楊紹忠 陳培茂

開發(fā)設(shè)計(jì)

一種離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站研制

楊紹忠1陳培茂2

（1.佛山市南海區(qū)信息技術(shù)學(xué)校，廣東 佛山 528000 2.佛山市順德區(qū)勒流職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 佛山 528000）

針對(duì)離心風(fēng)機(jī)蝸殼輪廓線手工焊接勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定問題，研發(fā)一種自動(dòng)跟蹤離心風(fēng)機(jī)蝸殼輪廓線的焊接工作站。通過轉(zhuǎn)盤變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)焊槍相對(duì)移動(dòng)，設(shè)計(jì)焊縫跟蹤器追蹤離心風(fēng)機(jī)蝸殼阿基米德螺線，實(shí)現(xiàn)一次性焊接成形。基于焊縫跟蹤器結(jié)構(gòu)與焊接工藝要求，研發(fā)滿足阿基米德螺線轉(zhuǎn)速計(jì)算方程的穩(wěn)定焊接速度、實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制等關(guān)鍵技術(shù)。該工作站在某廠實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率及擴(kuò)大產(chǎn)能的效果。

離心風(fēng)機(jī)蝸殼；阿基米德螺線；自動(dòng)軌跡跟蹤；PLC控制

0 引言

離心風(fēng)機(jī)是一種重要通風(fēng)設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、風(fēng)速高、流量大等特點(diǎn)，在隧道、地鐵、地下停車場等地下建筑，以及樓宇、冶金生產(chǎn)廠等場所應(yīng)用廣泛。離心風(fēng)機(jī)加工制造過程中，蝸殼制造是難點(diǎn)。離心風(fēng)機(jī)蝸殼焊接通常由手工完成，工作量極大，蝸殼兩條阿基米德螺線焊縫焊接約占整個(gè)焊接量的45%[1]；大型離心風(fēng)機(jī)蝸殼體積龐大、重量大，單人操作困難，需要小組配合完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大；離心風(fēng)機(jī)蝸殼屬于薄壁曲線焊接，對(duì)焊接工人技能要求高，產(chǎn)品返工率高。為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)一種離心風(fēng)機(jī)蝸殼全自動(dòng)焊接工作站，較好地解決離心風(fēng)機(jī)蝸殼焊接時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、占用人工多、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

1　工作站功能

離心風(fēng)機(jī)外形如圖1所示，離心風(fēng)機(jī)蝸殼外輪廓焊縫線由葉輪空氣離心部分的阿基米德螺線和出風(fēng)口直線組成。阿基米德螺線形狀相對(duì)復(fù)雜，無法像圓形工件一樣采用回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)焊接。因此，離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站應(yīng)包括曲線輪廓跟蹤、直線跟蹤的焊縫輪廓自動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)。

此外，離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站作為一種自動(dòng)化程度較高的焊接設(shè)備，需配備傳感器、電子檢測線路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流、焊接電壓、送絲速度和焊接速度等參數(shù)的控制；且整個(gè)焊接過程可按預(yù)先設(shè)置的程序、工藝參數(shù)自動(dòng)完成，以降低操作人員的技能要求[2]。

圖1　離心風(fēng)機(jī)外形

2　工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　工作站整體結(jié)構(gòu)

離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由轉(zhuǎn)盤變位機(jī)、軸軌道、軸軌道、焊縫跟蹤器和跟蹤器橫臂等組成。主要機(jī)械結(jié)構(gòu)功能如下：

1）轉(zhuǎn)盤變位機(jī)，由伺服電機(jī)帶減速箱驅(qū)動(dòng)，用于放置、驅(qū)動(dòng)離心風(fēng)機(jī)蝸殼或其他工件，采用焊槍固定、工件旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行離心風(fēng)機(jī)蝸殼或圓形工件焊接；

2）、軸軌道，由伺服電機(jī)+滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，用于跟蹤器橫臂、焊縫跟蹤器、焊槍在、軸上直線運(yùn)動(dòng)，調(diào)整焊槍位置或在焊接直線時(shí)用于直線插補(bǔ)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍；

圖2　風(fēng)機(jī)自動(dòng)焊接工作站機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3）跟蹤器橫臂，用于安裝、固定焊縫跟蹤器，并在焊接時(shí)提供軸方向跟蹤貼合力；由齒輪齒條傳動(dòng)副、直流減速電機(jī)組成，減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸與齒輪之間通過電磁離合器連接，實(shí)現(xiàn)扭矩控制，并通過齒條獲得合適推進(jìn)力，使焊縫跟蹤器探頭隨時(shí)接觸蝸殼邊緣，實(shí)現(xiàn)蝸殼輪廓跟蹤；根據(jù)離心風(fēng)機(jī)蝸殼常用尺寸，跟蹤器橫臂行程設(shè)計(jì)為900 mm[3-4]；

4）焊縫跟蹤器，安裝于跟蹤器橫臂前端，其與跟蹤器橫臂連接處的軸方向裝有齒輪齒條傳動(dòng)副，軸方向跟蹤動(dòng)力來自減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)力、離心風(fēng)機(jī)蝸殼旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)上探頭的反向推力，保證焊槍與焊縫在軸方向貼合；在焊縫跟蹤器軸方向裝有帶彈簧導(dǎo)軌，軸方向跟蹤動(dòng)力來自彈簧彈力和下探頭上的磁鐵吸力，使跟蹤器做軸方向自適應(yīng)跟蹤，焊縫跟蹤器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　焊縫跟蹤器結(jié)構(gòu)

焊槍安裝在焊縫跟蹤器支架上，調(diào)節(jié)焊縫跟蹤器位置，使焊縫跟蹤器上、下探頭分別接觸蝸殼邊緣和底板，如圖4所示。在焊接離心風(fēng)機(jī)蝸殼時(shí)，蝸殼隨轉(zhuǎn)盤變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，焊縫跟蹤器帶著焊槍跟隨離心風(fēng)機(jī)蝸殼焊縫在軸、軸方向上移動(dòng)；焊絲端部始終位于焊縫幾何交線處并指向焊縫中心。

圖4　焊縫跟蹤器安裝示意圖

2.2　免工裝設(shè)計(jì)

通過轉(zhuǎn)盤變位機(jī)和焊縫跟蹤器，可實(shí)現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)蝸殼輪廓自動(dòng)跟蹤。在實(shí)際測試中，焊接工作站的自動(dòng)跟蹤功能不僅適用于離心風(fēng)機(jī)蝸殼阿基米德螺線的輪廓，也適用于與阿基米德螺線相切的風(fēng)機(jī)出風(fēng)口直線的輪廓，可實(shí)現(xiàn)一次性焊接成形。這樣即使離心風(fēng)機(jī)蝸殼阿基米德螺線極坐標(biāo)原點(diǎn)不在轉(zhuǎn)盤變位機(jī)圓心上，也能很好地跟蹤焊縫，省去設(shè)計(jì)制作特殊工裝夾具。

為使離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站自動(dòng)化程度更高，操作更簡便，在焊縫跟蹤器上安裝焊接起點(diǎn)、終點(diǎn)行程開關(guān)，如圖5所示。焊接起點(diǎn)行程開關(guān)用于尋找焊接起點(diǎn)，由工人擺放離心風(fēng)機(jī)蝸殼并調(diào)整好焊縫跟蹤器上下探頭與焊絲位置。啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤變位機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)起點(diǎn)行程開關(guān)動(dòng)作時(shí)停止，此位置為風(fēng)機(jī)輪廓線焊接起點(diǎn)。焊接終點(diǎn)行程開關(guān)在風(fēng)機(jī)輪廓線焊接結(jié)束時(shí)，由風(fēng)機(jī)出口連接處擋板觸動(dòng)，向可編程邏輯控制器PLC發(fā)出焊接停止指令。

圖5　跟蹤器行程開關(guān)

3　工作站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　工作站控制系統(tǒng)原理

離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站由FX3U-32MT PLC作為主控單元，采用集中控制模式，通過RS-485總線與各控制單元連接，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、模擬焊接和自動(dòng)焊接等工作模式[5]。離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6　離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站控制系統(tǒng)框圖

離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站焊接工作流程：人工將預(yù)處理好的離心風(fēng)機(jī)蝸殼放上轉(zhuǎn)盤變位機(jī)→調(diào)整跟蹤器位置使焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫→反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤變位機(jī)使焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫起點(diǎn)→不起弧狀態(tài)下執(zhí)行模擬焊接→確認(rèn)焊接軌跡準(zhǔn)確，并返回原點(diǎn)→正式焊接→焊接結(jié)束，并取出成品。

離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站焊接工藝控制流程[6]：焊槍對(duì)準(zhǔn)焊縫起點(diǎn)→按下啟動(dòng)按鈕→啟動(dòng)跟蹤功能→保護(hù)氣體接通→焊接電源引弧→自動(dòng)送絲、轉(zhuǎn)盤變位機(jī)啟動(dòng)并進(jìn)行自動(dòng)焊接→終點(diǎn)行程開關(guān)動(dòng)作→送絲、轉(zhuǎn)盤變位機(jī)停止→焊接電源收弧→保護(hù)氣體斷開→停止跟蹤功能→焊接完成，并取出成品。

通過人機(jī)交互系統(tǒng)可對(duì)焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、起弧前提前送氣時(shí)間、收弧后延時(shí)停氣時(shí)間等焊接工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2　工作站控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在焊接蝸殼阿基米德螺線時(shí)，焊槍相對(duì)不動(dòng)，靠轉(zhuǎn)盤變位機(jī)帶動(dòng)蝸殼旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)焊接。由于蝸殼不是圓形，螺線的半徑隨角度旋轉(zhuǎn)而增大，根據(jù)=，可知當(dāng)角速度（轉(zhuǎn)速）不變時(shí)，螺線半徑越大，焊槍處的線速度就越大。若轉(zhuǎn)盤變位機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，則焊縫處線速度逐漸增加，影響焊接質(zhì)量。根據(jù)焊接工藝要求，焊接速度要相對(duì)穩(wěn)定，可通過控制蝸殼旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)焊接點(diǎn)線速度不變。

3.2.1基于阿基米德螺線方程的轉(zhuǎn)速計(jì)算方法

阿基米德螺線示意圖如圖7所示，從阿基米德螺線[7]的A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到B點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)弧度為，假設(shè)A點(diǎn)半徑為，螺旋線每增加單位角度時(shí)增加的數(shù)值為，則B點(diǎn)半徑的極坐標(biāo)方程式[2]為

當(dāng)時(shí)，a（a > 0）為起點(diǎn)到極坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，相當(dāng)于蝸殼最小半徑，而極坐標(biāo)原點(diǎn)就是轉(zhuǎn)盤變位機(jī)圓心[6]。

結(jié)合式(1)，可得焊接轉(zhuǎn)速與回轉(zhuǎn)角度關(guān)系為

式中，為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速；為焊接速度；為蝸殼起點(diǎn)半徑；為相對(duì)起點(diǎn)回轉(zhuǎn)的弧度；，為常數(shù)。

由式(4)可計(jì)算蝸殼焊接過程中任意一點(diǎn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤變位機(jī)的伺服電機(jī)脈沖數(shù)、脈沖頻率，從而控制蝸殼焊接速度，保持焊接速度相對(duì)穩(wěn)定[5]。

3.2.2基于傳感器獲取離心風(fēng)機(jī)蝸殼半徑的轉(zhuǎn)速計(jì)算方法

上述基于阿基米德螺線方程的轉(zhuǎn)速計(jì)算方法，在實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)批量產(chǎn)品焊接應(yīng)用具有便利性，但對(duì)于需要經(jīng)常修改參數(shù)，和的小批量產(chǎn)品不太便利，故提出基于位置傳感器獲取離心風(fēng)機(jī)蝸殼半徑的轉(zhuǎn)速計(jì)算方法。

位置傳感器安裝示意圖如圖8所示，在焊縫跟蹤器橫臂的齒輪齒條傳動(dòng)副處安裝一個(gè)位置傳感器，并通過齒輪、齒條連接，反饋焊縫跟蹤器橫臂齒條伸縮的長度，獲得焊槍位置[7]。如圖2所示，令轉(zhuǎn)盤變位機(jī)圓心到焊縫跟蹤器橫臂支點(diǎn)的直線距離為；位置傳感器反饋焊縫跟蹤器橫臂支點(diǎn)到焊槍的距離為1，根據(jù)焊槍緊貼離心風(fēng)機(jī)蝸殼外輪廓，可計(jì)算出當(dāng)前觸點(diǎn)的離心風(fēng)機(jī)蝸殼半徑為

由=，可得

圖8　位置傳感器安裝示意圖

在焊接速度一定情況下，可得到轉(zhuǎn)盤變位機(jī)轉(zhuǎn)速與1關(guān)系為

此時(shí)，，為固定值。

此方法宜選擇有位置記錄的傳感器，無需每次開機(jī)都返回原點(diǎn)操作[8]。本文采用多圈式電阻傳感器，通過A/D轉(zhuǎn)換向PLC提供位置數(shù)據(jù)。

4　工作站實(shí)踐效果

離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站在北京某鍋爐廠風(fēng)機(jī)分廠實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期效果，主要表現(xiàn)在：

1）提高產(chǎn)品質(zhì)量，以往采用人工焊接離心風(fēng)機(jī)蝸殼會(huì)出現(xiàn)焊道彎曲、中斷不連續(xù)、咬邊等現(xiàn)象，焊接完成后還需進(jìn)行修補(bǔ)、打磨；但采用離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站，可達(dá)到焊道波形、寬度、高度均勻的效果，無需后期打磨，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠；

2）提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，離心風(fēng)機(jī)蝸殼自動(dòng)焊接工作站可一次性完成離心風(fēng)機(jī)蝸殼所有角焊縫的自動(dòng)焊接，提高了生產(chǎn)效率；以8#~13#離心風(fēng)機(jī)蝸殼為例，由于蝸殼尺寸較大，單人操作困難，使用本工作站后，單個(gè)普通工人單班產(chǎn)量即達(dá)13件，綜合效率提高近2倍；

3）擴(kuò)大產(chǎn)能，北京某鍋爐廠風(fēng)機(jī)分廠年產(chǎn)值約7000萬元，采用本工作站僅4個(gè)月即完成全年離心風(fēng)機(jī)蝸殼產(chǎn)量。目前全國近30家風(fēng)機(jī)企業(yè)采用本工作站進(jìn)行蝸殼焊接。

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Development of Automatic Welding Workstation for Volute of Centrifugal Fans

Yang Shaozhong1Chen Peimao2

(1.Nanhai Information Technology School, Foshan 528000, China 2.Le Liu Vocational-Technical School, Foshan 528000, China)

The design and implementation of an automatic welding workstation for centrifugal fans aim at the problems of high dynamic strength and unstable quality in traditional manual welding of fan volute contour. This paper introduces an automatic welding workstation for volute contour of centrifugal fan. The structure and working principle of seam tracker are introduced in detail, control system principle of workstation and key technology of welding process. The workstation is applied in a factory to improve product quality, production efficiency and expand production capacity.

volute of centrifugal fans; Archimedes spiral; automatic welding; automatic track tracking; PLC control

楊紹忠，男，1983年生，本科，機(jī)電高級(jí)講師，主要研究方向：PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用。E-mail: YSZ1717@nhedu.net

陳培茂，男，1978年生，本科，電子講師，主要研究方向：工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用。E-mail: cpm21@163.com

TP23

A

1674-2605(2020)03-0007-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.007