伸縮縫專用型材自動焊接系統設計與應用

鄧 菲，鄧乃伏，龐增拴

DENG Fei1 , DENG Nai-fu2 , PANG Zeng-shuan1

（1.河北省機電一體化中試基地，石家莊 050081；2.衡水中鐵建工程橡膠有限責任公司，衡水 053000）

0 引言

伸縮縫廣泛應用于房屋、橋梁等建筑物，在其生產過程中需要將若干鋼棒等間距焊接在型材上面。目前伸縮縫專用型材棒料焊接普遍采用人工操作，針對大尺寸鋼棒的焊接，需要采用螺柱焊的方式進行，仍然采用人工持槍焊接會導致次品率居高不下，且焊接效率較低。

為解決上述問題和市場需求，本文設計了一種伸縮縫型材專用自動焊接設備，實現了棒料螺柱焊接的全自動運行，并應用在相關生產企業，應用情況表明，該系統可以有效提高焊接效率，且與人工操作相比，焊接強度更高，形成的焊縫更均勻。

1 焊接系統組成及工作過程

焊接系統包括焊接設備和控制系統，圖1所示為安裝應用在生產現場的雙工位焊接設備的結構示意圖，焊接設備包括料盤、取料機構、焊接機構、拉料機構；控制系統主要包括觸摸屏、PLC主站、PLC從站和伺服驅動裝置。系統采用直流反接拉弧式螺柱焊接方式，將棒料接正極，型材接負極，以減少氣孔和飛濺；采用雙工位焊接可以進一步提高生產效率。焊接過程如下：

1）準備工作：將裝有陶瓷環套的棒料擺放在料盤上，在觸摸屏上設置參數，開啟自動控制；

2）下料：料盤配合取料機械手移動，由取料機械手取料并送至焊接機械夾手的夾鉗處，焊接機械夾手夾住棒料，下料機械夾手松開夾鉗返回初始取料位；

3）螺柱焊接：棒料與型材接觸后，取電，焊接機械夾手帶動棒料上提再下壓，完成焊接動作；

4）型材移動：拉料機構拉動型材向前移動，準備進行下一個棒料的焊接。

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圖1 焊接系統整體結構示意圖

2 焊接設備機械結構設計

2.1 取料機構

料盤運動到位后，取料機構執行取料動作，料盤與取料機構配合實現精確取料。取料機構包括取料機械手和相應的驅動裝置，取料機械手具有三個自由度，手臂通過齒輪齒條傳動在水平、豎直兩個方向上移動，底部夾手可以轉動。底部夾手驅動裝置的結構如圖2所示，由氣缸推動下方的凸輪結構轉動，從而帶動機械夾手轉動。

圖2 夾手驅動裝置結構圖

2.2 焊接機構

焊接機構主要包括焊接正極、焊接負極、焊接機械夾手及驅動裝置，如圖3所示。裝有彈簧的銅電極作為正極，焊接前，氣缸活塞推桿推動正極下移，與棒料頂端接觸；焊接負極設計為對稱的兩個電極，在型材移動到位后，向上移動至與型材下表面接觸。經現場試驗驗證，與單電極相比，雙電極可以有效避免磁偏吹的現象；將雙負電極與型材的下表面接觸，可以獲得更均勻的焊縫；在負電極下方加裝軟橡膠墊，以應對接觸面不平的情況。

圖3 焊接機構結構圖

2.3 拉料機構

拉料機構主要包括拉料抓手及驅動裝置。焊接完成后焊接機械夾手張開然后回退至安全位置，正電極上升至頂，主站PLC檢測到正電極和焊接機械夾手的到位信號后，控制拉料抓手夾住型材，拉料抓手頂部安裝的電機輸出軸帶動齒輪轉動，齒輪在兩條型材焊接線之間設置的齒條上移動，從而帶動拉料裝置移動，將兩側的型材同時拉動提前設置好的距離，以焊接下一個棒料。

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計

上位機采用觸摸屏，下位機系統設置一個PLC主站，兩個PLC子站；觸摸屏、主站、子站之間通過以太網進行通信，控制系統的結構如圖5所示。觸摸屏采用具有800MHz RISC CPU的步科MT4512TE，PLC采用三菱可編程控制器MELSEC IQ-F，伺服驅動器采用MELSERVO-JE系列的AC伺服放大器。

圖4 控制系統結構示意圖

圖5 自動焊接程序流程圖

3.2 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計包括上位機監控界面設計和控制器程序設計，其中，上位機使用Kinco HMIware組態軟件組態編程。監控界面主要包括主界面、系統運行監視界面，用戶登錄后可進入報警查詢界面、參數設置界面和手動控制界面。用戶登錄后可自行設置取料機械夾手、焊接機械夾手的位置和速度、焊接時間、棒料焊接間距、焊接棒料的數目等參數，還可以將幾種常用的伸縮縫裝置的相關數據保存為參考數據包便于焊接生產時調用。

控制器使用GX Works3軟件進行編程，焊接系統包括自動和手動兩種控制模式，在程序設計中分別對應兩個子程序，在主程序中根據一定條件調用，程序流程圖如圖5所示。在現場使用過程中，考慮到主站、子站控制的設備不同，將程序設計為三部分，分別下載至3個PLC中，在保證安全生產的情況下兼顧開放性，以使系統能夠適用不同尺寸的螺柱和型材。

4 結語

焊接設備研發完成后，建設了應用示范工程，安裝的焊接設備尺寸為26.5m×3.3m×2.5m，可以焊接直徑10mm與16mm的帶帽或不帶帽的直棒料，經系統調試和試運行后，已正式投入生產運行。目前，使用該設備焊接時，型材移動速度能夠達到150mm/s，焊接機械手最大的移動速度為200mm/s，焊接棒料的速度為10個/min。現場使用情況表明，該系統性能穩定、焊接效果好、工作效率高、降低了次品率，能夠滿足日常生產要求。