全自動鋼帶卷圓焊接機構的研發和應用

游劍峰

（福建寶豐管樁有限公司，福州 350100）

隨著國家經濟的發展，管樁應用場景從鐵道橋梁等擴大到工業與民用等領域。全國范圍內的管樁生產企業越來越多，而目前與國內的管樁企業配套的設備廠商主要以生產傳統粗加工設備為主。近年來，管樁設備廠商也開始研發自動化設備和自動化生產線，而這需要漫長的技術積累過程。在傳統生產過程中，管樁生產過程中鋼帶卷圓焊接工藝存在效率低、勞動強度大以及可能會傷害焊接工人等問題。

1 傳統生產過程問題點分析

傳統生產過程中運用的是手動設備，從入料到產成品，整個過程存在大量的搬運作業。鋼材料質量和剛性大，導致工人勞動強度大[1]。鋼帶卷圓后，需要焊接成整體。傳統焊接工藝采用普通焊條，對工人的焊接專業技能要求較高。在焊接鋼帶接合縫時，工人需要用肉眼進行對位，而強光輻射容易損傷眼睛和裸露的皮膚，引起角膜結膜炎（電光性眼炎）、皮膚紅斑癥和紅外線白內障等職業疾病。焊接過程產生的反應煙氣，容易影響工人的呼吸系統。

2 鋼帶卷圓焊接的設計研發

2.1 鋼帶卷圓結構的設計優化

卷圓設備的幾種結構如圖1所示。

因手動鋼帶卷圓設備中最常用的卷圓結構是采用對稱結構，設計初期選擇圖1（a）結構作為設備卷圓的主體結構。實際設計研發過程中發現，該結構存在以下問題：卷圓完成后，鋼帶無法從動力輥處脫離出來；卷圓完成后，鋼帶接合處位置無法實現居中定位；鋼帶以水平方式入料，要保證入料正常，需先抬高動力輥，入料結束后動力輥再恢復原位，而動力輥上面的空間大小有限，難以實現大幅度動作[2]。

圖1 卷圓設備的幾種結構

經驗證發現，圖1（b）結構與圖1（a）結構存在相同的問題。經過不斷設計和調整，最終確定圖1（c）結構最適合做自動化控制。當輪2開始動作時，通過控制輪1的高度H1和距離L1，可以改變鋼帶的卷圓半徑，從而達到想要的鋼帶卷圓后的圓度尺寸，實現自動化控制[3]。

2.2 鋼帶卷圓居中定位結構研發

鋼帶從平直狀態彎曲成產品標準要求的圓形狀態是一種材料形變的過程[4]，最終成品狀態的鋼帶需要達到國標的尺寸要求，還需要方便后續焊接等工藝作業。

設計研發的兩種結構方式如下。第一種結構方式是通過主動輪轉動的周長確認鋼帶進料的長度。此方案結構簡單、控制方便，主動輪運轉的同時鋼帶也在前進。但是，實際使用時，鋼帶與主動輪接觸面存在打滑的可能性。鋼帶進料時會存在偏差，導致圓形狀態時不能閉合。第二種結構方式是采用機械定位方案，定位結構如圖2所示。設計一個導引裝置，保留主動輪但不作長度計量，導引結構下面安裝定位片，在鋼帶卷圓完成后，用三面定位結構（含側推輪、壓輪、主動輪和伺服電機）將鋼帶的兩端面壓在居中片上進行定位。樣機測試證明，采用機械定位方案，能夠完美滿足技術需求。

圖2 鋼帶卷圓居中定位結構

2.3 鋼帶對中接合的結構研發

在鋼帶卷圓居中定位完成后，需要接合焊接兩端面。這個環節要求圓形狀態鋼帶的兩端接合處要平齊，使鋼帶兩端焊接接合時牢固平整[5]。

鋼帶卷圓居中定位后，設計一結構從上面往下壓緊圓形鋼帶，同時左右兩側用壓緊機構壓緊。此時進行測試發現，左右側鋼帶形狀出現圓度差異，鋼帶兩端接合處不平整且有間隙，不良率達到了32%左右。這需要保證鋼帶的各位置硬度和平整度等一致，導致可適應性低，成本投入大。當右側固定壓緊不動而左側用伺服電機做控制精度調整時，鋼帶卷圓后兩端接合處閉合靠攏定位精準，結構如圖2所示。

經過50組樣品測試，圖2方案滿足實際生產制造需求，實際合格率達到99.5%以上，能夠實現鋼帶卷圓居中接合。

2.4 鋼帶卷圓居中接合后的焊接方案

目前，可適用的焊接方案有二氧化碳保護焊、氬弧焊和激光焊接[6]。其中，二氧化碳保護焊有焊渣飛濺和煙塵，不適合在小空間的機械結構內做焊接。激光焊接需要的空間大，而且成本高。氬弧焊不需要大空間，也無飛濺和煙塵等問題，是首選的合適焊接方案。

2.5 焊接控制系統設計和研發

鋼帶卷圓居中接合后，要把兩端焊接形成一個完整、牢固和標準的圓形鋼帶。此過程需要克服幾個難點：第一，鋼帶接合處需要平整不能有重疊；第二，焊接過程需要自動完成；第三，焊接完成后需要自動出料。

針對以上問題，解決方式如下。第一，結合圖2的結構，通過控制側推平移結構自動適應鋼帶兩端的接合點，避免出現重疊。第二，設計絲杠結構控制焊槍運行路線和速度，通過人機界面設置參數，結合可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）運行控制伺服電機，帶動絲杠實現整個焊接過程全自動、可量化和無人化。第三，控制系統設計。焊接完成后，側推平移結構和焊槍自動復位，絲杠帶動排出工位將焊接好的圓形鋼帶輸送到下一道工序。經實際測試使用，整體結構合理，生產節拍周期滿足計劃需求。

3 成套設備優點分析

局部的結構研發完成后可進行成套設備組裝，從而形成一套全自動鋼帶卷圓焊接設備，優點如下。

（1）實現了全自動運行控制，不需要人工參與，普通工人就能替代專業焊工完成，同時避免了人工作業時的弊端，減少了工位職業傷害。全自動生產時，小時產能相對提高了2.5倍。

（2）提高了材料投入量的控制精度，減少了材料浪費，做到了標準化生產，可通過參數設置調整實現自動切換，以適應生產不同的產品。

（3）控制系統可以計算和存儲設備的運行記錄和追溯生產情況，利于生產管理。

4 結語

全自動鋼帶卷圓焊接機構的研發和應用，是在人工作業的基礎上，結合管樁行業的特點的創造性設計研發，解決了管樁生產中鋼帶卷圓焊接的難題。目前，整套成品設備實際應用反饋良好。