基于DN系列點焊機的自動化實現

王智強 陳廷友 王彥喆

摘 要：目前制造行業中基本都是采用腳踏式DN系列點焊機將金屬零部件焊接，這與工業現代化生產極不匹配，亟需改進和發展。基于DN系列基礎創新研發的智能點焊機，對于設備安全，操作者勞動強度，產品品質都有積極作用。通過對其自動化控制的改進，即可以替代，又能完成不同規格、不同用途的金屬件焊接，操作方便、節省人工，合格率高，是一種符合市場發展的創新產品。

關鍵詞：DN系列點焊機；點焊；運動控制器；伺服驅動；自動化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.099

0 前言

DN系列點焊機采用雙面雙點過流焊接的原理，工作時點焊機兩個電極通過加壓使多層待焊金屬在焊槍電極的壓力下形成接觸電阻，焊接電流在電極間流經時接觸點形成瞬間的熱熔接。機械結構為通過杠桿加壓踏板下面彈簧進行傳動，實現焊槍電極接觸并對工件施加壓力。為了便于闡述問題，這里的金屬零部件以汽車發動機（濰柴斯太爾）氣缸密封墊為例來說明。但不受本實例的限制，并且還會有各種變化和改進。

1 DN系列點焊機現狀

一般情況下，DN系列點焊機在工作時，操作者手端工件并將密封墊上的待焊點與模板孔位置對應后腳踏開關進行逐個焊接，工件上焊點數量20到30不等，有些工件焊點更多，焊接后還要把工件與模板分開轉到下一工序，下一個待焊工件還要定位對孔，一天下來眼花繚亂、精疲力盡，對操作者身心帶來損害。通過對一家金屬氣缸密封墊焊接成型廠家進行調研后得出：該工藝有點焊操作者42人，其中多為長期工。即使一名多年工作的熟練工從早8：00到晚8：00扣除吃飯時間后在接近十個半小時里最多能焊接800片工件，合格率僅為93%。而這些所謂合格工件還存在焊接點深淺、焊蝕、焊點大小不一，工件的外觀一致性很差等諸多弊端。

2 初始問題的描述

DN系列點焊機需要工人手持工件放入電極中間，確定需要焊接的位置，然后腳踏踏板使工件上下兩個電極接觸，根據點焊工作原理，熔核尺寸和焊點強度需要在一定范圍內用焊接時間與焊接電流來補充。大電流和短時間或者小電流和長時間來獲得一定強度的焊點，但對于不同性能和厚度的金屬所需的電流和時間，都有一個上下限，可以參考此標準。

DN系列點焊機依賴于操作者手工操作，對于新工人而言，需要相當長的一段時間進行訓練才能準確的確定焊點。而在操作過程當中會受到很多因素的影響，比如踩踏壓力不均勻會造成焊點擊穿或者焊接不牢，電極抬起壓下速度變快會造成焊點拉絲，工件抖動造成焊點面積不均勻，而在手工操作的條件下，這些問題是很難避免的。因此，希望借助改進裝置的設計達到避免外部因素影響、提高產品質量，降低對人體依賴性的目的。這對很多產業的工業化生產都具有不可估量的作用。

3 機械結構改進的設計

現有的DN系列點焊機機械傳動和電氣控制都很簡單，跟不上行業發展步伐，亟需進行改造設計、優化完善其功能。原裝置為實現點焊自動成型提供了基礎保證。出于對工件精度和質量以及生產商生產效率的綜合考慮，根據理論分析，對新型裝置的方案構思如下：

3.1 氣動升降裝置取代原有的腳踏連桿機構

依據腳踏連桿機構工作原理采用由氣缸、滑塊、光軸、氣動三聯件、減壓器、電磁閥、磁性開關等組成氣動升降裝置。通過電磁閥得失電來控制氣缸的拉伸和回縮，進而控制原來點焊機上下兩個焊槍觸頭接觸或分離。在氣缸缸桿端面安裝頂板，頂板隨著氣缸動作控制行程開關的觸頭接通、斷開，而行程開關觸頭的通、斷決定點焊機電極放電狀態，再用時間繼電器調整電極放電時間。根據工件材料、厚度、形式，選擇焊接電流、焊接時間、焊接壓力等技術參數[1]。

設備及操作者人身安全是工程技術人員設計時首先考慮的，既要保證人員、設備安全又要考慮降低焊接電阻兩大主要因素。為了保證焊接電極放電時不發生觸電，在兩個焊槍電極與設備接觸部分都做絕緣保護，所有固定螺絲也都通過絕緣層與其螺母旋緊，待焊的工件下面有絕緣材料與設備移動平臺進行隔離，焊接過程及取放工件安全可靠。

3.2 自動成型機構代替手工操作

自動成型機構主要由設備基座、X軸、Y軸滑動模組構成的機械手、工件移動平臺、電控系統等組成的智能裝置替代DN系列點焊機手動操作的裝置，電控系統是設備操作核心。

3.3 自動成型的控制系統設計

3.3.1 運動控制器

運動控制器用來控制位置、速度、扭矩，一般用在工控設備CNC或數控設備上。控制結構模式一般為：控制裝置+驅動器+步進或伺服電機。把一些普遍性的運動控制功能固化其中，用戶根據組態來調用這些功能塊或指令，進而減輕編程難度，制造成本、技術性能等方面也有優勢。運動控制器是一種特殊的PLC，專職用于運動控制。而這種運動控制在專用機器中應用方便，運動形式簡單。本裝置采用了兩軸運動控制器，每軸均可輸出脈沖和方向信號，以控制電機的運轉；同時，可外接原點、減速、限位等開關信號，以實現回原點、保護等功能，提供了用于開關量控制的I/O接口[2]。

3.3.2 伺服驅動電機

伺服驅動器是用來控制伺服電機的一種控制器，工作原理相似于變頻器控制普通交流馬達，這種伺服系統主要應用在高精度定位中。對伺服馬達控制通常采用位置、速度和力矩三種方式來實現高精度的傳動系統定位，目前在傳動技術屬于高端產品。本裝置設有兩個伺服驅動器，分別是X軸伺服驅動器和Y軸伺服驅動器。

交流伺服電機通過電極的定子繞組中產生幅值，頻率可變的正弦電流，該正弦電流產生的旋轉磁場與電機轉子所產生的感應電流相互作用產生磁場扭矩，從而實現電機的旋轉。

3.3.3 基于運動控制器的控制系統

該系統通過獲取點焊機移動平臺的位移信息， 再經過前置處理后得到相位差為90°的兩路位移脈沖信號， 其頻率與移動平臺位移速度成正比， 運動控制器接收到指令后， 向交流伺服驅動器發出控制脈沖信號， 經驅動器放大后驅動電機， 使電機按照相應的頻率和角位移運行[3]，運動控制器及伺服驅動器組成的控制系統圖如圖2所示。

控制系統主要應用的指令有：直線插補、絕對運動、增量運動、子程序開始、調用、子程序結束、輸出狀態、程序回零、程序循環、中斷操作、延時等待、絕對跳轉及參數設置等。

4 自動點焊成型機的樣機測試

自動點焊成型機經過市場調研、機械結構與電氣控制的設計、論證、加工制造、調試運行等環節后一臺樣機投入使用，待焊工件以一種濰柴斯太爾氣缸密封墊為例來試驗。這種密封墊由上、下兩層金屬板和中間的調整板組成，在調整板里面鑲嵌密封膠圈，通過設備將這三層板點焊一起。焊接時將斯太爾氣缸密封墊放在移動平臺上，接下來由運動控制器、伺服驅動器、伺服電機、X軸滑動模組、Y軸滑動模組組成的自動控制系統按照設計的程序來執行動作進而完成工件的焊接過程。

設計的這套自動點焊成型機，通過氣缸升降來取代腳踏開關，使兩電極每次在受力均勻情況下進行焊接，通過工件移動平臺取代操作者手端工件，使焊槍兩極觸頭可靠接觸，這樣一來，“腳踏”、“手端”功能得以實現。待焊工件定位也減少了一半并處于一個可控的標準狀態。而且，勞動效率大大提高一個操作者完全可以同時操作4到5臺設備。不僅勞動力成本節省，產品產量提高，企業經濟效益增加，產品合格率達到99% 以上，而且還能通過修改程序來實現更多功能。

5 自動點焊成型機測試結果

合格的金屬密封墊基本要求焊點清晰，深淺、大小、顏色一致，焊核尺寸規范、墊片焊后平整。焊接中不出現拉毛、斷弧現象，焊接時工件定位數量少，定位準確、快速，焊接后分離容易，焊槍兩極觸頭不用頻繁修整，不能有三層板錯位、焊點重復或缺失、兩側嚴重翹曲等不合格墊片出現。

下表為在一家企業使用自動點焊成型機與原來DN系列點焊機進行焊接比對實驗，每臺待焊工件數量不少于2萬件，測試設備為正常使用狀態，其它條件相同。

如表分析可以看出自動點焊成型機設計合理、性能可靠，產量和效率明顯提升，企業經濟效益增加，產品具有很大市場競爭優勢。裝置程序編寫、修改、調試、維修都容易學習，得到用戶肯定，受到青睞。

6 小結

基于DN系列的點焊自動成型機是集機、電、氣于一體的自動控制設備。不僅實現電、氣聯動、機、電聯動，還實現了將金屬密封墊放在移動平臺后，在運動控制器、伺服驅動、交流電機、剎車制動共同作用下自動完成金屬密封墊的焊接整個過程，將傳統的“手端”、“腳踏”功能通過程序控制得以實現。并可以拓展完成不同材質、不同規格、不同用途的汽車發動機金屬密封墊焊接，在不銹鋼制品、電子元器件、化工設備、建筑機械修造及工業生產中薄板焊接等領域將會有所應用。

參考文獻：

[1]王雙林，王宏亮，王建.金屬密封墊自動點焊成型機的研制[J].現代機械，2017（10）.

[2]樊亞妮，劉克榮.基于運動控制器的全閉環控制系統[J].現代電子技術，2006（12）.

[3]羅炳軍，陳健，樊亞妮.基于運動控制器的開放式運動控制系統研究與應用[J].工業儀表與自動化裝置，2006（06）.

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