多工位超聲波鋁加工焊機設計

遲乾洲，湯受鵬

（山東商務職業學院，山東 煙臺 264670）

多工位超聲波鋁加工焊機設計

遲乾洲，湯受鵬

（山東商務職業學院，山東 煙臺 264670）

超聲波焊接鋁板與隔音棉是汽車隔音板制造的主要手段。為了保證多個不同位置和加工角度的焊點質量相同，設計具有多個自由度且人工可調后固定、主焊接方向由汽缸統一驅動、加工時間和點數由PLC控制的多工位超聲波鋁加工焊接系統有著十分重要的意義。

超聲波鋁加工焊機；多工位；多自由度

0 前言

超聲波焊接的原理是利用金屬發生器產生15kHz以上的高壓、高頻信號，再通過換能系統，把信號轉換為高頻的機械振動，加于鋁制品或其它材料的工件上。通過工件表面及在分子間的摩擦而使傳遞到接口的溫度升高，當溫度達到此工件本身的熔點（一般鋁制品熔點較低）時，使工件接口迅速熔化。當震動停止，工件同時在一定的壓力下冷卻定形，便達成完美的焊接。超聲焊雖然應用不廣泛，但是在一些特定的接頭、構件中，還是有其應用場合。例如汽車隔音板一般是由隔音棉與光鋁板超聲波焊接而成。目前一般采用超聲點焊，檢測的專用標準還沒有，可以與電阻點焊的強度標準作比較。近些年我國汽車制造業發展迅速，然而現在在市場單只焊槍的標準的超聲波鋁焊接機占主要地位，卻沒有多工位超聲波鋁焊接。

1 目前鋁焊接加工中存在的問題

目前大多數企業對汽車鋁配件的加工是通過人力完成。市場中采購手持式超聲波鋁焊接機，將汽車配件水平放置在桌面，同時將隔音棉放置在相應的位置，之后把焊槍頭部按在隔音棉上，對準焊點按下啟動按鈕，啟動超聲波鋁焊接機，焊槍的頭部立刻發出超聲波，使隔音棉與汽車鋁配件迅速融化粘合，松開啟動按鈕，超聲波鋁焊接機停止工作，達到焊接目的。一個工件一般需要加工15個焊點，加工總時間約為10min。

這種工作方式的缺點是：效率低，廢品多，焊點的好壞很大程度取決于工作人員的經驗操作水平、身體狀況以及視力的好壞。勞動強度大，工作時間長，容易造成眼疲勞，工作人員難以保持長時間穩定工作狀態和產品質量。如人工焊接不均勻，焊點容易出現發黑現象，且大小不一，嚴重影響鋁配件的外觀。現在我國的汽車制造隔音板中，由于國內沒有自動圈焊機，工作人員的工作量非常大，不能很輕松的完成工作要求。特別是人工焊接，由于員工的焊接經驗不足，焊接時間難以把握到位，產品質量也就難以提升。

2 十五工位超聲波鋁焊接機床設計性能要求

目前汽車行業所需要的多工位機床，設計要求是：適用于任何尺寸滿足長≤500mm、寬≤400mm、平放高度≤300mm、總焊點不超過15個的隔音鋁制品元件；機床可進行緊固裝夾和自由卸裝，且可以針對配件不同的平面位置和不同的高度位置以及不同的水平面夾角等要求進行加工；按設定的時間和頻率、功率進行自動的超聲波電焊。機床研發的目標是開發類似活字印刷機的、設備加工相對位置可調整組合的通用型加工設備，以滿足企業提高生產效率和設備維護冗余的目的。

基本要求是：（1）不同鋁配件采用不同鋁制腔模夾具設計安裝，對于常規加工件可以提供焊槍定位板輔助快速定位焊槍加工位置；（2）可以根據操作工選擇，同時進行1～15個焊槍工位點的焊接加工；（3）利用現有的規格化、標準化的單位超聲波焊接機做為機床的主要工作構件，取代從廠家訂購一機多焊頭非標設備。單位焊機有多種頻率、功率值可供選擇，未來更換選擇和機械故障時方便改為手握操作；（4）每個焊槍設計成5～6個可調自由度，操作工可調整選擇不同角度、高低及平面位置，手動固定后進行加工；（5）每個焊槍采用獨立的氣壓缸驅動，加工時間可以自行修改；（6）PLC與人機交互界面設置若干套常用焊件的加工界面程序供用戶選擇。經授權用戶也可以自行修改加工參數。

3 單位焊槍多自由度夾具設計

3.1 電氣部分改造設計

標準化的單位超聲波焊機，首先必須進行單體的電氣化改造。主要是（1）取消手啟動按鈕，改為PLC程序輸出控制啟停；（2）取消焊接時間的撥碼控制，改為PLC輸出時間控制。

3.2 多自由度進給驅動設計

單體架構機械設計的基本要求是：每支焊槍可以根據工件加工點的高低和水平及傾斜位置不同，由操作員調整焊槍6個自由度選擇最佳的加工位置，固定后僅留與焊接加工點垂直方向自由度，由汽缸驅動進給進行加工。焊頭只能按套筒中軸線進行單方向進退。緩沖力彈簧可以防止焊頭行程稍大時，減輕對焊接鋁件的沖擊力。汽缸作為加工動力來源，與機械手夾具構成一體。采用伸縮式氣壓缸，具有二級或多級活塞。伸縮式氣壓缸中活塞伸出的順序是從大到小，而空載縮回的順序則一般是從小到大。伸縮缸可實現較長的行程，而縮回時長度較短，結構較為緊湊。

圖1所示套筒（17）包括滑動導柱（172），滑動導柱（172）上方通過螺釘安裝有固定壓板（171），外部套裝有滑動導套（173）、緩沖彈簧（174）和緩沖力調節螺母（175），緩沖彈簧（174）通過緩沖力調節螺母（175）安裝在滑動導套（173）下方。所述焊頭（16）通過螺釘緊固在固定壓板（171）和滑動導柱（172）之間。

圖1 單位焊機設計結構圖

3.3 多自由度可調夾具設計

視每個工位電焊機為一機械手，雖然每個機械手加工高度、角度基本一致，但考慮到實際加工質量，只在加工時有一個自由度（垂直于加工面）設計。機械手加工前可多個自由度調節，主要包括水平位置的轉動和拉伸，以及垂直軸的升降和轉動，如圖2所示。

圖2 多自由度焊槍夾具設計

4 整體布置設計

通過合理的布局設計，可以減少對焊槍夾具的自由度設計，從而減少機床的設計復雜程度。工作臺設有15個固定工位，每個工位可固定一個焊槍機械手。合理的選擇焊槍夾具臂長，可以使每個焊槍都加工到焊件的所有位置，工作臺中間固定焊件夾具。工作臺采用滾動軸承與固定花鍵配合，直徑小于1.5m，高度低于1.2m，操作簡單無障礙。

如圖2、3所示的一種多工位超聲波鋁電焊機，包括PLC控制系統、加工平臺（2）、焊槍（1）和裝夾具（3）。其特征在于：加工平臺（2）上設有一個以上的焊槍（1）；焊槍（1）包括滑動導桿（12）、支撐架（15）、焊頭（16）和換能器（19），支撐架（15）通過鎖緊螺釘甲（13）和鎖緊螺釘乙（14）安裝在滑動導桿（12）上以分別實現在滑動導桿（12）上下移動和左右擺動，焊頭（16）外部設有套筒（17）且通過鎖緊螺釘丙（18）安裝在支撐架（15）上。所述滑動導桿（12）通過固定底座（11）安裝在加工平臺（2）上。

圖3 四工位鋁焊接機床設計示意圖

5 其他裝置開發

5.1 PLC自控系統開發

（1）PLC和觸摸屏軟件可以根據用戶需要設置15個工位的不同加工時間；（2）軟件配合紅外線光柵檢測設備，可以自動檢測人手是否進入加工范圍以及檢測海綿體是否超出加工范圍并報警提示；（3）PLC選擇可以方便與其它系統對接，控制主、子機均可，為后來的車間整體自動化改造留下很好的空間。

5.2 超聲波鋁焊接機床加工定位板補充

為了方便不同焊件之間快速調整不同的焊槍位置，可為每個焊件制作一個焊槍加工定位板。調整不同焊件的焊槍位置時，迅速將焊槍從定位板上端孔內插入，并與下底板對齊實現快速對正焊槍。

6 小結

現在最好的技術實現的是單個焊點的自動加工，工作人員將鋁配件放置在機器中，按下啟動按鈕，焊槍下降，對工件進行焊接，雖然這種也采用半自動化控制，加工的方位較為單一，且沒有對焊件實現定位，加工質量很大程度取決于工人水平。但經過我們的技術改造，與之前相比，其加工效率更高，產品質量更好。其技術優點在于：（1）電器部分可靠性高；（2）焊槍的定位精度更高；（3）焊槍的結構更合理；（4）焊接時間更為準確；（5）焊件夾具提高裝料效率。目前設計存在的不足有：工作的過程中必須時刻有工作人員進行裝料卸料操作，工作程序還是相對復雜，因此將來的加工必須是完全的自動化，必須實現對半自動化焊接機床的自動化改造，避免人為因素對工件的焊接造成影響。

（編輯：余東梅）

缸蓋和缸體用鑄造鋁合金

德國專利 DE19925666

缸體、缸蓋可采用本專利提出的含Ni、Cu、Mn和Fe的鋁硅合金來制造，其化學成分是（wt%）∶ 6.80～7.20Si, 0.35～0.45Fe, 0.30～0.40Cu， 0.25～0.30Mn，0.35～0.45Mg, 0.45～0.55Ni，0.10～0.15Zn, 0.11～0.15Ti，其余是Al和微量雜質，澆注溫度為720～740℃，冷速0.1～10K/s，采用530℃×5h固溶處理，80℃水淬和160～200℃×6h人工時效處理。

涂層基體

美國專利 6124039

該專利涉及一種用于生產電子部件的薄膜涂層用涂層基體，該涂層基體為鋁或鋁合金軋制產品，基體的待涂表面上出現局部不規則，其表現形式為小孔、細小晶粒成分和針狀成分中的一種，待涂表面上的所有局部不規則部分具有的最大延伸在垂直于基體表面的方向上小于10μm并大于0.1μm，因此，局部不規則部分的側面是可以完全暴露的，涂層材料以垂直方式沉積在基體表面，每個局部不規則部分在平行于基體表面的方向上的最大延伸至少與垂直方向上的對應的延伸相等，從而可以避免電子部件上出現缺陷。

納米親水鋁箔涂覆材料及其制備方法

中國專利 CN1342787A

本專利介紹了一種適用于鋁質熱交換片的納米親水鋁箔涂覆材料及其制備方法。該涂覆材料由親水性聚合物A和親水性納米聚合物粒子B組合而成，其中親水性聚合物A包括聚醚；親水性納米聚合物粒子B包括大分子表面活性劑5%～50%(wt%，下同)、丙烯酰胺20%～90%、丙烯酸10%～80%、可交聯的不飽和單體1%～30%。親水性聚合物A與親水性納米聚合物粒子B的質量比為1∶9～9∶1，以重量計算將水溶性聚合物A和甲醇加入到配料釜中常溫溶解后加入去離子水、醇溶藍、殺菌防霉劑，混合均勻后加入親水性納米聚合物粒子B，再攪拌均勻后即得到納米親水鋁箔涂覆材料。

Design of Multi-station Ultrasonic Welding Machine for Aluminum Processing

CHI Qian-zhou， TANG Shou-peng
（Shandong Business Vocational School， Yantai 264670，China）

Ultrasonic welding aluminum alloy plate and soundproof cotton were the main means of automoblie soundproof cotton. To ensure the processing quality are same when welding from different angles, it is very important to develop a system with multi-stations. And such system also must has a automatic part to control the time and the working number of stations.

ultrasonic welding aluminum system; multi-stations; degree of freedom

TG439.9

B

1005-4898（2014）05-0032-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.05.07

山東省自然科學基金（ZR2010AM002）和山東省科技攻關項目（2006GG3210001）

遲乾洲（1962-），男，山東榮成人，副教授。

2014-04-21