焊接加工。當焊接軌跡曲率變化是，需要調(diào)整焊槍角度后繼續(xù)進行焊接加工，如果直接將焊槍擺臂轉(zhuǎn)動一定的角度，使焊槍按照預(yù)定的角度焊接工件。然而擺臂轉(zhuǎn)動時，會帶動焊槍尖點位置的移動，即焊槍的位置會移動到圖10中虛線所示的偏移焊槍的位置，使焊槍的位置偏離焊接軌跡，從而影響工件的加工精度。在這里A′軸采用平行四連桿機構(gòu)，實現(xiàn)焊槍中心點控制RTCP的功能，以使焊尖位置在姿態(tài)角調(diào)節(jié)的過程中始終沿著編程軌跡運行，確保焊接的精度。

圖9中A′軸驅(qū)動裝置用于驅(qū)動曲柄繞其轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動。即該A′軸驅(qū)動裝置可以與任一個曲柄轉(zhuǎn)動連接，也可以同時與兩個曲柄轉(zhuǎn)動連接。通常A′軸驅(qū)動裝置可以選用步進電機。

3、Y軸

如圖11所示，平面凸輪廓數(shù)控焊床的y軸主要實現(xiàn)焊槍系統(tǒng)在機床上軸向移動。其主要包括絲杠、滑座和y軸驅(qū)動裝置，A′軸固定在滑座上；y軸驅(qū)動裝置與絲桿轉(zhuǎn)動配合且滑座與絲桿滑動配合。絲桿通過電機驅(qū)動在轉(zhuǎn)動的過程中，滑座與絲桿配合，則滑座將沿著絲桿的軸向方向移動，即A′軸上的焊槍會隨著滑座在y軸移動。

4、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)與A軸、Y軸及A′軸電連接。在控制系統(tǒng)中輸入預(yù)先根據(jù)焊縫軌跡所編的程序，根據(jù)程序控制A軸、Y軸及A′軸對焊槍聯(lián)動控制，從而精確的焊接焊縫。

五、結(jié)語

平面凸輪廓數(shù)控焊床的主要特征是控制待焊接工件繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸，以及控制焊槍繞其焊尖轉(zhuǎn)動的A′軸，利用平行四連桿機構(gòu)代替RTCP功能，實現(xiàn)隨著焊縫的曲率變化而實時調(diào)整焊槍的姿態(tài)角。使用該數(shù)控焊床焊接工件時，通過夾持機構(gòu)將工件夾持在主轉(zhuǎn)軸上，控制機構(gòu)控制主轉(zhuǎn)軸驅(qū)動裝置運轉(zhuǎn)，主轉(zhuǎn)軸驅(qū)動裝置驅(qū)動主轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，被夾持在主轉(zhuǎn)軸上的工件隨著主轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，與此同時，控制機構(gòu)控制焊槍系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，焊槍系統(tǒng)包括焊槍和平行四連桿機構(gòu)，焊槍系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，平行四連桿機構(gòu)控制焊槍圍繞其焊頭轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)焊槍的焊接角度，提升焊接精度高。