密封壳体全自动焊接机的研究

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1　引言

　　为适应电冰箱压缩机大规模生产的需要，我们开发研制了压缩机密封壳体全自动焊接机，实现了密封壳体焊接的全自动化生产要求。该设备采用可编程序控制器(PLC)控制、气压驱动、直流调速、自动气体保护焊、双机械手搬运、仿形靠模等技术，并设置了气压不足、水压不足、断丝、气体保护、料满、仿形轮脱开等各种报警系统，且性能良好，提高了产品质量和生产效率。班产600台。先后在北京、浙江等五家压缩机公司投入使用，其性能达到或超过了意大利同类进口设备，而造价仅为进口设备的四分之一。

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2　机械传动系统

密封壳体全自动焊接机总体布局如图1所示。工位1是预装工位，操作者将待焊的压缩机从来料传输线上搬至预装工位(也常用一个三自由度机械手自动完成)。按下启动按扭，双机械手将预装工位上的待焊件搬至加工工位(工位2)的同时，将加工工位上的已焊件搬至卸料工位(工位3)。加工工位的特制气缸完成定心夹紧后，压头将上下壳紧密压严，仿形滑台上的焊枪快进后便开始焊接，与此同时双机械手复位，卸料机构动作。操作者将下一个工件搬至预装工位，按下启动按钮，等待下一个工作循环的开始。

图1　焊接机总体布局示意图
1.压头支架　2.仿形滑台　3.来料辊道　4.工位1　5.双机械手
　6.工位2　7.工位3　8.成品辊道

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2.1　双机械手部件
　　双机械手部件安装在龙门支架上，如图2所示。它具有快速进退、提落和松夹三个自由度。快速进退速度可达800mm/s。行程终端有缓冲减速和精确的定位装置，以保证快速而又平稳；提落行程设有终端限位装置，起保护活塞部件的作用；松夹机械手是一件特殊结构的气动执行件，如图3所示，体积小、精度高、动作灵活可靠，单侧开合行程为8mm。

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图2　双机械手运动示意图

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图3　定心夹具示意图

2.2　工作台旋转部件
　　工作台旋转由直流电动机(400W、1500r/min)经减速器(i=1∶380)驱动，如图4所示。工作台上部是定心夹具，其结构与双机械手的结构相同；中部安装有仿形凸轮，用来控制焊枪与工件的相对运动轨迹，以形成所需要的椭圆曲线；由于定心夹具使用气压传动，所以最下端是旋转进气接头，通过主轴中心通孔将压力气体送至夹具体气缸。

图4　工作台结构简图
1.电机　2.减速器　3.机座　4.仿形凸轮　5.定心夹具　
6.工件　7.旋转进气接头　8.同步齿形带

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2.3　仿形滑台部件
　　仿形滑台的结构示意图如图5所示。焊枪安装在焊枪调位装置上，可以沿X、Y方向移动和Z方向转动，用以调节焊枪的最佳倾角和起弧距离，以保证焊缝质量。快进退支架在其气缸的驱动下，可以沿导轨移动50mm，以便于工件的装卸。压缩机上下壳的结合面是一个椭圆，当工件绕其中心转动的过程中，其半径R是一个变值，所以需要焊枪在X方向能有相应的位移，压轮及滑板在仿形凸轮和仿形气缸的控制下，实现所需要的位移，形成椭圆轨迹。

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图5　仿形滑台结构简图
1.工件　2.焊枪　3.焊枪　调位机构　4.快进退支架
5.快进退气缸　6.滑板　7.轴承座　8.仿形气缸　9.支座
10.导轴　11.压轮　12.凸轮

3　气压传动系统

　　该焊接设备除工作台旋转使用了直流电动机外，其余运动均采用气压传动，其中7个气缸为进口件，3个气缸是自行设计制造的。下面对部分元件作一简要说明，双机械手的开合，由FC1和FC2传感器检测，只有当FC1和FC2均为ON时，机械手才处于开合位。压头处装有三个检测传感器FC7、FC8和FC9，FC7和FC9为活塞运动极限位置传感器，FC8为压头工作位传感器。只有当FC8为ON时，才能进行焊接；FC9为ON时，表明定心夹具上没有工件，并立刻报警。
　　压头回路中装有减压阀，通过该阀可调节压头的压紧力大小，使上下壳体紧密合拢，而不会使定心夹具承受过大压力。
　　仿形回路中压力继电器的作用是：在维护设备时，通过手动换向阀使焊枪后退；再次投入工作后，应将手动换向阀接通仿形气压；当气压为0时，整机不能投入工作，防止因误操作而发生事故。仿形压头与仿形凸轮的压紧力靠该回路中的减压阀调节。
　　总回路中也安装了压力继电器，当气压不足时，控制系统报警，停止焊接。系统所采用的换向阀除仿形回路采用手动外，其余各回路均选用电磁换向阀。

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4　电控系统

　　控制系统采用西门子的PLC控制，输出均通过中间继电器动作。PLC共有8个输入模块，5个输出模块。输入模块主要包括电源110V输出、手动/自动选择、各种报警输入、双手启动按扭、焊机接通、故障复位、气压检测以及各执行件位置信号反馈等。输出模块包括接通焊机、工件计数、正反转延时以及各执行件电磁阀的驱动等。其控制系统结构框图如图6所示。

图6　控制系统结构框图

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　　如前所述，上下壳结合轨迹为一椭圆，为了在整周焊接过程中，保证质量，使焊缝厚度均匀、美观，就必须保证焊点处相对于椭圆中心运动的线速度基本恒定。而当焊点处于短轴或长轴处时，其线速度相差甚大。为了解决这个问题，我们采用了直流调速系统，并且通过实验，选定几个离散点(如图7所示)，即选定几种递变速度，即可满足实际生产要求。为此，开发了一套发光二极管检测装置，配合可控硅调速装置，圆满地解决了焊缝轨迹问题。这套检测装置属非接触式，较目前国外设备所用的齿轮齿条电位器式的检测装置，具有性能可靠、寿命长、调速性能好等特点，其示意图如图8所示。

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图7　工件变速取点图

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图8　调速原理示意图
1.直流电机　2.仿形凸轮　3.焊枪　4.仿形滑台
5.发光二极管　6.遮光板　7.调速装置

　　仿形滑台在仿形凸轮的控制下，移动其上的遮光板，不同位置遮挡的二极管数量不同，从而转换成不同幅值的电信号，输入到可控硅直流调速装置中，控制直流电机的转速。

5　结束语

　　密封壳体全自动焊接机的研制成功，使电冰箱压缩机的生产向自动化迈进了一步，大大提高了产品的质量和生产率，减轻了工人劳动强度，经济效益和社会效益显著。其机械系统、控制系统的关键技术也适用于各种非圆曲线壳类产品。【MechNet】