周曉曉，龔椿彭，郭正元，方浩賢

（1.廣東省智能機(jī)器人研究院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著機(jī)械自動(dòng)化程度的不斷提高，自動(dòng)化焊接設(shè)備的應(yīng)用需求也逐漸增加。目前大部分企業(yè)往往是采用人工焊接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)部分表面復(fù)雜工件的焊接[1]，但人工焊接難以保證零部件之間的焊縫質(zhì)量統(tǒng)一，因此，與焊接技術(shù)相關(guān)的企業(yè)進(jìn)行自動(dòng)化焊接的轉(zhuǎn)型也將成為行業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[2]。

在智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的浪潮中，制造行業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展速度在不斷地加速，自動(dòng)焊接設(shè)備同工業(yè)機(jī)器人一樣也在不停地往智能化與模塊化的方向發(fā)展以適應(yīng)不斷轉(zhuǎn)型企業(yè)產(chǎn)能的需求[3]。

異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備所加工的對(duì)象是鐵管，該焊接過(guò)程需要多個(gè)工人先后進(jìn)行鐵管折彎、鐵管打孔沖孔、壓緊螺母、焊接螺母等工序才能最終完成異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接的任務(wù)，工藝較為復(fù)雜，需要多個(gè)工人協(xié)同工作才能完成整個(gè)流程。為提高焊接效率及質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，本文采用模塊化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了工序流程規(guī)劃與整體方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一款異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備，滿足異形鐵管內(nèi)嵌螺母的自動(dòng)化焊接需求。同時(shí)企業(yè)要求異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備不僅能實(shí)現(xiàn)焊接功能也要實(shí)現(xiàn)螺母排料輸送、螺母壓緊等附加功能，這也表明了焊接設(shè)備往多功能、多樣化的方向發(fā)展[4-6]。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

人工焊接對(duì)異形鐵管內(nèi)嵌螺母的焊縫質(zhì)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性、均衡性而且存在生產(chǎn)效率較低以及勞動(dòng)成本高等缺點(diǎn)。異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接設(shè)備與傳統(tǒng)人工焊接的功能需求對(duì)比，如表1所示。由表得出，使用自動(dòng)化焊接設(shè)備完成相應(yīng)動(dòng)作可以極大減少生產(chǎn)成本[7-9]。而異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接過(guò)程中，生產(chǎn)效率的高低主要與其工件法蘭螺母和異形鐵管的特征有關(guān)。

表1 異形鐵管內(nèi)嵌螺母人工焊接與自動(dòng)化焊接的需求對(duì)比

1.1.1 法蘭螺母特征

異形鐵管要求所壓入的螺母需要帶有法蘭，這樣才能使得螺母面與鐵管表面有足夠多的焊接表面，避免焊接過(guò)程中灼傷螺母的螺紋，因此螺母排序出料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與螺母的外部特征緊密相關(guān)。所需要用到的法蘭螺母的外部特征如圖1和表2所示。

圖1 法蘭螺母外部特征

表2 法蘭螺母的具體參數(shù)mm

1.1.2 異形鐵管特征

根據(jù)企業(yè)提供的異形鐵管三維模型，經(jīng)測(cè)量可知異形鐵管是一根長(zhǎng)度大概為438 mm、內(nèi)徑20 mm、外徑22 mm 的鐵管經(jīng)2次折彎而來(lái)的，如圖2所示。

圖2 異形鐵管三維圖

1.2 工序設(shè)計(jì)

目前，企業(yè)對(duì)異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接制造大都采用人工操作方式，工作流程如圖3所示。首先企業(yè)工人需要對(duì)來(lái)料鐵管進(jìn)行加工處理，使之變?yōu)樗枰漠愋螐澢F管，接著鐵管口兩端需要進(jìn)行縮口和沖槽處理。然后利用沖孔機(jī)在異形鐵管彎曲處進(jìn)行沖孔，與之同時(shí)焊接的螺母經(jīng)過(guò)工人的分揀后壓入管彎角處，最后由焊接工人進(jìn)行焊接處理。

圖3 異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接制造完整流程

異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接制造主要包括了8 大工序，每個(gè)工序相互銜接構(gòu)成了一個(gè)有機(jī)的整體。其中，螺母排序輸出、壓緊螺母及焊接螺母3大工序?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。目前企業(yè)受用人成本影響，考慮使用一款異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備完成以上3大工序。

異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備的工作過(guò)程設(shè)計(jì)如下：

（1）法蘭螺母排序輸出，要求在輸出螺母的同時(shí)也能保持法蘭面的方向一致性；

（2）法蘭螺母經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)移送料及輔助轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的接續(xù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)螺母在工位之間的轉(zhuǎn)移；

（3）法蘭螺母移到壓緊裝置中，壓緊件在外力的作用下將螺母壓入異形鐵管的沖孔處；

（4）壓好法蘭螺母的異形鐵管進(jìn)入焊接裝置中，完成螺母焊接環(huán)節(jié)；

（5）已完成焊接的異形鐵管移至下料區(qū)等待下料；

（6）動(dòng)作結(jié)束。

為了使得異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備順利地完成以上6步，需要對(duì)其設(shè)備進(jìn)行工位設(shè)計(jì)。

1.3 工位設(shè)計(jì)

1.3.1 工件載具及夾具工位

工件載具及夾具主要是承擔(dān)著異形鐵管在整個(gè)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的夾緊作用。夾具目前可選的種類較多，如偏心夾緊機(jī)構(gòu)、端面凸輪夾緊機(jī)構(gòu)。而本單元模塊選用氣缸與鉸鏈組合的方式實(shí)現(xiàn)異形鐵管的夾緊功能。

1.3.2 螺母排序出料工位

螺母排序出料單元模塊作為異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接設(shè)備的關(guān)鍵一環(huán)，它主要是將雜亂無(wú)章的螺母按照一定的規(guī)律排序輸出。結(jié)合實(shí)際需要，螺母排序出料單元采用振動(dòng)盤加直線滑軌實(shí)現(xiàn)法蘭螺母平穩(wěn)有序輸送的動(dòng)作，既能保持法蘭面方向朝上也能避免法蘭螺母受到過(guò)大的沖擊力。

1.3.3 螺母轉(zhuǎn)移送料工位

螺母轉(zhuǎn)移送料單元模塊的功能主要是為了實(shí)現(xiàn)法蘭螺母在空間位置中的移動(dòng)，使法蘭螺母由直線滑軌轉(zhuǎn)移至壓緊螺母的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)中。

由于法蘭螺母屬于標(biāo)準(zhǔn)件，其螺紋孔的大小相同，內(nèi)徑保持在一定公差范圍之內(nèi)，所以可以選用法蘭螺母的螺紋孔作為參考面。通過(guò)以螺紋孔為拾取機(jī)構(gòu)的參考取料特征，機(jī)構(gòu)可以較快實(shí)現(xiàn)對(duì)螺母的定位，同時(shí)采用類似的張緊機(jī)構(gòu)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)螺母的自動(dòng)拾取，如圖4所示。

圖4 張緊機(jī)構(gòu)示意圖

1.3.4 壓緊螺母工位

壓緊螺母單元模塊主要是實(shí)現(xiàn)將法蘭螺母直接壓入異形鐵管的管彎處。在壓緊螺母時(shí)需要保證法蘭螺母平穩(wěn)緊密地進(jìn)入異形鐵管。因此壓緊時(shí)法蘭螺母需要保持在水平面上，在下壓過(guò)程中不能傾斜過(guò)大，否則法蘭螺母無(wú)法準(zhǔn)確壓入異形鐵管中。所以可利用氣缸驅(qū)動(dòng)頂出壓板將法蘭螺母壓入異形鐵管的方法實(shí)現(xiàn)壓緊螺母功能。

1.3.5 焊接螺母工位

焊接螺母單元模塊主要功能是將已經(jīng)壓緊的法蘭螺母進(jìn)行焊接，該單元模塊可以使用固定焊槍的設(shè)計(jì)，也可以使用可動(dòng)焊槍的設(shè)計(jì)。綜合考慮，為了使法蘭螺母與異形鐵管之間的焊縫更加緊密，本工位選擇可動(dòng)焊槍形式進(jìn)行螺母焊接，鑒于目前市場(chǎng)上的大多焊接設(shè)備尺寸較大，故需要設(shè)計(jì)一種由同步帶與氣缸組合的可動(dòng)式焊槍結(jié)構(gòu)完成焊接螺母功能。

1.3.6 鐵管下料工位

鐵管下料作為整機(jī)的最后一道工序，它要求可以將異形鐵管準(zhǔn)確地由工件載具轉(zhuǎn)移至料框內(nèi)。為了使得機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊，該工位使用夾子將異形鐵管夾出，并放置于料道中使之滑入料框中。這種選擇具有結(jié)構(gòu)緊湊且抓取異形鐵管穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2 整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)工位設(shè)計(jì)的情況對(duì)整體結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖5所示為異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)平面分布圖，展示了整體結(jié)構(gòu)布局。整機(jī)主要包括螺母排序出料單元、螺母轉(zhuǎn)移送料單元、壓緊螺母單元、鐵管下料單元、工件載具及夾具單元、焊接螺母單元等工位。圖6所示為異形鐵管內(nèi)嵌螺母自動(dòng)焊接設(shè)備的立體三維結(jié)構(gòu)。

圖5 整機(jī)結(jié)構(gòu)布局

圖6 立體三維結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

研發(fā)出一種能實(shí)現(xiàn)異形鐵管內(nèi)嵌螺母焊接的專用設(shè)備，制定了焊接過(guò)程的工序設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工位方案，并得出總體設(shè)備三維模型，實(shí)現(xiàn)了異形鐵管與螺母之間的排序送料、壓緊、焊接、夾緊等自動(dòng)功能，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、焊接效率高、焊縫統(tǒng)一性高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，能有效降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本。