扁鋼及角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李勛

上海格威得機(jī)械有限公司 上海 201611

1 序言

造船行業(yè)的快速發(fā)展，不僅對造船品質(zhì)要求提高，而且對造船焊接工藝要求也在同步提高，對船體各種部位的自動(dòng)焊接需求也越來越大，這就需要有能夠滿足使用者實(shí)際需求的多功能性自動(dòng)焊接設(shè)備。要想在急速發(fā)展的國際造船自動(dòng)化焊接設(shè)備領(lǐng)域取得主動(dòng)，就必須從客戶的實(shí)際需求出發(fā)，不斷地研發(fā)改造，降低成本，促進(jìn)企業(yè)持續(xù)發(fā)展。原有的扁鋼和角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備，是根據(jù)工件形狀分開，并獨(dú)立使用的專用自動(dòng)焊接設(shè)備，需要分別采購兩臺設(shè)備，使船廠的采購成本大大提高，同時(shí)大幅增加了設(shè)備的后續(xù)管理和維護(hù)、保養(yǎng)成本。為了減少客戶的采購成本和設(shè)備的維護(hù)成本、減少焊接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全隱患，同時(shí)解決兩種焊接設(shè)備相應(yīng)對焊接工人操作難度要求高的問題，研發(fā)了此款兩種工件可互換使用的多用途雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備。

2 常規(guī)自動(dòng)焊接設(shè)備分析

2.1 扁鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備主要組成部分

1）焊接設(shè)備安裝及行走裝置組成的焊接設(shè)備底盤總成。

2）整體焊接設(shè)備操作系統(tǒng)組成的面板總成。

3）焊槍上下、前后調(diào)節(jié)功能組成的十字滑塊總成。

扁鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備安裝示意如圖1所示。該設(shè)備的適用范圍如圖2所示。

圖1 扁鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備安裝示意

圖2 扁鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備適用范圍

2.2 角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備主要組成部分

1）焊接設(shè)備安裝及行走裝置組成的焊接設(shè)備底盤總成。

2）整體焊接設(shè)備操作系統(tǒng)組成的面板總成。

3）焊槍上下、前后調(diào)節(jié)功能組成的十字滑塊總成。

角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備安裝示意如圖3所示，該設(shè)備的適用范圍如圖4所示。

圖3 角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備安裝示意

圖4 角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備適用范圍

2.3 兩種焊接設(shè)備的區(qū)別

1）安裝方式不一樣。扁鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備的安裝方式是通過設(shè)備側(cè)面底盤（見圖2中A面）中磁鐵的吸附力和扁鋼反面（見圖2中C面）的機(jī)械式按壓裝置的按壓力，將設(shè)備安裝在工件上方，利用扁鋼左右兩個(gè)不同方向的吸附力和按壓力維持設(shè)備的左右平衡，實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備行走穩(wěn)定性。角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備的安裝方式是通過設(shè)備側(cè)面底盤（見圖4中B面）中磁鐵的吸附力和工字鋼上平面端面（見圖4中C面）機(jī)械式加緊裝置的夾緊力，將設(shè)備安裝在工件上方，利用角鋼左右兩個(gè)不同方向的吸附力和夾緊力維持設(shè)備的左右平衡，實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備行走穩(wěn)定性。

2）力的接觸點(diǎn)不一樣。扁鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備的機(jī)械式安壓點(diǎn)是使用滾輪按壓模式直接按壓工件表面（見圖2中C面）。角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備的機(jī)械式夾緊點(diǎn)是使用滾輪夾緊模式夾緊工字鋼上平面端面（見圖4中C面）。

2.4 結(jié)果分析

以上兩種焊接設(shè)備的安裝方式都有共同的不可避免的缺點(diǎn)，即兩種機(jī)械式加力裝置都是通過焊工手動(dòng)調(diào)節(jié)，找到最適合焊接設(shè)備行走的平衡力，這對操作焊接設(shè)備的焊工操作熟練度要求太高，增加了操作難度。如果焊接設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn)不足，將按壓裝置（或夾緊裝置）手柄擰緊過多，按壓力（或夾緊力）超過設(shè)備行走牽引力時(shí)，則焊接設(shè)備受到阻力無法正常行走，從而無法完成正常的焊接作業(yè)。如果未將按壓裝置（或夾緊裝置）手柄擰緊到位，按壓力（或夾緊力）不足，則嚴(yán)重影響焊接設(shè)備的正常行走和行走時(shí)的穩(wěn)定性，從而無法正常完成焊接作業(yè)。同時(shí)按壓裝置（或夾緊裝置）的可調(diào)整距離范圍有限，適用焊接設(shè)備的工件尺寸范圍受到限制，會(huì)影響設(shè)備的多范圍尺寸工件使用性能。

3 新型自動(dòng)焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 新型雙面平角自動(dòng)焊接設(shè)備底盤設(shè)計(jì)

通過對兩種焊接設(shè)備組成部分的分析，得出兩種焊接設(shè)備的組成部分是一樣的，但工件形狀不同，每臺焊接設(shè)備底盤的形狀和安裝方式有本質(zhì)上的區(qū)別，因此無法在兩種不同形狀的工件上互換使用，同時(shí)給焊工帶來很大的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全隱患[1]。

因此，對原有設(shè)備進(jìn)行改造，新型雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備安裝示意如圖5所示，該設(shè)備的適用范圍如圖6所示。

圖5 新型雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備安裝示意

圖6 新型雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備適用范圍

（1）底盤形狀設(shè)計(jì) 根據(jù)兩種不同形狀的工件特點(diǎn)分析，為了同時(shí)滿足兩種工件的安裝需求，將新型雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備底盤設(shè)計(jì)為工字鋼形狀，才能滿足兩個(gè)不同形狀工件的安裝需求。

（2）底盤尺寸設(shè)計(jì) 在底盤尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)客戶提供的常用工件尺寸范圍，底盤上半部分寬度設(shè)計(jì)為100mm（見圖6中A面的接觸面），底盤側(cè)面高度設(shè)計(jì)為80mm（見圖6中B面的接觸面）。

（3）行走輪尺寸設(shè)計(jì) 為了確保行走時(shí)得到足夠大的摩擦力，根據(jù)焊接設(shè)備底盤尺寸，行走輪設(shè)計(jì)了寬20mm、直徑50mm的4個(gè)橡膠輪。

（4）底盤與工件距離設(shè)計(jì) 通過現(xiàn)場反復(fù)的模擬試驗(yàn)，為了達(dá)到焊接設(shè)備底盤和工件吸附力最大化需求，最終將焊接設(shè)備底盤和工件距離設(shè)定為6mm，這樣可保證在磁鐵吸附力最大化的同時(shí)，還能有效避免焊接設(shè)備正常行走時(shí)飛濺的焊渣等異物，保證焊接設(shè)備的正常穩(wěn)定行走。

3.2 新型雙面平角自動(dòng)焊接設(shè)備安裝方式設(shè)計(jì)

一臺焊接設(shè)備要同時(shí)滿足在兩種不同形狀的工件上互換使用，則必須統(tǒng)一原先焊接設(shè)備所采用的兩種機(jī)械式安裝方式[2]。但經(jīng)研究分析，當(dāng)新型雙面平角焊焊接設(shè)備采用機(jī)械式安裝方式時(shí)，始終無法滿足兩種不同形狀的工件安裝要求。

（1）兩個(gè)不同方向平衡力的來源設(shè)計(jì) 為了找到兩個(gè)不同方向的力，在無法使用機(jī)械力的條件下，將原有機(jī)械裝置的安裝方式淘汰，選擇了兩個(gè)不同方向的力均通過磁鐵吸附力來實(shí)現(xiàn)的方案。

（2）磁鐵安裝位置設(shè)計(jì) 確定采用磁鐵吸附力之后，為了得到兩個(gè)不同方向的吸附力，根據(jù)新型雙面平角焊焊接設(shè)備底盤形狀，將磁鐵安裝在焊接設(shè)備工字鋼形狀底盤，側(cè)底盤（見圖6中B面接觸底盤）和上底盤（見圖6中A面接觸底盤），實(shí)現(xiàn)了不使用機(jī)械力的條件下，能滿足焊接設(shè)備正常穩(wěn)定行走的條件。

（3）磁力代替機(jī)械力的優(yōu)點(diǎn) 徹底解決了原有的機(jī)械式裝置帶來的缺點(diǎn)，減少焊接設(shè)備的操作難度，降低對設(shè)備的操作熟練度要求，減少人為操作失誤發(fā)生的概率，同時(shí)大幅節(jié)省了安裝焊接設(shè)備的時(shí)間，降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全隱患，有效提高了工作效率。

3.3 新型雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備磁鐵規(guī)格設(shè)計(jì)

在機(jī)械設(shè)備中將磁鐵當(dāng)配件使用時(shí)，影響磁鐵吸力大小的因素很多。除了磁鐵本身材質(zhì)和規(guī)格大小以外，與工件表面之間的距離、接觸面積、工件材質(zhì)、工件厚度及工件表面清潔度等因素，都有密切的關(guān)系。

（1）側(cè)底盤磁鐵吸力計(jì)算 磁鐵吸力計(jì)算方法為磁鐵體積×密度×600（倍數(shù)）。

1）N38釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵的密度約為7.5g/m3。

2）磁鐵重量：體積×密度＝（40×30×6）×0.0075g＝54g。

3）磁鐵吸力：54×600g＝32400g。

由此可知，一個(gè)40mm×30mm×6mm的方塊磁鐵吸力大約為32.4kg。

（2）上底盤磁鐵吸力計(jì)算 磁鐵吸力計(jì)算方法為磁鐵體積×密度×600（倍數(shù)）。

1）N38釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵的密度約為7.5g/m3。

2）磁鐵重量：體積×密度＝（25×15×4）×0.0075g＝11.25g。

3）磁鐵吸力：11.25×600g＝6750g。

由此可知，一個(gè)25mm×15mm×4mm的方塊磁鐵吸力約為6.75kg。

通過理論計(jì)算得到的數(shù)據(jù)在實(shí)際應(yīng)用中并不準(zhǔn)確，為了得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，經(jīng)過實(shí)踐并結(jié)合焊接設(shè)備驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率范圍（直流24V、12W、5000r/min），在焊接設(shè)備側(cè)底盤中安裝1塊40mm×30mm×6mm規(guī)格的N38釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵，焊接設(shè)備上底盤中安裝2塊25mm×15mm×4mm規(guī)格的N38釹鐵硼強(qiáng)力磁鐵。通過兩個(gè)不同方向的磁力，焊接設(shè)備驅(qū)動(dòng)輪得到了足夠的摩擦力，實(shí)現(xiàn)了焊接設(shè)備的穩(wěn)定行走，并解決了焊接設(shè)備正常行走時(shí)脫離工件表面的問題。

4 結(jié)束語

本文論述了扁鋼與角鋼雙面平角焊自動(dòng)焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，得出如下結(jié)論。

1）輕型精細(xì)化自動(dòng)焊接設(shè)備中不宜采用機(jī)械式固定方式，機(jī)械式固定方式雖然能達(dá)到固定的目的，但它在移動(dòng)設(shè)備時(shí)容易引起人為失誤，從而影響設(shè)備的正常工作，因此通過機(jī)械式固定方式人工調(diào)節(jié)設(shè)備行走平衡力的方法不是最佳選擇。

2）移動(dòng)的焊接設(shè)備中可采用兩個(gè)以上不同方向的磁力，實(shí)現(xiàn)設(shè)備行走時(shí)的平衡性和穩(wěn)定性，從而達(dá)到設(shè)備的最佳工作狀態(tài)。

本次新型雙面平角焊焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程，通過自動(dòng)焊接設(shè)備底盤結(jié)構(gòu)和安裝方式的改變，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的目的，降低了設(shè)備采購成本及后續(xù)管理維護(hù)與保養(yǎng)的成本，同時(shí)減少了焊工的操作難度和安全隱患，提高了工作效率。