一種基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的全自動刀柄碰焊機

潘新宇 伍玩秋 林毅貞

（陽江職業(yè)技術(shù)學院 機電系，陽江 529566）

在五金刀剪制造領域，金屬刀具的刀柄一般由兩塊對稱的不銹鋼刀柄手柄部件焊接而成。加工刀柄時，需要利用相應的碰焊設備焊接兩個刀柄部件。碰焊機又稱電阻焊機，利用焊接區(qū)本身的電阻熱和大量塑性變形能量，使兩個分離表現(xiàn)的金屬原子間距離接近晶格距離，從而形成金屬鍵，并在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠的共同晶粒得到焊點、焊縫或?qū)咏宇^[1]。

現(xiàn)有的刀柄碰焊機設備主要存在兩類問題：一類是刀柄碰焊機屬于半自動化設備，焊接刀柄時需要人工上料將兩個需要焊接的刀柄元件放置一起進行焊接，存在質(zhì)量不穩(wěn)定、自動化程度不高、生產(chǎn)成本高以及效率低等缺點；另一類屬于自動化設備，利用機械手與活動轉(zhuǎn)盤的機構(gòu)能夠自動實現(xiàn)刀柄激光焊接作業(yè)，但結(jié)構(gòu)復雜、制造成本高，難以滿足中小型企業(yè)的需求，且仍需要人工篩選刀柄、人工參與刀柄送料，無法解決自動送料和成品自動輸送的技術(shù)問題，尚未實現(xiàn)生產(chǎn)流程的全自動化[2]。

針對上述問題，筆者設計了一款全自動刀柄碰焊機。利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的各種邏輯控制功能，通過硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計實現(xiàn)不銹鋼刀柄焊接的自動化，從而解決現(xiàn)有刀柄碰焊機生產(chǎn)中遇到的問題。

1 全自動刀柄碰焊機的技術(shù)設計方案

全自動刀柄碰焊機由刀柄自動送料裝置、自動焊接裝置、刀柄成品輸送機構(gòu)和控制電箱組成[3]，如圖1所示。

首先，刀柄自動送料裝置將刀柄篩選后排序，導入工作臺的輸送軌道；其次，在送料裝置和重力的共同作用下，將待焊接的左右刀柄元件一起送至自動焊接裝置工位的焊接模組；再次，焊接模組在氣缸的推動下合攏到刀柄元件內(nèi)表面，自動焊接裝置接通電流將兩個不銹鋼刀柄元件焊接；最后，待刀柄碰焊完成后，焊接模組縮回，刀柄成品脫離焊接模組，同時下方的電動擋板縮回，在重力作用下將刀柄成品通過刀柄成品輸送機構(gòu)運送到下一工位。

2 刀柄自動送料裝置的設計

刀柄自動送料裝置由安裝座、電磁式振動單元、右刀柄振盤料斗、選向機構(gòu)、定向機構(gòu)、左刀柄振盤料斗、二合一軌道、電動擋板機構(gòu)斜軌道以及電動擋板機構(gòu)組成。振盤在工程上又稱振動盤或振動料斗，是一種倒錐形的盤狀或圓柱容器，具有體積小、送料平穩(wěn)、出料速度快、結(jié)構(gòu)簡單、維護簡單以及成本低廉的優(yōu)點，廣泛應用于自動化制造[4]。刀柄自動送料裝置是基于振盤送料裝置開發(fā)的。在料斗的螺旋軌道上設置專門針對刀柄結(jié)構(gòu)開發(fā)設計的選向機構(gòu)和定向機構(gòu)，可以將料斗內(nèi)集中放置、姿態(tài)方向雜亂無章的刀柄按規(guī)定的方向連續(xù)輸送到焊接工位或暫存取料工位，實現(xiàn)對刀柄自動輸送和自動定向功能。定向機構(gòu)和選向機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實現(xiàn)自動送料的技術(shù)方案如下。第一，安裝在安裝座上的電磁式振動單元產(chǎn)生高頻振動，在左刀柄振盤料斗和右刀柄振盤料斗內(nèi)，散亂無序的刀柄由于受到這種振動而沿所述料斗的螺旋軌道上升至選向機構(gòu)和定向機構(gòu)。若符合所需姿態(tài)的刀柄則通過，否則跌落振盤料斗內(nèi)重新爬升。第二，符合姿態(tài)的刀柄有序進入二合一軌道，由于電動擋板機構(gòu)的擋板升起，擋板擋住后面的刀柄，使刀柄前端與擋板對齊。第三，當擋板下降時，左刀柄和右刀柄在刀柄自動送料裝置送料的作用下同時進入斜軌道。第四，電動擋板機構(gòu)的擋板再次升起，擋板后面的刀柄控制電箱送料裝置和電動擋板動作，以保證每次進入斜軌道的刀柄為配對刀柄。斜軌道是指有特定長度的封閉軌道且中間設置有一定長度的隔板。電動擋板機構(gòu)的擋板伸出并配對刀柄塊，在重力作用下進入封閉軌道到達預焊接位置。

3 自動焊接裝置的設計

碰焊機焊接原理是利用焊接模組正負兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧融化被焊的兩個材料，以達到兩個材料結(jié)合的目的[5]。

刀柄碰焊時產(chǎn)生的熱量Q為：

式中：Q為產(chǎn)生的熱量，J；I為焊接電流，A；R為電極間電阻，Ω；T為焊接時間，s。

焊接刀柄和電阻示意圖，如圖3所示。

焊接電阻R為：

式中：Re1、Re2分別為焊接模組內(nèi)阻；Rc1為左焊接模組與左刀柄的接觸電阻；Rc2為右焊接模組與右刀柄的接觸電阻；Rc3為左刀柄與右刀柄的接觸電阻；Rt為焊接刀柄的電阻。

實現(xiàn)自動焊接的技術(shù)方案：第一，刀柄在電動擋板機構(gòu)的擋板、斜軌道的封閉軌道、焊接模組的左模組和右模組的作用下定位；第二，焊接推進氣缸進一步合攏，焊接模組的左模組和右模組，使左、右刀柄碰焊面完全接觸；第三，刀柄完全定位合攏后，自動碰焊裝置開始碰焊工作；第四，刀柄碰焊完成后，電動擋板機構(gòu)的擋板退回到初始位置，已碰焊加工的刀柄在重力作用下進入刀柄成品輸送機構(gòu)；第五，電動擋板機構(gòu)的擋板伸出，焊接模組退回到初始位置，電動擋板機構(gòu)的擋板繼續(xù)下降；第六，擋板后面的刀柄在刀柄自動送料裝置送料和重力共同作用下同時進入斜軌道。

刀柄成品輸送機構(gòu)的傳送帶將已加工的刀柄輸送到下一道工序。控制電箱的PLC控制系統(tǒng)控制刀柄自動送料裝置、自動碰焊裝置和刀柄成品輸送機構(gòu)工作。

4 結(jié)語

刀柄自動送料裝置采用振盤送料裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、送料效率高以及易維護等優(yōu)點。利用振盤送料裝置可解決工件自動送料問題，刀柄利用重力作用送料進入焊接預定位，節(jié)能且高效。該送料方案解決了傳統(tǒng)手工生產(chǎn)方式存在人工送料效率低、成本高、勞動強度高以及危險性大的難題。焊接定位可采用擋板、斜軌道的封閉軌道、焊接模組的左模組和右模組配合工作，在重力作用下保證刀柄快速進入焊接加工前預定位位置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低以及無須人工參與等優(yōu)點。自動碰焊裝置采用傾斜角度焊接的方式，利用重力作用使刀柄快速進入焊接加工前預定位位置，其左模組和右模組可以保證刀柄定位準確，從而保證焊接質(zhì)量。

該設備的最大特點是利用重力作用送料，具有節(jié)能高效、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、易維護以及無須人工參與刀柄送料等優(yōu)點，有利于減少企業(yè)用工成本，可為我國五金刀剪企業(yè)的智能制造升級更新提供解決方案。