詹劍良， 金浩哲

(1. 紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 紹興312000；2. 浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 前言

隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速高效健康發(fā)展，企業(yè)用工成本的不斷增加，選擇機(jī)器換人和建立高水平的自動化生產(chǎn)線能有效解決這一問題，既能減少用工需求量，又能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量[1-5]。電阻焊是將焊件組合在一起后，通過設(shè)備中的電極來施加一定壓力，再利用電流流過指定焊接區(qū)后產(chǎn)生的電阻熱瞬間加熱焊接部位，在機(jī)械力和熱力的聯(lián)合作用下完成連接[6-7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，低頻焊接技術(shù)逐漸被高頻焊接技術(shù)所取代，成為產(chǎn)品品質(zhì)保障的重要焊接技術(shù)之一[8-10]。

現(xiàn)階段，中國已然成為全世界空調(diào)產(chǎn)品的制造國和消費(fèi)國，空調(diào)進(jìn)入了千家萬戶。國內(nèi)空調(diào)制造企業(yè)也建立了自動化生產(chǎn)流水線，然而一臺空調(diào)產(chǎn)品的零部件非常多，導(dǎo)致整機(jī)產(chǎn)品制造裝配的自動化程序不高，通常采用擴(kuò)建生產(chǎn)線來提升產(chǎn)能，進(jìn)而增加生產(chǎn)成本的投入。中國在《中國制造2025》的通知中明確提出制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，將是立國之本。提出新一代信息技術(shù)要與制造業(yè)實(shí)現(xiàn)深度融合，智能家電位列其中。朝智能制造方向發(fā)展，將是未來趨勢。

根據(jù)某企業(yè)提供的空調(diào)用電器盒，結(jié)合工藝要求，設(shè)計(jì)了一款針對此電器盒的多工位焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動化焊接，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

1 焊接技術(shù)要求

焊接件為電器盒，主要供給國內(nèi)某空調(diào)企業(yè)，在其內(nèi)部安裝PCB板，為鈑金件。該產(chǎn)品需依次經(jīng)過沖壓、折彎兩道工序后，成為待焊件。折彎之后，接合處通過焊接工序，方能使接合處牢固。采用高頻電阻焊工藝，定點(diǎn)焊接。焊接件電器盒如圖1所示。

圖1 焊接件電器盒

2 焊接總體設(shè)計(jì)

待焊件電器盒有人工方式和工業(yè)機(jī)器人2種進(jìn)料模式。若采用機(jī)器人進(jìn)料模式，可有效提高效率，節(jié)省人工成本，實(shí)現(xiàn)智能化。焊接設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該設(shè)備主要由控制電箱、鋁合金框架、上料工位、檢測工位、焊接工位、下料工位等組成。鋁合金框架配備亞克力透明防護(hù)罩，提供防護(hù)作用，在設(shè)備啟動后，將待焊件電器盒放入上料工位后，夾具將夾緊工件，中間圓形分割器將電器盒逐次送到后續(xù)工位，完成檢測、焊接、下料工序。

圖2 焊接電器盒整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.1 分割器設(shè)計(jì)

分割器負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)任務(wù)，分割器上均勻設(shè)置6個電器盒夾具，通過控制系統(tǒng)來保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中精準(zhǔn)地將電器盒停在對應(yīng)工序指定點(diǎn)，如圖3所示。分割器選用鋁合金材質(zhì)，直徑為1 500 mm，厚度為25 mm，要求轉(zhuǎn)位時間1.6 s/工位(1.6 s/60°)。

圖3 分割器

2.2 檢測工位設(shè)計(jì)

當(dāng)分割器將待焊件運(yùn)轉(zhuǎn)定位到檢測工位時，檢測構(gòu)件在氣缸推動下行完成檢測。檢測任務(wù)包括夾具內(nèi)是否有待焊件電器盒、是否擺放整齊，要是檢測反饋結(jié)果是沒有工件或者沒有擺放整齊，設(shè)備將停止焊接，并發(fā)出報警信號。如若沒有問題，分割器將從檢測工位旋轉(zhuǎn)到焊接工位。檢測工位如圖4所示。

圖4 檢測工位

2.3 焊接工位設(shè)計(jì)

當(dāng)分割器將待焊件轉(zhuǎn)動到焊接工位，將開展焊接。焊接工位共設(shè)置了3個工位，每個工位可設(shè)置8個焊接點(diǎn)，可根據(jù)用戶需求，設(shè)置焊接位置和數(shù)量，來對電器盒不同邊進(jìn)行焊接。每個焊接工位可實(shí)現(xiàn)上下移動和左右移動，對焊接位置精準(zhǔn)焊接。焊接工位采用高頻電阻焊，焊接過程中瞬間放電可達(dá)20 kA電流，大電流能將金屬瞬間熔合在一起。焊接工位如圖5所示。該電器盒需要完成11個焊接點(diǎn)。

圖5 焊接工位

2.4 下料工位設(shè)計(jì)

當(dāng)電器盒依次完成3個焊接工位作業(yè)后，分割器將其旋轉(zhuǎn)到下料工位區(qū)，如圖6所示。下料區(qū)主要由氣動夾爪、氣缸組成，當(dāng)電器盒成品處于夾爪正下方時，由控制系統(tǒng)來驅(qū)使夾爪張開，由氣缸推動下行，氣缸的行程正好使夾爪到達(dá)指定位置，然后夾爪閉合，氣缸上行，電器盒隨夾爪上行，回程后氣缸將水平運(yùn)動至右端，再次張開氣爪，塑料盒掉落沿導(dǎo)向料斗自行下滑，落入到電器盒成品籃內(nèi)。

圖6 下料工位

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)是整臺設(shè)備的核心，需要對伺服電機(jī)、電磁閥、氣缸、變頻器、焊機(jī)等部件控制。PLC控制過程流程圖如圖7所示。

圖7 PLC控制過程流程圖

電器盒焊接工序是最關(guān)鍵的，在3號、4號、5號工位分別安裝有2套伺服電機(jī)模組，一共6套。同時在3號、4號、5號工位的Z軸，都配備1∶5的減速機(jī)和伺服剎車電磁，主要是Z軸向下有很大的力，為了防止伺服電機(jī)過載造成伺服報警或造成伺服電機(jī)損壞，因此配備1∶5減速機(jī)。在其X軸則配備相對較小一點(diǎn)的1∶3減速機(jī)，即可滿足需求。

考慮到有6個伺服電機(jī)，需要發(fā)6路脈沖。該設(shè)備選用的是三菱FX5U+FX5-16ET/ES-H模塊，F(xiàn)X5U本體自帶4路脈沖，再配一個FX5-16ET/ES-H模塊帶2路脈沖，湊夠6路脈沖，支持6個伺服電機(jī)。設(shè)備內(nèi)包含許多電磁閥、氣缸，需要的I/O點(diǎn)的數(shù)量也是非常多的，增添了許多的輸入輸出模塊。

伺服電機(jī)是需要設(shè)置非常多的參數(shù)及程序的，圖8就是伺服電機(jī)在手動模式情況下的正反轉(zhuǎn)程序，其中以軸1為例，M100為正轉(zhuǎn)，M101為反轉(zhuǎn)，兩者之間必須配備互鎖功能，否則就會造成伺服還在BUSY狀態(tài)就反向動作，會產(chǎn)生伺服報警，從而可能使能斷開。圖9則為伺服電機(jī)在手動或者自動下的回原點(diǎn)程序。每次設(shè)備開機(jī)都必須會原點(diǎn)，并對當(dāng)前位置進(jìn)行校準(zhǔn)，其作用是防止定位出現(xiàn)偏差，確保其絕對值的有效性。在執(zhí)行此程序之前還需要進(jìn)行前限位、后限位、原點(diǎn)、回原高速回原、爬行速度、加減速、中斷信號、完成信號的設(shè)置。

圖8 伺服電機(jī)在手動模式情況下的正反轉(zhuǎn)程序

圖9 伺服電機(jī)在手動或者自動下的回原點(diǎn)程序

伺服電機(jī)要實(shí)現(xiàn)高速高精度的定位運(yùn)動，需要完成伺服參數(shù)設(shè)定。伺服電機(jī)是屬于非常精密的設(shè)備，是以脈沖接受信號數(shù)量多少進(jìn)行運(yùn)動。在進(jìn)行定位運(yùn)動之前，需要設(shè)置減速機(jī)的大小、前后限位、原點(diǎn)、伺服電機(jī)Z相信號、脈沖輸出選擇等參數(shù)。將圖10中參數(shù)設(shè)置完成后，同時將驅(qū)動器參數(shù)也設(shè)置好，就可以進(jìn)行伺服定位運(yùn)動，保證焊接位置的精準(zhǔn)。

圖10 伺服參數(shù)設(shè)定

4 結(jié)論

(1)六工位焊接系統(tǒng)上料工位可選擇人工或者機(jī)器上料，檢測、焊接、下料工序?qū)崿F(xiàn)自動化操作。相比人工焊接完成1個產(chǎn)品所需2 min，而該系統(tǒng)只需30 s，大大提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，能節(jié)約用工成本。

(2)采用PLC來控制伺服電機(jī)、電磁閥、氣缸、焊接系統(tǒng)等，分割器實(shí)現(xiàn)工位旋轉(zhuǎn)，傳動精度高。