薄板材點焊的全自動搬運輸送線的改造設計

王 芳 陳小軍 宋小輝

(①南昌工程學院機械工程學院，江西南昌 330029;②江西應用技術職業學院，江西贛州 341000;③桂林航天工業學院，廣西桂林 541004)

隨著汽車工業的發展，人們對汽車制造工藝的認識愈來愈深入，要想制造出高質量的轎車就必須有先進的設備和工藝保證。由此，兩塊0.8 mm疊加不銹鋼薄板的點到點焊接作為汽車生產的重要工序之一。傳統的手工生產線已不能滿足汽車行業飛速發展的需要［1］，為此將手工生產線改造為全自動化生產線是當今汽車行業中急需待解決的問題。

本文在分析板材搬運點焊設備的改造流程，工序特點的基礎上，提出兩種不同的設備改造方案，對兩種改造方案進行對比。然后對生產線關鍵機械結構進行設計分析，最后對控制系統進行了設計。該生產線可用于不同材料板材的搬運以及點焊，該線初步試驗成功，將廣泛推向市場。

1 生產線方案設計

1.1 工序流程分析

根據設計任務書的要求，如圖1所示，本次設計的生產線需要對四種產品進行點到點焊接，各種產品點焊位置都不同，增加了設計的難度。為了能使放料的位置誤差在±1.5 mm左右，設計了4種不同的專用夾具來實現點焊要求。

工廠實際生產中，人工將兩塊不銹鋼薄板疊加起來，然后送至點焊機進行點對點焊接。這樣焊接精度不容易保證，而且易傷手、勞動強度高和效率低。所以需要開發全自動的生產線來代替。現將不銹鋼薄板材點焊工序流程分析如圖2所示。

1.2 兩種不同動力源的方案設計

根據工序流程需要我們設計了以下兩種方案，兩種方案的組成部分和電氣部分都大致相同。其中組成部分由機臺機架、有動力滾筒、鐵板分離裝置、機械手、推料機構、伺服機構、校正機構、機箱封板等構成;電氣部分包括電控箱、觸摸屏、PLC、傳感器、電磁閥、電子器件、氣缸、吸盤等構成。下面對兩種不同方案的工作原理進行說明。

(1)采用伺服系統控制的生產線方案設計 工作原理:人工把一垛垛的待點焊產品按指定方向放到有動力滾筒線1上，滾筒線1自動把產品送到不銹鋼薄板分離區域里，通過磁性把不銹鋼薄板一塊塊地分離開，由機械手1把不銹鋼薄板吸到待點焊放料機構上(吸兩遍不銹鋼薄板)，由專用氣缸把不銹鋼薄板推到伺服機構夾具里，通過伺服機構按X－Y軸方向的互相配合來完成兩點或三點的點焊工作，點焊完畢按指定的順序讓伺服機構完點復歸，并由機械手2把點焊好后的不銹鋼薄板通過吸盤吸到有動力滾筒線2上，由滾筒線2送到指定的位置里，這樣就完成了一個周期的點焊工作，如此反復周而復始地工作，達到全自動點焊的功能。伺服系統控制生產線的方案如圖3。

(2)采用氣缸為主要動力的生產線方案設計 工作原理:人工把一垛垛的待點焊產品按指定方向放到有動力滾筒線1上，滾筒線1自動把產品送到不銹鋼薄板分離區域里，通過磁性把不銹鋼薄板一塊塊地分離開，由機械手1把不銹鋼薄板吸到待點焊放料機構上(吸兩遍不銹鋼薄板)，由專用氣缸把不銹鋼薄板推到專用裝夾夾具里，通過夾具第1組滑塊與氣缸把不銹鋼薄板送到點焊機前面，進行第一點的點焊;第一點點焊完成后，由第2組滑塊與氣缸把不銹鋼薄板繼續往前推進，進行第二點的點焊;第二點點焊完成后，由第3組滑塊與氣缸把不銹鋼薄板向右拖動，并與第4組滑塊與氣缸進行合理位置的調整，從而進行第三點的點焊;第三點點焊完成后，按順序指定各氣缸原點復歸，并由機械手2把點焊好后的不銹鋼薄板通過吸盤吸到有動力滾筒線2上，由滾筒線2送到指定的位置里，這樣就完成了一個周期的點焊工作。如此反復周而復始地工作，達到全自動點焊的功能。

2 總體方案設計以及關鍵零部件的設計

2.1 總體方案設計

采用伺服系統控制的生產線方案具有控制精度高，并且機械結構簡單、體積小的優點，但是其成本大，生產廠家規模小難以接受。采用氣缸為動力的生產線方案可以達到放料的位置誤差在±1.5 mm左右的精度，成本低，控制簡單，但是機械結構復雜。綜合多方面因素，最后廠家選用第二種采用氣缸為主要動力的生產線方案，全自動不銹鋼薄板材搬運輸送線改造總成如圖5所示。

2.2 磁性分離機構的設計

一垛垛的不銹鋼薄板在點焊前是通過磁性分離機構將其分開，然后由電磁鐵吸盤送至位置調節機構進行調整后點焊。從堆積的薄不銹鋼板中分離出單張板材，是處理大量鋼板的問題之一。通常薄鋼板上由于涂有油層而互相牢固地粘附著。操作者要把它們分開是很費時的，而且大大增加損壞的概率。實現的巧妙方法就是使用磁性分離機構把它們分開。磁鐵放置在一堆鋼板的一邊，使之與板材帶有相同的磁極性;于是，板材將與此邊互相排斥，迫使上面的鋼板與下面分開，使它們處于機器操作者容易拿取的位置。磁性分離機構中磁鐵的排列很重要，圖6為磁性分離機構磁鐵布置圖。

3 控制系統

3.1 生產線控制要求

板材搬運輸送設備生產線的控制系統有以下幾方面的要求:發生故障按鈕;運行方式;聯鎖和互鎖;故障報警;狀態顯示。

3.2 硬件和軟件設計

可編程控制器(PLC)可靠性高，編程簡單，維修方便［2］。但是，PLC 在人機對話、故障判斷和線路修改等方面有些不便。要想直觀地了解生產過程和監控信號的動態變化，需選擇一個上位機來配合PLC，才能組成優良的自動控制系統。所以，設計了一套應用觸摸屏和PLC，共同組成全自動薄板材搬運輸送生產線的控制系統。系統硬件結構如圖7所示。

CPU單元負責控制整個生產過程。觸摸屏通過RS－232串口和CPU進行通訊，系統輸出模塊向外部設備傳送輸出信號，使不同的執行機構動作。通過傳感器將信號反饋回輸入模塊以改變各執行機構的運動狀態。CPU單元從輸入模塊讀取數據，根據數據的變化控制各個執行機構的運動，整個過程構成一個控制回路［3］。

根據生產線所需要的I/O點數量和系統控制等因素，PLC選用三菱公司FX－3U－64MR型號的產品，觸摸屏采用三菱公司GT1055(320×240)型號的產品。

本控制系統使用了一臺三菱GT1055(320×240)觸摸屏，5.7英寸彩色液晶屏。它結構小巧，可方便靈活地設定控制參數和實時監控系統運行狀態及對系統進行有效的管理。GT1055使用GT Designer 3進行程序設計，提供多種控制器件庫、圖形控件、功能控件，可以組態出各種動態功能和控制功能，以及實現故障的可視化;并且能夠讀取PLC內的數據，顯示現場狀態數據［4］。

4 結語

結合板材搬運輸送點焊設備的工序特點，對其用于點焊時設計了兩種不同動力源的方案，兩種方案各有優缺點。考慮成本、設計、控制等綜合因素，采用氣缸為主要動力的不銹鋼薄板點焊搬運輸送線設計方案。實踐證明，設備運行平穩，點焊產品質量穩定，實現了全自動化裝置的安全生產，降低了勞動強度，提高了生產效率。另外，運行情況可以很方便地在觸摸屏中顯示，為產品質量的全程監控提供了依據。

［1］高志純.機械化改造在沖壓生產線的應用［J］.生產現場，2009(9):14－17.

［2］劉莜霞.包裝機械［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［3］王炎，葉高翔，朱善安.PLC和觸摸屏在石英晶體諧振器組裝系統中的應用［J］，機電工程，2006，23(10):49 －51.

［4］http://www.mitsubishielectric－automation.cn/download/(上海三菱電機網站)