MF4018型齒條自動焊接機的研究與分析

陳明輝 陳海燕 劉德華

摘 要：本文根據手動焊接機焊接勞動力強、效率低的問題，對手動焊接機改型成自動焊接機，對焊接機的機構進行重新設計，指出了各零部件的空間運動情況，對焊接機力學分析時選用的方程進行了闡述，在控制系統上對各機構運動的先后順序進行了設計，設計出電動相連的半閉環控制系統，能夠提高焊接位置準確性。

關鍵詞：齒條；焊接機；伺服控制；5自由度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.005

0 引言

焊接技術在汽車、造船、航天飛機等多種機電產品中得到了廣泛應用。焊接技術主要包含兩大類：一類是人工焊接，這種焊接技術導致生產效率低、生產產品的質量受人為因素的影響很大；一類是自動化焊接，這種焊接技術適合大批大量生產，焊接質量高效率高。當時的自動焊接機有焊接機器人焊接機、龍門焊接機、雙爪焊接機。本焊機是齒條焊接機，被焊接工件是一種齒條刀具，齒條頂部很容易磨損，因此刀尖處焊接硬質合金刀尖。

1 焊接機結構設計與力學分析

1.1 焊接機結構設計

齒條自動焊接機主要由機械結構部分、伺服控制部分、圖像采集部分組成。該焊接機以點對點形式實現準確焊接的設備。圖1所示為焊接機的機械結構部分，是焊接中的執行構件，4齒條是待焊工件，它是一種切削設備。如果齒條刀尖是普通鋼材做成，在切割時很快會磨損掉，因此在4齒條每個齒頂處焊接硬質合金3刀頭，在焊接時需要4齒條能夠在X軸上實現橫向移動。3作為刀尖的焊絲為250mm長圓柱形狀，在焊接時要求能夠實現Y軸移動。2切割片能夠實現Z軸運動。為了讓刀尖前角為正，3焊絲需要能夠實現B軸轉動。在焊槍的尾端設有空間可調的三段夾持機構，焊槍利用彈性螺母還可實現C軸的轉動微調。設計此焊接機可實現X、Y、Z軸移動，B、C轉動，共5個自由度運動，每個自由度控制由單一電機實現，從而實現焊接過程的點對點執行元件的控制。

1.2 焊接機力學分析

焊接機力學分析法有正問題研究和逆問題研究兩大類：正問題是知道焊接機執行構件的力矩，求解位移、速度等；逆問題是知道執行元件的位移、速度，求解力矩等。本機型是實現自動化對點焊接，已知位移、速度，所以采用逆問題研究方法。

逆問題分析法要選用動力學分析方程，方程有高斯方程、凱恩方程、牛頓方程，拉格朗日方程。由于本機型要用三維軟件進行模擬，做近似分析，拉格朗日方程是不封閉的可以做近似分析，因此選用拉格朗日方程。

2 焊接機控制系統的建立

隨著電子技術、計算機技術、數控技術的發展，當前焊接機控制系統主要包括基于單片機的控制系統、基于可編程控制器的數控系統（PLC）、基于工業計算機的數控系統（工業PC）。工業PC能具有可視化的人機對話功能、良好的通信接口功能，本焊接機要求實現加工狀態實施監控、加工不同零件的參數化調節的功能，因此在控制系統的前端使用工業PC控制。PLC對執行元件的適應性強、與PC的具有良好的接口功能，因此本模型下端控制系統采用PLC控制。在本焊接機PLC控制中，實現焊接精度高、效率高是控制的重點。焊接機的X軸、Y軸、Z軸機構對焊接部件的精度、效率有著重要影響。本齒條焊接機控制的先后順序依次是：X軸4齒條移齒、Y軸3焊絲送料、C軸1焊接爪擠壓、C軸1焊接爪焊接、C軸1焊接爪焊接復位、X軸和Z軸2切割片切割、X軸和Z軸2切割片復位、C軸1焊接爪擠壓復位、Y軸3焊絲復位、Y軸3焊絲轉動。

焊接機的三軸運動采用圖2所示的全閉環控制，將反饋環節直接接到工作臺上，電動機設有應變片可以采集信號，將得到的信號與初始值進行比較，從而使控電機做出加減動作。將位置調節器換成速度傳感器就可以實現對焊接工件速度的控制。

3 結論

本文對齒條自動焊接機的結構進行了設計，重點對各零部件的運動進行了分析，對焊接機的力學分析時選用的方程進行了闡述，在控制系統上對各機構運動的先后順序進行了設計，設計出工作臺相連的的全閉環環控制系統，能夠提高焊接位置準確性。

課題來源：河北省教育廳青年基金項目。課題編號：QN2017360

作者簡介：陳明輝（1986-），碩士研究生，助教，主研方向：機械設計及數字控制。