陳明輝 陳海燕 劉德華

摘 要：本文根據(jù)手動焊接機(jī)焊接勞動力強(qiáng)、效率低的問題，對手動焊接機(jī)改型成自動焊接機(jī)，對焊接機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，指出了各零部件的空間運動情況，對焊接機(jī)力學(xué)分析時選用的方程進(jìn)行了闡述，在控制系統(tǒng)上對各機(jī)構(gòu)運動的先后順序進(jìn)行了設(shè)計，設(shè)計出電動相連的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠提高焊接位置準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：齒條；焊接機(jī)；伺服控制；5自由度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.005

0 引言

焊接技術(shù)在汽車、造船、航天飛機(jī)等多種機(jī)電產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。焊接技術(shù)主要包含兩大類：一類是人工焊接，這種焊接技術(shù)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量受人為因素的影響很大；一類是自動化焊接，這種焊接技術(shù)適合大批大量生產(chǎn)，焊接質(zhì)量高效率高。當(dāng)時的自動焊接機(jī)有焊接機(jī)器人焊接機(jī)、龍門焊接機(jī)、雙爪焊接機(jī)。本焊機(jī)是齒條焊接機(jī)，被焊接工件是一種齒條刀具，齒條頂部很容易磨損，因此刀尖處焊接硬質(zhì)合金刀尖。

1 焊接機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)分析

1.1 焊接機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

齒條自動焊接機(jī)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、伺服控制部分、圖像采集部分組成。該焊接機(jī)以點對點形式實現(xiàn)準(zhǔn)確焊接的設(shè)備。圖1所示為焊接機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，是焊接中的執(zhí)行構(gòu)件，4齒條是待焊工件，它是一種切削設(shè)備。如果齒條刀尖是普通鋼材做成，在切割時很快會磨損掉，因此在4齒條每個齒頂處焊接硬質(zhì)合金3刀頭，在焊接時需要4齒條能夠在X軸上實現(xiàn)橫向移動。3作為刀尖的焊絲為250mm長圓柱形狀，在焊接時要求能夠?qū)崿F(xiàn)Y軸移動。2切割片能夠?qū)崿F(xiàn)Z軸運動。為了讓刀尖前角為正，3焊絲需要能夠?qū)崿F(xiàn)B軸轉(zhuǎn)動。在焊槍的尾端設(shè)有空間可調(diào)的三段夾持機(jī)構(gòu)，焊槍利用彈性螺母還可實現(xiàn)C軸的轉(zhuǎn)動微調(diào)。設(shè)計此焊接機(jī)可實現(xiàn)X、Y、Z軸移動，B、C轉(zhuǎn)動，共5個自由度運動，每個自由度控制由單一電機(jī)實現(xiàn)，從而實現(xiàn)焊接過程的點對點執(zhí)行元件的控制。

1.2 焊接機(jī)力學(xué)分析

焊接機(jī)力學(xué)分析法有正問題研究和逆問題研究兩大類：正問題是知道焊接機(jī)執(zhí)行構(gòu)件的力矩，求解位移、速度等；逆問題是知道執(zhí)行元件的位移、速度，求解力矩等。本機(jī)型是實現(xiàn)自動化對點焊接，已知位移、速度，所以采用逆問題研究方法。

逆問題分析法要選用動力學(xué)分析方程，方程有高斯方程、凱恩方程、牛頓方程，拉格朗日方程。由于本機(jī)型要用三維軟件進(jìn)行模擬，做近似分析，拉格朗日方程是不封閉的可以做近似分析，因此選用拉格朗日方程。

2 焊接機(jī)控制系統(tǒng)的建立

隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前焊接機(jī)控制系統(tǒng)主要包括基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)、基于可編程控制器的數(shù)控系統(tǒng)（PLC）、基于工業(yè)計算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)（工業(yè)PC）。工業(yè)PC能具有可視化的人機(jī)對話功能、良好的通信接口功能，本焊接機(jī)要求實現(xiàn)加工狀態(tài)實施監(jiān)控、加工不同零件的參數(shù)化調(diào)節(jié)的功能，因此在控制系統(tǒng)的前端使用工業(yè)PC控制。PLC對執(zhí)行元件的適應(yīng)性強(qiáng)、與PC的具有良好的接口功能，因此本模型下端控制系統(tǒng)采用PLC控制。在本焊接機(jī)PLC控制中，實現(xiàn)焊接精度高、效率高是控制的重點。焊接機(jī)的X軸、Y軸、Z軸機(jī)構(gòu)對焊接部件的精度、效率有著重要影響。本齒條焊接機(jī)控制的先后順序依次是：X軸4齒條移齒、Y軸3焊絲送料、C軸1焊接爪擠壓、C軸1焊接爪焊接、C軸1焊接爪焊接復(fù)位、X軸和Z軸2切割片切割、X軸和Z軸2切割片復(fù)位、C軸1焊接爪擠壓復(fù)位、Y軸3焊絲復(fù)位、Y軸3焊絲轉(zhuǎn)動。

焊接機(jī)的三軸運動采用圖2所示的全閉環(huán)控制，將反饋環(huán)節(jié)直接接到工作臺上，電動機(jī)設(shè)有應(yīng)變片可以采集信號，將得到的信號與初始值進(jìn)行比較，從而使控電機(jī)做出加減動作。將位置調(diào)節(jié)器換成速度傳感器就可以實現(xiàn)對焊接工件速度的控制。

3 結(jié)論

本文對齒條自動焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，重點對各零部件的運動進(jìn)行了分析，對焊接機(jī)的力學(xué)分析時選用的方程進(jìn)行了闡述，在控制系統(tǒng)上對各機(jī)構(gòu)運動的先后順序進(jìn)行了設(shè)計，設(shè)計出工作臺相連的的全閉環(huán)環(huán)控制系統(tǒng)，能夠提高焊接位置準(zhǔn)確性。

課題來源：河北省教育廳青年基金項目。課題編號：QN2017360

作者簡介：陳明輝（1986-），碩士研究生，助教，主研方向：機(jī)械設(shè)計及數(shù)字控制。