貫流風葉超聲波焊接缺口識別和自動對位系統設計

張冬冬，黃禹,，陳志，徐中，丁斌（.廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 58305；.華中科技大學制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074）

?

貫流風葉超聲波焊接缺口識別和自動對位系統設計

張冬冬1，黃禹1,2，陳志1，徐中1，丁斌2
（1.廣東順威精密塑料股份有限公司，廣東 佛山 528305；2.華中科技大學制造裝備工程中心，湖北 武漢 430074）

摘要：超聲波焊接以其效率高、成本低等諸多優點而廣泛應用于塑料及其復合材料的連接，但在實際生產應用中會產生刺激噪聲，影響員工身體健康和工作效率，因此，實現超聲波完全自動化是大趨所勢，而貫流風葉缺口自動識別和對位是實現焊接自動化的重中之重。本文針對貫流風葉超聲波焊接自動對位設計給出了詳細的解決方案。

關鍵詞：超聲波焊接；自動化；貫流風葉；缺口識別

超聲波塑料焊接具有不需要焊劑和外部加熱、效率高、強度高、成本低廉等諸多優點, 是塑料及其復合材料的重要連接方法[1]。

超聲波塑料焊接的基本原理是采用超聲頻機械振動（頻率10～70 kHz，振幅1～250 μm）作用于塑料零部件，在壓力作用下產生摩擦加熱（發熱是由于表面和分子間摩擦綜合作用的結果）和熔融成焊縫，焊接過程可以分成四個主要階段，如圖1所示[2]。

圖1　超聲波焊接四個階段

目前國內家電行業對于塑料風葉超聲波焊接的需求量非常大，該行業具有對產品的質量要求高、生產環境差（存在各種空氣粉塵污染、噪聲污染等）以及自動化程度低等特點，然而，市場競爭日益劇烈，使得塑料風葉生產企業必須削減生產成本、提高產品品質，而設計開發高效穩定的自動化超聲波焊接設備對于此類企業的發展毫無疑問是最有效的道路[3]。

華中科技大學陳源提出一種貫流風葉超聲波焊接自動化焊接過程，并提出實現難點和對應的解決方案，王一輝、胡姍姍分別針對全自動貫流風葉超聲波焊接生產線控制部分與機械部分進行設計分析并優化[4～6]。本文在上述研究成果基礎之上針對自動化實現關鍵—貫流風葉缺口識別和自動對位，提出合理的解決方案。

1　貫流風葉的焊接成型工藝分析

在貫流風葉的結構設計中，由于充分考慮了貫流風葉輪整體的葉片數、內圍葉片角、外圍葉片角、相對柵距、直徑比、葉輪寬度等幾何參數，以及與蝸殼的組合最佳參數，使得各扇形葉片呈現非圓周對稱，因此只存在一個方向可以使葉片插入葉槽，為保證貫流風葉在進行人工對位焊接的方便性與可操作性，依據不同貫流風葉尺寸大小設計相應的對位缺口一般為1mm×1mm×1mm立方缺口或者2mm×2mm×2mm的立方缺口。

貫流風扇葉是由前端蓋（含金屬支撐軸）、N個中節風葉（N：按照產品實際規格）和后端蓋（含磁環軸承）進行周向與軸向對齊后通過超聲波進行N+1次焊接而成，如圖2所示，焊接完成的貫流風葉存在一定的殘余應力，經過熱處理后消除。

圖2　貫流風葉缺口對齊焊接

如圖3所示，該產品是廣東順威精密塑料公司目前采用人工超聲波焊接的貫流風葉組成件，前端蓋中心嵌入金屬支撐軸、內側注塑35條弧形凹槽、外圓設有1 mm定位缺口，中節風葉包含35條弧形葉片、35條弧形凹槽且外圓設有1 mm定位凹槽，后端蓋中心嵌入磁環軸承、不存在凹槽（焊接為平面焊接，只需軸向定位）。

該貫流風扇葉都是通過人工進行對位后，放入超聲波焊接夾具進行焊接，焊接精度和效率都難以保證。現急需一種超聲波自動化焊接裝備，而實現缺口識別和自動對位是實現全自動化的關鍵。

2　缺口識別和自動對位解決方案

要實現缺口識別并能夠自動對位這一功能，我們首先會想到機器視覺系統。機器視覺系統能否可靠運用取決于以下幾點：①良好穩定的光線環境；②物體待檢測部位與非檢測部位有明顯對比；③機械振動在一個允許范圍內，不影響成像質量[7]。運用機器視覺系統進行初步設計缺口識別和自動對位方案如圖4。采用先進的視覺檢測技術，由工業計算機、千兆網卡、CCD相機、PLC控制器以及旋轉執行機構組成。

圖3　貫流風葉結構圖

圖4　機器視覺缺口識別和自動對位系統

對該視覺系統進行可行性分析：

（1）超聲波焊接工藝分析：定位采用1 mm缺口，且對比度較低；焊接位于設備內部，光線較弱；超聲波焊接存在較大的機械振動。

（2）視覺系統分析：兩套千兆網卡以及CCD相機，結構復雜；工業計算機同時處理兩套圖像，運行計算壓力較大；圖像處理軟件的開發周期較長；整套系統安裝較復雜，調試難以達到理想效果。

可見，對于貫流風葉超聲波自動焊接來說，機器視覺系統存在一定的局限，并不能完全滿足要求。針對機器視覺對于貫流風葉缺口識別的局限性，我們考慮一種簡單高精的傳感器—數字光纖傳感器，該傳感器不需要對圖像進行處理，只通過設定閾值便可對1 mm缺口進行識別。

高精度 數字光纖傳感器系統如圖5所示，整套系統由數字光纖傳感器、PLC控制器、旋轉執行機構組成。較機器視覺系統的方案，該系統節省了中間圖像傳輸并處理的環節。數字光纖傳感器響應快、靈敏度高，通過對定位缺口微小光線的識別，直接轉換成高低電平信號傳輸到PLC控制器，通過對比上下兩工位相位變化，對待焊零件進行旋轉定位，直到缺口對位，方可放置進行焊接。

圖5　數字光纖傳感器缺口對齊方案

該系統有以下特點：結構簡單、便于安裝調試；響應速度快、靈敏度高；易于滿足設計需求、成本低。因此高精度數字光纖傳感器系統最易實現貫流風葉的缺口識別及自動對位。

3　數字光纖傳感器缺口識別和自動對位系統

數字光纖傳感器缺口檢測系統采用的是點檢測的方式。如圖6示，在數字光纖傳感器未檢測到缺口時，待焊部件需要進行旋轉，當檢測到缺口時，旋轉執行機構停止旋轉動作，放置工件進行焊接。由于缺口僅有1 mm寬度，對旋轉機構起停位置精度要求高，在這里我們采用旋轉單圈絕對值編碼器，該編碼器360。光碼盤每一個角度都有唯一的編碼，精度是由光碼盤機械位置決定的，無需記憶，也無需尋找參考點，可隨時讀取其位置，抗干擾穩定性強[8]。

工件缺口檢測及自動對位時序如圖7所示，當上、下工位的數字光纖傳感器檢測到工件定位缺口時，則會產生一個脈沖信號，伺服驅動器停止旋轉動作，在程序中把相應的寄存器置位，兩個寄存器是邏輯與的關系，只有在兩個工位數字光纖傳感器都檢測到缺口時，判定為為工件準確對位，上工位待焊工件可放置于下工位工件，然后進行超聲波焊接。

圖6　風葉缺口識別

圖7　工件缺口檢測及自動對位時序圖

①上旋轉工位伺服電機使能信號；②數字光纖傳感器Ⅰ 檢測信號；③上工位缺口到位信號；④下旋轉工位伺服電機使能信號；⑤數字光纖傳感器Ⅱ 檢測信號；⑥下工位缺口到位信號；⑦工件可放置焊接信號。

4　結論

通過本文對貫流風葉全自動超聲波焊接設備設計難點的解析和方案設計，可以得出以下結論：

（1）對于貫流風葉缺口定位工序，數字光纖傳感器比機器視覺系統更加適用，因為該工序實現并不需要進行圖像處理識別，這樣大大的簡化了設計系統和減少了制作成本；

（2）設計相應的送料取料機構配合貫流風葉定位對齊系統可完全實現超聲波焊接的自動化，可及大的改善工人工作環境，并能夠減少人工進行缺口對位時耗費過長的時間，以提高生產效率；

（3）通過對數字光纖傳感器閾值以及運行程序的

更改可以實現不同型號尺寸貫流風葉的自動對齊定位。

參考文獻：

[1] 張宗波，王曉東，羅怡，等. 超聲波塑料焊接機理[J]. 焊接學報，2010, 31(11):29～32.

[2] 張勝玉. 塑料超聲波焊接技術(上)[J]. 塑料包裝，2 0 1 5, 25(1):45～52.

[3] 梁熾標. 一種高效的貫流風葉輪自動焊接設備的開發[D]. 華南理工大學， 2014. 1～2

[4] 陳源，丁斌. 貫流風葉超聲波焊接機的自動化[J]. 現代機械，2015(1):15～17.

[5] 王一輝. 貫流風扇葉全自動超聲波生產線控制系統研發[D].華中科技大學，2015.9～11

[6] 胡姍姍. 貫流風扇葉全自動超聲波生產線機械系統研發[D].華中科技大學，2015.

[7] 張五一，趙強松，王東云. 機器視覺的現狀及發展趨勢[J]. 中原工學院學報， 2008, 19(1):9～12.

[8] 百度百科.編碼器.[D B/oL].

(P-01)

Identifi cation and automatic positioning system design of Ultrasonic welding gap for cross-fl ow fan

中圖分類號：TP391

文章編號：1009-797X(2016)12-0040-04

文獻標識碼：A

DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2016.12.017

作者簡介：張冬冬（1989-），男，山東威海人，碩士，學生，主要研究方向為機電一體化，塑料焊接。

收稿日期：2016-5-20

基金項目:家電送風系統設計及制造的數字化、智能化技術研究與應用(2013CXTD01)，貫流風扇葉超聲波焊接機器人研發及柔性生產線示范（2013AH100013）。