彭博，熊瑞平，劉悅沆，陳貴全，侯俊逵

防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及誤差分析補(bǔ)償

彭博，熊瑞平，劉悅沆，陳貴全，侯俊逵

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

針對防護(hù)欄焊接的勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接效率低、焊接質(zhì)量低等問題，基于PLC的控制，設(shè)計(jì)一種將防護(hù)欄進(jìn)行定位裝夾后再焊接的防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)。裝夾機(jī)構(gòu)和焊槍根據(jù)防護(hù)欄型號和尺寸的不同進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使得該系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N型號與尺寸的防護(hù)欄進(jìn)行定位裝夾和自動(dòng)焊接。同時(shí)通過對焊接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行誤差分析，得出誤差函數(shù)以及曲線，再通過控制系統(tǒng)對誤差函數(shù)的處理和控制移動(dòng)機(jī)構(gòu)對誤差進(jìn)行補(bǔ)償，保證系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)焊接。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有焊接效率高、操作簡單、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

防護(hù)欄；自動(dòng)焊接；誤差補(bǔ)償

我國城市化進(jìn)程的加快，帶來了巨大的住房及商業(yè)性用房的需求，防護(hù)欄作為樓房的一種重要產(chǎn)品，每年都有巨大的需求[1-4]。當(dāng)前防護(hù)欄的焊接大量使用手工焊接的工藝，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接效率低、焊接質(zhì)量等問題。并且焊接時(shí)需要為每一個(gè)型號或尺寸不同的護(hù)欄制作一個(gè)臨時(shí)夾具，臨時(shí)夾具的精度一般較低，這樣就會(huì)降低產(chǎn)品尺寸精度。同時(shí)，在臨時(shí)夾具上安裝氣缸不具有經(jīng)濟(jì)性，所以無法對防護(hù)欄的管材施加頂緊，在焊接后管材間出現(xiàn)縫隙，需繼續(xù)對防護(hù)欄進(jìn)行修補(bǔ)原子灰和打磨處理。

隨著自動(dòng)化水平的不斷提高[5]，越來越多的工件焊接采用自動(dòng)焊接[6]。然而防護(hù)欄由于設(shè)計(jì)樣式的不同以及安裝位置的不同，在尺寸上有很大的變化，使得制作一臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備來適應(yīng)所有護(hù)欄的焊接較為困難[7]，目前存在的是不能調(diào)整裝夾定位位置的焊接系統(tǒng)，其能夠焊接的樣式較少，不能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。通過對防護(hù)欄外形的調(diào)查得知，防護(hù)欄制作長度通常小于3000 mm，高度通常小于1050 mm。所以本文開發(fā)設(shè)計(jì)了一種最大焊接長度為3200 mm、最大焊接高度為1200 mm的防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)κ忻嫔洗蟛糠址雷o(hù)欄進(jìn)行焊接[8]。本設(shè)計(jì)充分考慮矩形豎管防護(hù)欄現(xiàn)有焊接工藝，提出了制作可調(diào)夾具，在對防護(hù)欄管材頂緊焊接后用兩只焊槍協(xié)同焊接的方案。設(shè)計(jì)通過PLC系統(tǒng)控制三個(gè)伺服電機(jī)、兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)以及兩臺(tái)直流電機(jī)，分別帶動(dòng)每個(gè)焊槍進(jìn)行三個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，來完成焊槍的走槍和焊接姿態(tài)調(diào)整，確保焊接位置和姿態(tài)的精準(zhǔn)[9]。同時(shí)PLC系統(tǒng)控制10個(gè)單桿氣缸，在焊接過程中實(shí)現(xiàn)對防護(hù)欄的定位夾緊，減小焊接后管材之間的縫隙。其中移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩桿焊槍模仿兩個(gè)焊接工人，同時(shí)對防護(hù)欄進(jìn)行焊接，大大提高了焊接效率。

1 防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)圍繞著將防護(hù)欄管材定位裝夾以及焊接來設(shè)計(jì)，包含的元器件主要有：結(jié)構(gòu)鋼、鑄件底座、滑臺(tái)、氣缸、以及各種加工件。

如圖1所示，其機(jī)械部分主要有定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

（1）定位機(jī)構(gòu)是由幾個(gè)定位模塊組成，能夠根據(jù)不同型號防護(hù)欄按照預(yù)定的樣式進(jìn)行調(diào)整，再將管材按照既定的樣式進(jìn)行擺放，構(gòu)成樣式符合要求的防護(hù)欄。

（2）夾緊機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)橫向氣缸和八個(gè)縱向氣缸組成，八個(gè)縱向氣缸每四個(gè)一組，左邊四個(gè)先向前頂緊，右邊四個(gè)后向前頂緊。左邊橫向氣缸先頂緊，左邊橫向氣缸后頂緊，氣缸全部伸出頂緊就實(shí)現(xiàn)了對防護(hù)欄的夾緊。

（3）移動(dòng)機(jī)構(gòu)是由六個(gè)直線滑臺(tái)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成，其中兩個(gè)并列的直線滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩桿焊槍整體橫向移動(dòng)、兩個(gè)直線排列的直線滑臺(tái)分別帶動(dòng)一桿焊槍實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)、兩個(gè)豎向擺放的直線滑臺(tái)分別實(shí)現(xiàn)豎向移動(dòng)，兩個(gè)轉(zhuǎn)電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)焊槍的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.1 定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖2所示為該系統(tǒng)的定位機(jī)構(gòu)，由面管定位機(jī)構(gòu)、橫管定位機(jī)構(gòu)、腳管定位機(jī)構(gòu)和豎管定位機(jī)構(gòu)組成。該定位機(jī)構(gòu)在空間中的位置基準(zhǔn)是，在豎向以豎管為基準(zhǔn)，在橫向以中間腳管為基準(zhǔn)，在縱向以上橫管為基準(zhǔn)。根據(jù)待焊防護(hù)欄管材的大小以及護(hù)欄的外形尺寸計(jì)算出對應(yīng)定位機(jī)構(gòu)的位置，并進(jìn)行手動(dòng)位置調(diào)整。其中各個(gè)定位機(jī)構(gòu)都能夠通過轉(zhuǎn)動(dòng)下方或者側(cè)向的調(diào)節(jié)螺釘和拖動(dòng)定位拉閘等方式將定位機(jī)構(gòu)移動(dòng)到相應(yīng)的位置，再通過鎖緊旋鈕將位置鎖緊。工作時(shí)將切割好的管材放置在定位機(jī)構(gòu)上的相應(yīng)位置，以滿足裝夾的要求。

1.2 裝夾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

裝夾機(jī)構(gòu)主要是通過氣缸對擺放在定位機(jī)構(gòu)上的管材實(shí)現(xiàn)裝夾的，如圖3所示為該系統(tǒng)左半部分的氣動(dòng)回路圖，右半部分與左半部分對稱。它主要由10個(gè)單桿雙作用氣缸、4個(gè)兩位四通換向閥、減壓閥和氣泵等組成。整個(gè)系統(tǒng)共設(shè)置8個(gè)限位開關(guān)，分別設(shè)置在四組氣缸的伸出和縮回兩個(gè)極限位置，PLC通過接受各傳感器的反饋信號得到氣缸的當(dāng)前位置，并適時(shí)控制電磁鐵的開斷，從而改變換向閥通氣方向來控制氣缸的伸縮。在沒有操作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于待工作狀態(tài)，所有氣缸都處于縮回狀態(tài)，將焊接防護(hù)欄所使用的管材按照預(yù)定位置擺放在定位機(jī)構(gòu)上，點(diǎn)擊夾緊按鈕后，橫向電磁鐵通電，控制兩組橫向頂緊氣缸同時(shí)動(dòng)作，對防護(hù)欄進(jìn)行橫向夾緊；在接收到兩組橫向伸出限位開關(guān)的信號后，豎向電磁鐵通電，控制豎向頂緊氣缸同時(shí)動(dòng)作，對護(hù)欄的縱向進(jìn)行夾緊。在焊接結(jié)束后電所有磁鐵同時(shí)斷電，控制所有氣缸縮回，實(shí)現(xiàn)對防護(hù)欄的放松，方便取下焊接好的防護(hù)欄。

圖2 定位機(jī)構(gòu)

圖3 氣動(dòng)回路圖

1.3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩根由同一電機(jī)帶動(dòng)的并列的橫向直線滑臺(tái)、安裝在橫向直線導(dǎo)軌下方的兩根在同一直線上的縱向直線滑臺(tái)、安裝在縱向?qū)к壣系膬筛Q向直線滑臺(tái)以及安裝在豎向?qū)к壣系霓D(zhuǎn)向電機(jī)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)共有三臺(tái)伺服電機(jī)、兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和兩臺(tái)直流電機(jī)。在氣缸對工件夾緊后，根據(jù)輸入的防護(hù)欄的參數(shù)不同自動(dòng)運(yùn)算出不同的軌跡，再通過控制移動(dòng)機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)定的焊接地點(diǎn)進(jìn)行焊接，并在焊接結(jié)束后回復(fù)原位等待下一次焊接操作。其中，一臺(tái)0.75 kW伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)兩根直線滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)兩桿焊槍同時(shí)橫向移動(dòng)，兩臺(tái)100 W伺服電機(jī)分別安裝在兩根長度不同型號相同的直線滑臺(tái)上，帶動(dòng)兩桿焊槍分別縱向移動(dòng)，兩臺(tái)42步進(jìn)電機(jī)分別安裝在兩根豎向安裝的直線滑臺(tái)上，帶動(dòng)兩桿焊槍豎向移動(dòng)，兩臺(tái)附帶渦輪蝸桿減速器的直流電機(jī)分別使兩根焊槍能夠沿著豎向軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)焊接位置的不同改變焊槍的焊接姿態(tài)，確保焊接的質(zhì)量。

2 焊接系統(tǒng)誤差分析

防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)的滑臺(tái)以及滑臺(tái)底座在自身重力和移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)載荷的影響下，會(huì)存在一定的形變，同時(shí)由于制作加工的工藝限制，也會(huì)出現(xiàn)一定的直線度誤差。而在對防護(hù)欄進(jìn)行焊接時(shí)，需要保證較高的焊接位置精度。因此為了滿足焊接的需求，要對誤差進(jìn)行分析，得出在不同位置的偏差值，并通過編寫程序調(diào)整焊槍的位置，對位置誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

2.1 滑臺(tái)的形變

如圖4所示，由于滑臺(tái)的支撐點(diǎn)在兩端，滑臺(tái)因受自身重力影響，會(huì)在垂直方向上產(chǎn)生彎曲變形[10]，同時(shí)由于在滑臺(tái)的滑塊上安裝有焊槍和縱向滑臺(tái)和豎向滑臺(tái)，受到其重力的影響，會(huì)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)一個(gè)移動(dòng)載荷。同時(shí)考慮上述兩個(gè)因素的影響，對滑臺(tái)形變的運(yùn)算過程如下。

圖4 滑臺(tái)受力圖

通過以上模型對滑臺(tái)建立撓曲線方程，由于滑臺(tái)為對稱結(jié)構(gòu)，故只對段建立方程。

段（0≤≤），梁的彎矩方程為：

對段進(jìn)行兩次積分：

通過邊界條件：

代入數(shù)據(jù)整理得：

2.2 滑臺(tái)的直線度誤差

兩根滑臺(tái)由于制作工藝的限制，存在一定的直線度誤差，這會(huì)影響焊接的精度。故分別將兩根滑臺(tái)安裝在直線度檢查儀上對其的直線度進(jìn)行測量，并用Matlab對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得出兩根滑臺(tái)的直線度曲線。

在直線度檢查儀上，使用百分表對滑臺(tái)的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，每隔0.2 m讀一次數(shù)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 導(dǎo)軌直線度誤差

Matlab曲線擬合不僅能夠給出擬合后的關(guān)系式，還能夠用圖形直觀的展示出變量之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)示數(shù)越大表明導(dǎo)軌向下彎曲越大，以兩端最低點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)，則向下彎曲為負(fù)數(shù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)8為基準(zhǔn)點(diǎn)對試驗(yàn)臺(tái)上的測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再用處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合出的曲線就是梁在試驗(yàn)臺(tái)上垂直方向的彎曲曲線，具體擬合過程如下。編寫程序如下所示，用多項(xiàng)式擬合法求一個(gè)四次函數(shù)，使其與表中所列的數(shù)據(jù)擬合：

》x=[0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0];

y=[-2 -1 -1 -3 -5 -3 -6 -8 -10 -10 -9 -8 -6 -4 -1 -2 ];

z=[-1 0 -3 -4 -7 -9 -10 -9 -6 -7 -4 -3 -2 -3 0 -1];

a=polyfit(x,y,4);

b=polyfit(x,z,4);

x0=0:0.01:3;

y0=polyval(a,x0);

z0=polyval(b,x0);

plot(x,y,'o',x0,y0,'r',x,z,'*',x0,z0,'b')

Xlabel('x');

Ylabel('y');

Grid on;

a

b

a= -1.8799 13.1671 -26.4867 12.1696 -2.3646

b= -1.8071 9.2754 -9.9244 -5.4486 0.0622

由Matlab可得兩個(gè)擬合函數(shù)分別為：

（8）

如圖5為直線度擬合曲線。

圖5 直線度擬合曲線

2.3 焊接點(diǎn)的直線度誤差補(bǔ)償

將重力和移動(dòng)載荷影響得出的形變曲線與直線度誤差曲線疊加，再通過運(yùn)算利用疊加后的曲線計(jì)算焊接點(diǎn)的位置偏移。

將兩個(gè)擬合函數(shù)分別與重力影響的函數(shù)進(jìn)行疊加得到兩個(gè)函數(shù)為：

將焊槍夾具看作一個(gè)剛性體，計(jì)算平行度對于焊槍的位置精度影響，將焊槍與支架簡化成如圖6所示。圖中顯示的是其中一根導(dǎo)軌的位置誤差引起末端焊接點(diǎn)、的變化關(guān)系，由于相對于1、2、3的長度，Δ的長度極小，故軸向的變量趨于零，則只計(jì)算位置誤差引起的軸方向上的變化。

先計(jì)算一根導(dǎo)軌位置誤差引起的點(diǎn)和點(diǎn)的位置誤差，再同時(shí)考慮兩根導(dǎo)軌的位置誤差，得：

（12）

將導(dǎo)軌的誤差函數(shù)代入式（11）、式（12），得：

根據(jù)焊接點(diǎn)在運(yùn)行過程中的誤差曲線，能夠得到焊接點(diǎn)在不同位置的偏移量，通過偏移量的大小和方向計(jì)算出不同位置需要誤差補(bǔ)償?shù)拿}沖輸出量，這樣就能夠保證護(hù)欄的精準(zhǔn)焊接。通過運(yùn)算和對驅(qū)動(dòng)器脈沖比例的調(diào)整，得出本系統(tǒng)豎軸的脈沖當(dāng)量為10000，則每個(gè)位置的脈沖補(bǔ)償量為誤差函數(shù)的10000倍。

3 加工效率和精度的對比

本系統(tǒng)適用的防護(hù)欄主要是飄窗防護(hù)欄、陽臺(tái)防護(hù)欄和梯形防護(hù)欄，分別以這三種防護(hù)欄為實(shí)驗(yàn)對象，每種防護(hù)欄分別通過10天的手工焊接和機(jī)器焊接的對比實(shí)驗(yàn)。護(hù)欄焊接從模具制作開始計(jì)時(shí)，到成品焊接完成后結(jié)束，將10天所焊接的護(hù)欄的米數(shù)除以10天的焊接時(shí)間，得出每百米防護(hù)欄焊接的時(shí)間。后續(xù)處理從補(bǔ)灰開始，到打磨完成結(jié)束，將10天后續(xù)處理的護(hù)欄米數(shù)除以10天后續(xù)處理所用的時(shí)間，得出每百米防護(hù)欄后續(xù)處理的時(shí)間。圖7是有關(guān)于兩種加工方式的效率圖。

圖7 加工效率對比圖

由圖7可知，柔性防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)在焊接時(shí)速度稍快于手工焊接，在后處理時(shí)，由于焊接質(zhì)量的提高，后處理速度有較為明顯的提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，防護(hù)欄自動(dòng)焊接的結(jié)果表明，誤差分析以及誤差補(bǔ)償正確，焊接精準(zhǔn)。

圖8 焊接效果圖

4 結(jié)論

本防護(hù)欄自動(dòng)焊接系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同長度、高度和不同管材尺寸的梯形防護(hù)欄以及陽臺(tái)防護(hù)欄的焊接，并且通過誤差補(bǔ)償精確定位，使得焊槍能夠通過程序設(shè)定的軌跡進(jìn)行精準(zhǔn)的焊接，滿足了對于防護(hù)欄加工的要求。在加快生產(chǎn)節(jié)拍的同時(shí)改善了原有防護(hù)欄加工過程中時(shí)間和人力的浪費(fèi)問題，省去了打磨和補(bǔ)原子灰的工序，節(jié)約了人工成本，減少了時(shí)間成本和材料成本，并且資金投入小，能夠滿足企業(yè)對于防護(hù)欄加工的要求。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有操作簡單、焊接效率高、焊接質(zhì)量好等特點(diǎn)。

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Design and Error Analysis Compensation of Automatic Welding System for Guardrails

PENG Bo，XIONG Ruiping，LIU Yuehang，CHEN Guiquan，HOU Junkui

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065，China)

In order to solve the problems of high labor intensity, low welding efficiency and low welding quality of protective fence welding, an automatic welding system for guardrails in which the guardrails are positioned and clamped before welding is designed based on the PLC. The clamping mechanism and welding gun are adjusted according to the different types and sizes of the guard rails, so that the system can position, clamp and weld the guard rails of various types and sizes automatically. At the same time, through the error analysis of the mechanical structure of the welding system, the error function and curve are obtained, and then the error is compensated through the error function processed by the control system and the control of the moving mechanism to ensure that the system can accurately weld. It shows that the system has the advantages of high welding efficiency, simple operation and good welding quality.

guardrails；automatic welding；error compensation

TG439.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.06.008

1006-0316 (2021) 06-0048-06

2020-10-14

四川省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目—智能涂裝產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與集成（2020YFG0119）；四川省智能制造與機(jī)器人重大專項(xiàng)課題—工業(yè)機(jī)器人成套裝備研制與應(yīng)用（2019ZDZX0019）

彭博（1994－），男，四川德陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人自動(dòng)焊接，E-mail：8804786@qq.com。