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0前言

大直徑鋼管和平板類構(gòu)件對接在焊接過程中工作量大,且焊縫有一定規(guī)律，通常配備大型變位機(jī)或者焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其自動焊接,但現(xiàn)有自動焊機(jī)體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采購成本和使用成本很高，中小型企業(yè)難以承受。因此很多中小型企業(yè)仍依靠人工方法來完成此類環(huán)縫的焊接，不但勞動強(qiáng)度大,而且很難保證焊接質(zhì)量和提高工作效率。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種用于環(huán)縫自動焊接的焊接專機(jī)。焊機(jī)通過定位電機(jī)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組實(shí)現(xiàn)快速定心，通過CPU精準(zhǔn)控制環(huán)縫的自動焊接過程。焊接方法有C02焊接、混合氣體焊接、藥芯焊絲焊接印。這款自動定心的環(huán)縫焊機(jī)，適用于管子直徑變化范圍大且管子無法轉(zhuǎn)動的大管徑環(huán)縫焊接, 可快速定心并精確焊接，具有自動、高效、焊接效果好的優(yōu)點(diǎn)，并且可通過調(diào)節(jié)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的長度以適應(yīng)各種不同管子?？刂葡到y(tǒng)選用AVR單片機(jī)為核心,通過軟硬件的良好配合來實(shí)現(xiàn)各種焊接參數(shù)的設(shè)置、存儲與調(diào)整以及焊接過程的自動控制。

1總體設(shè)計(jì)

焊接工件為大直徑鋼管和平板，如圖1所示，管子直徑500-2 000 mm,變化范圍大,且工件體積較大,不適合轉(zhuǎn)動。

 

 

圖1焊接工件示意

 

設(shè)計(jì)了一套包括定心機(jī)構(gòu)和焊接機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng),其中定心機(jī)構(gòu)由機(jī)座、定位電機(jī)、3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組構(gòu)成;焊接機(jī)構(gòu)由焊接電機(jī)、焊接齒輪系、 焊槍支架構(gòu)成。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動定心和精準(zhǔn)焊接的功能，且焊機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡單輕便，易于操作。

另外設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，由CPU、開關(guān)、存儲 控制過程中的參數(shù)的存儲器和輸入設(shè)備組成。其中， CPU接收輸入設(shè)備的參數(shù)，以控制定位電機(jī)和焊接電機(jī)的運(yùn)行，并將參數(shù)存儲在存儲器上，實(shí)現(xiàn)定位過程的自動控制、焊接過程的自動控制、以及參數(shù)設(shè)置和存儲的高度自動化。

此款環(huán)縫焊機(jī)工作流程如下:(1)將設(shè)備放置或 懸掛在待焊接的管子內(nèi)部;(2)定位電機(jī)帶動3個(gè)曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)沿著機(jī)座的徑向同步運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)定位; (3)啟動焊接，引燃電?。?4)焊接信號識別并給出 電弧信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動;在電弧引燃的條件下，啟動 開關(guān)時(shí)，電弧熄滅，同時(shí)電機(jī)停止。

2機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)包括定位機(jī)構(gòu)和焊接機(jī)構(gòu)，如圖2所示，定位機(jī)構(gòu)包括機(jī)座、設(shè)置在機(jī)座上的定位電機(jī) 和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組由3個(gè)互成 120。的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，定位電機(jī)帶動每個(gè)曲柄 滑塊機(jī)構(gòu)沿著機(jī)座的徑向同步運(yùn)動;焊接機(jī)構(gòu)包括 焊接電機(jī)、由焊接電機(jī)帶動的焊接齒輪系和位于曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)組中心的焊槍支架。焊槍支架上設(shè)置一 橫桿，橫桿另一端設(shè)置一環(huán)縫焊接的焊槍。

2.1自動定心設(shè)計(jì)

定位電機(jī)通過定位齒輪組帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 組運(yùn)動，如圖3所示。當(dāng)定位電機(jī)帶動從動齒順時(shí) 針轉(zhuǎn)動時(shí),3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沿著機(jī)座的徑向同步 靠近管壁運(yùn)動。由于3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)之間互成 120。且始終保持同步運(yùn)動，即每個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沿 著管子徑向運(yùn)動的速度始終保持一致且運(yùn)動的起 始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻也始終保持一致，任意時(shí)刻每個(gè) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的端部距離曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組中心的 距離相等,所以當(dāng)3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)同時(shí)觸碰到管

 

圖2機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡圖

子內(nèi)壁時(shí)可確定焊槍支架位于管子內(nèi)部中心，并且 可利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的自鎖作用使定位擋塊夾緊 管子內(nèi)壁而不回彈。此時(shí)焊槍可實(shí)現(xiàn)在管子外側(cè)旋 轉(zhuǎn)一周，進(jìn)行環(huán)縫焊接；當(dāng)定位電機(jī)帶動從動齒逆 時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí),3個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離管子內(nèi)壁，可 快速恢復(fù)初始狀態(tài)。

 

圖3自動定心示意

 

2.2焊槍轉(zhuǎn)動系統(tǒng)

焊接轉(zhuǎn)動系統(tǒng)中的焊槍支架與曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 組、從動齒的中心重合。焊槍支架上設(shè)置一橫桿，橫 桿另一端設(shè)置環(huán)縫焊接的焊槍，使用時(shí)將設(shè)備放置 在待焊接的管子內(nèi)部或懸掛在管子內(nèi)部，其中設(shè)備 的位置是可移動的。因此，焊接過程中可以設(shè)置成 橫桿沿著焊槍支架旋轉(zhuǎn)或焊槍支架旋轉(zhuǎn)而橫桿固 定;優(yōu)選在機(jī)座上設(shè)置一個(gè)焊接電機(jī)，焊接電機(jī)通 過焊接齒輪組帶動焊槍支架轉(zhuǎn)動。

3控制系統(tǒng)

根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位過程的自動控制、焊接 過程的自動控制、參數(shù)的設(shè)置和存儲要求，選用AVR單片機(jī)作為控制核心閔，控制系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)接 收的輸入信號包括按鍵、開關(guān)、參數(shù)設(shè)定;輸出信號 包括焊機(jī)驅(qū)動信號、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動信號等。

 

3.1單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)

由于步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累 積誤差、控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化 產(chǎn)品中。而本系統(tǒng)中對自動定心機(jī)構(gòu)和焊槍旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)的位置和距離精度要求不高,所以均釆用開環(huán) 精度較高的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元仲氣選用42BYGH- 5402型步進(jìn)電機(jī),靜力矩0.6 N-m,配套驅(qū)動器為 WZM-2H042MH_o

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的輸入信號來自于單片機(jī)，如 圖5所示,OPTO為共陽端，接+5V；CP為脈沖信號， 脈沖頻率決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)決定步進(jìn) 電機(jī)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，即行走距離;DIR為方向信號：1為 正轉(zhuǎn),0為反轉(zhuǎn);FREE為鎖緊信號，1為鎖緊狀態(tài)， 0為自由狀態(tài)。

在實(shí)際運(yùn)行中，控制系統(tǒng)中預(yù)置4種速度:自 動定心速度、定心釋放速度、正常焊接速度、快速返 程速度，可通過操作開關(guān)切換速度。

3.2焊接過程控制系統(tǒng)

焊接過程由焊前準(zhǔn)備和焊接操作兩部分組成。

焊接準(zhǔn)備工作:將設(shè)備放置在待焊接管子內(nèi)部 或懸掛在管子內(nèi)部，其中設(shè)備的位置是非固定、可 移動的。參數(shù)輸入,CPU接收輸入設(shè)備的參數(shù)后控制 定位電機(jī)和焊接電機(jī)的運(yùn)行，并將參數(shù)存儲在存儲 器上。

焊接操作流程:啟動焊接，引燃電??；CPU識別 焊接信號并給出電弧信號來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動;在電弧 引燃的條件下，按啟動開關(guān)時(shí),CPU控制電弧熄滅, 同時(shí)電機(jī)停止工作。在任何位置啟動時(shí)，焊機(jī)焊接一周便會自動停止。

 

圖5步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的連接

4結(jié)論

該環(huán)縫焊機(jī)適用于管子直徑變化范圍大且管 子無法轉(zhuǎn)動的環(huán)縫焊接，可實(shí)現(xiàn)快速定位并精確焊 接，具有自動、高效的優(yōu)點(diǎn)，而且可通過調(diào)節(jié)曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)的長度來適應(yīng)各種不同的管子。實(shí)現(xiàn)了定位 過程的自動控制、焊接過程的自動控制、以及參數(shù) 設(shè)置和存儲的高度自動化。

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