變壓器油箱焊接流水線機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(學(xué)院鹽城工學(xué)院機(jī)械工程，江蘇鹽城，224051)

引言

作為變壓器重要組成部分，變壓器油箱加工始終停留在手工焊接的尷尬境地，很難保證變壓器油箱質(zhì)量的穩(wěn)定性。這種狀況和變壓器油箱工藝要求高相矛盾，例如變壓器油箱加工時(shí)要求無夾砂、無滲漏以及焊縫均勻等[1]；在運(yùn)行過程形變少[2]等；另一方面，高水平的焊工當(dāng)前也是極其短缺。為此，本文提出一種變壓器自動(dòng)焊接流水線的方案，可以很好解決當(dāng)前變壓器生產(chǎn)企業(yè)面臨的問題。

采用PLC控制方式，劉宗佳設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化焊接流水線[3]。采用此流水線極大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)克服人工操作帶來的人為干擾因素。但是這種流水線是一種通用流水線，并沒有考慮到變壓器焊接的實(shí)際情況。當(dāng)前焊接流水線全部采用機(jī)器人[4, 5]，雖然可以避免人工手動(dòng)焊接的缺陷，但都存在各種各樣的弊端，例如價(jià)格昂貴、使用過程復(fù)雜，對(duì)操作者技術(shù)要求較高、焊接調(diào)試過程周期長等問題。因此，本文在深入研究變壓器油箱焊接工藝路線基礎(chǔ)上，通過分析變壓器油箱泄露、滲透、外觀不美觀的原因著手，考慮到操作方便性條件，提出變壓器油箱自動(dòng)焊接方案。

1 變壓器油箱機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本文要解決的焊接產(chǎn)品如圖1所示，主要包括5大部分，包括長短散熱翅、上下底板和立柱。因此，為了實(shí)現(xiàn)變壓器油箱自動(dòng)焊接，需要解決各個(gè)部分的下料裁剪、運(yùn)輸、擺放、固定等關(guān)鍵的動(dòng)作。為了生產(chǎn)效率的最大化，各個(gè)環(huán)節(jié)要實(shí)現(xiàn)時(shí)序的無縫銜接。這個(gè)問題可以通過控制系統(tǒng)的調(diào)試來完成。另外，為了適應(yīng)不同型號(hào)變壓器的焊接，整個(gè)流水線的設(shè)計(jì)具有一定彈性。

1-短散熱翅 2-長散熱翅 3-底板 4-側(cè)立柱 5-箱沿

圖1 產(chǎn)品三維圖

在考慮上述因素后，結(jié)合人工手動(dòng)焊接流程，總體加工路線如圖2所示。從這個(gè)加工路徑能夠看出，變壓器焊接流水線機(jī)械系統(tǒng)包括三大子系統(tǒng)，即送料系統(tǒng)、擺放系統(tǒng)以及焊接系統(tǒng)。送料系統(tǒng)主要功能是將框架材料以及散熱片輸運(yùn)到指定的位置，并將焊接好的產(chǎn)品輸運(yùn)到出料口，例如角鋼經(jīng)過裁切機(jī)構(gòu)裁切后通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸運(yùn)到焊接位置；擺放系統(tǒng)主要將送料系統(tǒng)輸運(yùn)來的零配件安放在確定的位置并夾緊，防止焊接過程中各個(gè)零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)；焊接系統(tǒng)功能按設(shè)置的時(shí)序?qū)Π惭b好的零部件進(jìn)行加工。

圖2 變壓器油箱總體加工路徑

經(jīng)過對(duì)流水線的功能分析后，最終確定變壓器油箱自動(dòng)焊接流水線的總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。為了保證系統(tǒng)的連續(xù)工作，提高生產(chǎn)率，各個(gè)子系統(tǒng)在位置上要緊湊，在時(shí)序上要能匹配。

圖3 變壓器油箱自動(dòng)焊接流水線的機(jī)械系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，運(yùn)料系統(tǒng)需要解決底板、等邊和不等邊角鋼以及散熱翅輸運(yùn)問題。在輸運(yùn)等邊和不等邊的角鋼之前首先要解決角鋼的裁切問題，因此，在整個(gè)流水線系統(tǒng)的運(yùn)料子系統(tǒng)有二大類。一類是帶有裁切功能的運(yùn)料子系統(tǒng)，包括底析運(yùn)輸裝置、等邊角鋼輸運(yùn)裝置以及不等邊輸運(yùn)裝置；另一類是直接把散熱翅片輸運(yùn)到指定位置的運(yùn)料子系統(tǒng)，包括散熱翅片輸運(yùn)裝置。

底板運(yùn)輸功能要求包括：具有自動(dòng)定位和固定的作用；快速啟停，安全性高；同時(shí)兼顧人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)原則等。通過傳動(dòng)和運(yùn)輸方案的比較，運(yùn)料系統(tǒng)采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力，帶式輸送機(jī)作為輸運(yùn)機(jī)構(gòu)，形成了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)機(jī)構(gòu)，其示意圖如圖4所示。

圖4 底板運(yùn)輸示意圖

對(duì)于底板運(yùn)料系統(tǒng)，還需要考慮角鋼的裁切問題。以等邊角鋼裁切為例，其工藝路線如圖5所示。首先角鋼放置在底板運(yùn)輸系統(tǒng)的帶式輸送機(jī)構(gòu)，通過自動(dòng)對(duì)正固定后(圖4中沒有標(biāo)出)，在帶式輸運(yùn)機(jī)的牽引作用下運(yùn)動(dòng)到指定位置，觸動(dòng)到砂輪機(jī)啟動(dòng)開關(guān)后，帶式輸運(yùn)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，砂輪機(jī)落下(圖4未標(biāo)注)。裁切后角鋼繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到搬運(yùn)位置，等待擺放系統(tǒng)搬運(yùn)和擺入。

圖5 等邊角鋼裁切工藝方案

2.2 擺放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裁切后的材料需要擺放到特定的位置才能進(jìn)行焊接。通過分析零件圖需要焊接位置，擺放子系統(tǒng)包括四個(gè)部分: 等邊角鋼擺放、不等邊角鋼擺放、箱沿移位裝置以及散熱翅片擺放裝置(本項(xiàng)設(shè)計(jì)中等邊角鋼和不等邊角鋼是采用的自制的機(jī)械手)。

以等邊和不等邊角鋼的擺放裝置為例。在這個(gè)裝置中，需要考慮到這類材料的抓取、移動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此本項(xiàng)目中采用四軸圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如下。整個(gè)機(jī)械手由機(jī)身、大臂、小臂和手部四部分組成。機(jī)身安裝在滑動(dòng)導(dǎo)軌上，其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。大臂的升降由伺電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，通過螺母副的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。小臂的伸縮由豎直方向的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過錐齒輪將動(dòng)力傳遞給水平方向的滾珠絲杠，同樣由絲杠螺母副帶動(dòng)小臂伸縮。手部的轉(zhuǎn)動(dòng)由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，爪部通過氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)關(guān)節(jié)使得夾板開合。通過各個(gè)關(guān)節(jié)的相互配合可將截切完畢的(不)等邊角鋼擺放至規(guī)定位置，以備焊接。機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖和手部結(jié)構(gòu)見圖6。

在手部結(jié)構(gòu)中，4伺服電機(jī)用來控制手腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手爪的開合運(yùn)動(dòng)由1、2、 5以及6構(gòu)成。當(dāng)氣缸活塞左(右)腔通氣時(shí)，氣缸活塞桿伸出(縮回)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)使得手部張開(閉合)，完成了零件的抓取和放下。通過和其它的回轉(zhuǎn)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合，從而實(shí)現(xiàn)零件的抓取、搬運(yùn)以及安放等動(dòng)作。

下圖中，1-手腕(氣缸固定蓋)、2-氣缸、3-聯(lián)軸器、4-伺服電機(jī)、5-活塞桿、6-夾爪(多桿機(jī)構(gòu))

圖6 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)。

2.3 焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的功能分解，焊接系統(tǒng)主要由三大部分組成，即不等邊角鋼焊接裝置、主體框架焊接裝置以及散熱翅焊接裝置。為了節(jié)約生產(chǎn)成本并使整體布局緊湊有序，主體框架及散熱器的焊接處于一條直線上，采用同一套五軸焊接機(jī)械臂完成焊接作業(yè)。

以不等邊角鋼焊接裝置為例，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理如圖7所示。裝置由滾珠絲杠升降機(jī)與一個(gè)焊接部分組成。焊接部分由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)齒輪，再由齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩側(cè)導(dǎo)桿做相向運(yùn)動(dòng)。工作原理：不等邊角鋼擺放完成之后，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，螺母副帶動(dòng)焊接部分沿導(dǎo)桿上下移動(dòng)；焊接頭內(nèi)部裝有微型伺服電機(jī)可驅(qū)動(dòng)焊接頭的擺動(dòng)。通過一次下降完成內(nèi)壁焊接，上升一段距離后伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)，焊接頭向兩側(cè)移動(dòng)，接下來，通過第二次下降完成外縫焊接。

3 結(jié)束語

焊接流水線機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解決了變壓器油箱人工焊接缺陷。通過將整個(gè)系統(tǒng)分解成三大子系統(tǒng)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括運(yùn)料系統(tǒng)、材料擺放系統(tǒng)以及焊接系統(tǒng)。對(duì)于每個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們分別進(jìn)行了功能分析，結(jié)構(gòu)校核以及力學(xué)分析，保證了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性以及可靠性。另外，在進(jìn)行零件選型時(shí)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、社會(huì)以及環(huán)境等對(duì)本產(chǎn)品的影響。本設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)變壓器油箱焊接的自動(dòng)化、系列化生產(chǎn)，極大地降低了生產(chǎn)成本，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。