陈明辉 陈海燕 刘德华

摘 要：本文根据手动焊接机焊接劳动力强、效率低的问题，对手动焊接机改型成自动焊接机，对焊接机的机构进行重新设计，指出了各零部件的空间运动情况，对焊接机力学分析时选用的方程进行了阐述，在控制系统上对各机构运动的先后顺序进行了设计，设计出电动相连的半闭环控制系统，能够提高焊接位置准确性。

关键词：齿条；焊接机；伺服控制；5自由度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.005

0 引言

焊接技术在汽车、造船、航天飞机等多种机电产品中得到了广泛应用。焊接技术主要包含两大类：一类是人工焊接，这种焊接技术导致生产效率低、生产产品的质量受人为因素的影响很大；一类是自动化焊接，这种焊接技术适合大批大量生产，焊接质量高效率高。当时的自动焊接机有焊接机器人焊接机、龙门焊接机、双爪焊接机。本焊机是齿条焊接机，被焊接工件是一种齿条刀具，齿条顶部很容易磨损，因此刀尖处焊接硬质合金刀尖。

1 焊接机结构设计与力学分析

1.1 焊接机结构设计

齿条自动焊接机主要由机械结构部分、伺服控制部分、图像采集部分组成。该焊接机以点对点形式实现准确焊接的设备。图1所示为焊接机的机械结构部分，是焊接中的执行构件，4齿条是待焊工件，它是一种切削设备。如果齿条刀尖是普通钢材做成，在切割时很快会磨损掉，因此在4齿条每个齿顶处焊接硬质合金3刀头，在焊接時需要4齿条能够在X轴上实现横向移动。3作为刀尖的焊丝为250mm长圆柱形状，在焊接时要求能够实现Y轴移动。2切割片能够实现Z轴运动。为了让刀尖前角为正，3焊丝需要能够实现B轴转动。在焊枪的尾端设有空间可调的三段夹持机构，焊枪利用弹性螺母还可实现C轴的转动微调。设计此焊接机可实现X、Y、Z轴移动，B、C转动，共5个自由度运动，每个自由度控制由单一电机实现，从而实现焊接过程的点对点执行元件的控制。

1.2 焊接机力学分析

焊接机力学分析法有正问题研究和逆问题研究两大类：正问题是知道焊接机执行构件的力矩，求解位移、速度等；逆问题是知道执行元件的位移、速度，求解力矩等。本机型是实现自动化对点焊接，已知位移、速度，所以采用逆问题研究方法。

逆问题分析法要选用动力学分析方程，方程有高斯方程、凯恩方程、牛顿方程，拉格朗日方程。由于本机型要用三维软件进行模拟，做近似分析，拉格朗日方程是不封闭的可以做近似分析，因此选用拉格朗日方程。

2 焊接机控制系统的建立

随着电子技术、计算机技术、数控技术的发展，当前焊接机控制系统主要包括基于单片机的控制系统、基于可编程控制器的数控系统（PLC）、基于工业计算机的数控系统（工业PC）。工业PC能具有可视化的人机对话功能、良好的通信接口功能，本焊接机要求实现加工状态实施监控、加工不同零件的参数化调节的功能，因此在控制系统的前端使用工业PC控制。PLC对执行元件的适应性强、与PC的具有良好的接口功能，因此本模型下端控制系统采用PLC控制。在本焊接机PLC控制中，实现焊接精度高、效率高是控制的重点。焊接机的X轴、Y轴、Z轴机构对焊接部件的精度、效率有着重要影响。本齿条焊接机控制的先后顺序依次是：X轴4齿条移齿、Y轴3焊丝送料、C轴1焊接爪挤压、C轴1焊接爪焊接、C轴1焊接爪焊接复位、X轴和Z轴2切割片切割、X轴和Z轴2切割片复位、C轴1焊接爪挤压复位、Y轴3焊丝复位、Y轴3焊丝转动。

焊接机的三轴运动采用图2所示的全闭环控制，将反馈环节直接接到工作台上，电动机设有应变片可以采集信号，将得到的信号与初始值进行比较，从而使控电机做出加减动作。将位置调节器换成速度传感器就可以实现对焊接工件速度的控制。

3 结论

本文对齿条自动焊接机的结构进行了设计，重点对各零部件的运动进行了分析，对焊接机的力学分析时选用的方程进行了阐述，在控制系统上对各机构运动的先后顺序进行了设计，设计出工作台相连的的全闭环环控制系统，能够提高焊接位置准确性。

课题来源：河北省教育厅青年基金项目。课题编号：QN2017360

作者简介：陈明辉（1986-），硕士研究生，助教，主研方向：机械设计及数字控制。