伺服系统在机座角板焊接中的应用

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 针对人工焊接机座角板出现的尺寸偏差、劳动强度高等弊端，采用伺服控制系统进行仿真设计专用夹具，可实现半自动化操作，有效提高了生产效率和产品质量，减轻了操作者的劳动强度。

    机座角板焊接是一道重要的生产工序，其目的是将角板通过凸焊机焊接固定在机壳上，使电机得以安装在风扇总成的风罩上。机座角板的分布有三等分均布的，也有非三等分分布的（如下图）。传统的焊接方法是： 操作者将机壳放入根据机座焊接高度定制的焊接夹具中，将角板放置在带有磁钢的夹具定位块内贴住机壳；将带有机座的焊接夹具置于凸焊机的焊接电极上；踩下脚踏开关，凸焊机焊接；手动旋转夹具到下一个角板焊接位置，重复步骤3，直至焊完所有角板；取下夹具，将焊好的机座取出，完成一次机座角板的焊接操作。

机座示意图

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    由于人工转动夹具，操作者在焊接时顶住夹具的作用力大小不同，会造成角板轴向定位存在误差。同时，整个操作过程操作者要重复转动多次，致使操作者劳动强度较高。种种问题影响了产品质量和生产效率，因此我们设计了一套半自动角板焊接夹具来解决上述问题。

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    根据机座角板焊接工序的特点，需要能够按要求重复转动固定的角度，故我们采用了伺服电机来控制焊接时的转动角度。伺服电机带有信号反馈，精度高，并且能提供足够的转矩带动夹具的转动。同时，使用单轴数控系统控制伺服驱动器，利用单轴数控系统的编程功能，我们编制出一套程序来模拟人工焊接时的动作顺序，实现了焊接自动化。为了保证焊接质量，我们设计了角板焊接座，用来安放夹具，实现分度转动、上下浮动、卸料等功能。从而较好地解决了半自动角板焊接夹具与凸焊机的接口，最大化地利用了原有的设备。

一 系统硬件设计

1、系统组成

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    系统的组成以及运行流程。

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2、角板焊接座

    角板焊接座的作用是加载并转动工件，提供一个浮动平台，由伺服电机通过焊接座的齿轮副来控制转动角度。焊接座通过弹簧、导套和导柱能上下浮动，在转动时脱开内电极，焊接时压紧内电极，从而避免夹具转动时的擦碰，能有效提高焊接质量。与焊接座配套使用的是在原有手工焊接夹具基础上改进的夹具，它的作用是固定机壳和角板的相对位置。在焊接座上，我们采用带磁钢的吸盘来吸住焊接夹具，代替人工的手压动作，以保证焊接时夹具不致脱落，避免角板轴向尺寸偏差。为了卸料的需要，我们还在焊接座上安装了卸料机构，它通过两个气缸联接一个卸料环推动焊接夹具脱离带有磁钢的吸盘，完成卸料。

3、伺服系统

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    伺服电机具有转矩大、精度高、可反馈的特点，可根据脉冲数来控制转动角度和转速。我们选用了上海开通数控有限公司的110HM-8M04030-F 伺服电机，它体积紧凑，转矩达到4N.m。

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    交流伺服驱动系统是控制伺服电机的装置，我们选用与电机相匹配的KT270全数字交流驱动系统。它采用DSP（数字信号处理器）芯片，加快了数据采集和处理速度，使电机运行性能良好。同时，它能够直接在驱动器面板上设置参数、调试、监视系统状态，外观简洁，结构紧凑。

    单轴数控系统KT700B在整个系统中相当于PLC的功能。它具有输入输出功能，自带液晶屏和键盘，可以直接在线编程控制和在线监控。通过它进行编程模拟人工操作步骤，可控制半自动角板焊接夹具。

4、电气系统和气动系统

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    主要用来控制输入和输出讯号，与凸焊机接口联接控制执行机构运行位置。

二 系统软件设计

1、系统参数设置

    （1）交流伺服驱动器的设置

    设置显示状态为监视运行状态；设置控制模式为位置控制模式，以控制伺服电机输出轴的位置；为了使转动更加平稳，设置适当的加减速时间；设置保护限制，比如最高转速、最高转矩等，以避免异常情况出现导致系统受损；建立工艺文件记录报警参数，及时了解系统的故障模式，采取应对措施。

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    （2）单轴控制器的设置

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    根据系统的试运行状况，调整各参数，使其运行稳定；设定系统参数，定义编程用常量、参考点；设置电子齿轮比，通过设置可以将夹具实际转动与脉冲数建立相应关系，便于控制；设定系统极值，确保系统稳定。

2、程序编写

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    程序编写是基于单轴控制器提供的数控指令编写的。指令采用顺序排列，根据人工操作时的顺序，编写程序。用SET指令接受输出信号，用WAT指令接受输入信号。SPEED指令控制速度，POS指令控制位置与角度。此外，还可以采用CALL 调用指令，循环执行相似的命令。

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三 试运行发现的问题及解决方案

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    系统组建好后，进行试生产。运行过程符合设计要求，并按照人工焊接的顺序执行，定位准确。同时，系统可根据实际生产要求，调整运行速度，满足生产节拍的要求。但在实际的操作中发现：夹具与焊接座的制造以及装配质量对系统的稳定可靠运行影响很大。因此，我们对夹具进行了优化，并在装配时进行适当的调整。

    起初，夹具易被压翘头，导致焊接后产品尺寸偏差大。我们在凸焊机上增加了预压装置，在焊接前先将焊接座压实，同时增加了护套以提高焊接座的刚度。然而，运行一段时间后发现，工件难以脱离夹具。于是，我们重新修整夹具，调整凸焊机上电极的位置，使焊接时工件受力均匀，不会使工件偏移卡死夹具导致难以脱出。同时，调整卸料气缸的压力以及卸料环与焊接座的间隙，使气缸顶出时更加顺畅。卸料气缸在卸料时，弹力很大，容易造成夹具弹出时使操作者受伤，同时损坏夹具。我们在工作台上设置了缓冲板，夹具在弹出后，先接触缓冲板减速，提高了系统的安全性。

    经过一段时间的试运行，角板焊接夹具系统能够按照预定要求，完成整个工作任务。生产出的产品质量符合设计要求，并且避免了人为因素的干扰，降低了操作者的劳动强度。在焊接夹具工作时，操作者可以腾出手进行下一个工件的装配，提高了生产效率。结合伺服系统的应用，将机电一体化技术应用到实际生产中，能够给我们带来更多的便利，创造更大的经济效益。【MechNet】