一种离心风机蜗壳自动焊接工作站研制.pdf

线运动，调整焊枪位置或在焊接直线时用于直线插补， 图2风机自动焊接工作站机械结构图 3）跟踪器横臂，用于安装、固定焊缝跟踪器, 并在焊接时提供X轴方向跟踪贴合力；由齿轮齿条传 动副、直流减速电机组成，减速电机驱动轴与齿轮之 间通过电磁离合器连接，实现扭矩控制，并通过齿条 获得合适推进力，使焊卿踪器探头随时接触蜗越 缘,实现蜗壳轮廓跟踪;根据离心风机蜗壳常用尺寸, 跟踪器横臂行程设计为900 mmH； 跟踪器横臂连接处的X X轴方向装有齿轮齿条传动副， X轴方向跟踪动力来自减速电机驱动力、离心风机蜗 壳旋转时对上探头的反向推力，保证焊枪与焊缝在X 轴方向贴合；在焊缝跟踪器Z轴方向装有带弹簧导轨, Z轴方向跟踪动力来自弹簧弹力和下探头上的磁铁吸 力，使跟踪器做Z轴方向自适应跟踪，焊缝跟踪器结 构图如图3所示。 4）焊 2020年第41卷第3期自动化与信息工程33 焊枪安装在焊殲艮踪器支架上，调节焊殲艮踪器 使焊鎰艮踪器上、下探头分别接触蜗壳边綁 底板，如图4所示。在焊接离心风机蜗壳时，蜗壳随 转盘变位机转动，焊缝瞬器带着焊櫛艮随离心风机 蜗壳焊缝在X轴、Z轴方向上移动；焊丝端部始终位 于焊缝几何交线处并指向焊缝中心。 图4焊缝跟踪器安装示意图 2.2免工装设计 通过转盘变位机和焊鄭瞬器，可实现离心风机 蜗壳轮廓自动跟踪。在实际测试中，焊接工作站的自 动跟踪功能不仅适用于离心风机蜗壳阿基米德螺线 的轮廓，也适用于与阿基米德螺线相切的风机出风口 直线的轮廓，可实现一次性焊接成形。这样即使离心 风机蜗壳阿基米德螺线极坐标原点不在转盘变位机 圆心上，也能很好地跟踪焊缝，省去设计制作特殊工 装夹具。 为使离心风机蜗壳自动焊接工作站自动化程度 更高，操作更简便，在焊缝跟踪器上安装焊接起点、 终点行程开关，如图5所示。焊接起点行程开关用于 寻找焊接起点，由工人摆放离心风删壳并调整好焊 缝跟器上下探头与焊丝位置。启动转盘变位机反转, 当起点行程开关动作时停止，此位置为风机轮廓线焊 接起点。焊接终点行程开关在风机轮廓线焊接结束时, 由风机出口连接处挡板触动，向可编程逻辑控制器 PLC发出焊接停止指令。 图5跟踪器行程开关 3工作站控制系统设计 3.1工作站控制系统原理 离心风机蜗壳自动焊接工作站由F X3U-32MT PLC作为主控单元，采用集中控制模式，通过RS485 总线与各控制单元连接，实现手动控制、模拟焊接和 自动焊接等工作模式軋离心风机蜗壳自动焊接工作 站控制系统框图如图6所示。 图6离心风机蜗壳自动焊接工作站控制系统框图 34 杨绍忠陈培茂一种离心风机蜗壳自动焊接工作站研制 离心风机蜗壳自动焊接工作站焊接工作流程人 工将预处理好的离心风机蜗壳放上转盘变位机一调 整跟踪器位置使焊枪对准焊缝一反转转盘变位机使 焊枪对准焊缝起点十不起弧状态下执行模拟焊接一 确认焊接轨迹准确，并返回原点一正式焊接一焊接结 束，并取出成品。 离心风机蜗壳自动焊接工作站焊接工艺控制流 程问焊枪对准焊缝起点T按下启动按钮T启动跟踪 功能T保护气体接通T焊接电源引弧-自动送丝、转 盘变位机启动并进行自动焊接-终点行程开关动作 -送丝、转盘变位机停止-焊接电源收弧-时气体 断开T停止跟踪功能T焊接完成，并取出成品。 通过人机交互系统可对焊接电流、焊接电压、送 丝速度、焊接速度、起弧前提前送气时间、收弧后延 时停气时间等焊接工艺参数进行胆 3.2工作站控制系统关键技术 在焊接蜗壳阿基米德螺线时，焊枪相对不动，靠 转盘变位机带动蜗壳旋转实现焊接。由于蜗壳不是圆 形，螺线的半径随角度旋转而增大，根据V 可 知当角速度 转速不变时，螺线半径越大，焊 枪处的线速度”就越大。若转盘变位机转速保持不变, 则焊缝处线速度逐渐增加，影响焊接质量。根据焊接 工艺要求，焊接速度要相对稳定，可通过控制蜗壳旋 转速度来实现焊接点线速度不变。 3.2.1基于阿基米德螺线方程的转速计算方法 阿基米德螺线示意图如图7际，从阿基米德螺 线［7】的A点旋转到B点，旋转弧度为3,3,假设A点半 径为a,a,螺旋线每增加单位角度时r增加的数值为b,b, 则B点半径的极坐标方程式同为 r a bdr a bd 1 当0 0时，a a a 0为起点到极坐标原点的距 离，相当于蜗壳最小鈕，而极坐标原点就是转盘变 位机圆心问。 根据运动学公式，弧长届 s 〃，公式两边对 时间f求导，得 ds d0d0 ”、 2 At AtAt At 式中，竺“为当前线速度，即焊接速度；空为 dt dtdt dt 当前角速度，且“为当前转盘转速，则有v 2s。当v设定为常数即焊接速度不变时，有 结合式1,可得焊接转速”与回转角度0关系为 式中，“为转盘转速；v为焊接速度；a为蜗壳起点半 径；0为相对起点回转的弧度；b,b, 为常数。 由式4可计算蜗壳焊接过程中任意一点转盘转 速，转换成驱动转盘变位机的伺服电机脉冲数、脉冲 频率，从而控制蜗壳焊接速度，保持焊接速度相对稳 定孔 3.2.2基于传感器获取离心风机蜗壳半径的转速计 算方法 上述基于阿基米德螺线方程的转速计算方法,在 实际应用中针对批量产品焊接应用具有便利性，但对 于需要经常修改参数a, ba, b和0的小批量产品不太便 2020年第41卷第3期自动化与信息工程35 利，故提出基于轴专辭获取离心风机蜗壳鈕的 转速计算方法。 位置传感器安装示意图如图8所示，在焊缝跟踪 器横臂的齿轮齿条传动副处安装一个轴专感器，并 通过齿轮、齿条连接，反馈焊殲艮踪器横臂齿剝申缩 的长度，获得焊枪㈣7]。如图2际，令转盘变位 机圆心到焊缝跟踪器横臂支点的直线距离为Z；位置 传感器反馈焊醱艮踪器横臂支点到焊枪的距离为Zi, 根据焊枪紧贴离心风臧壳外轮廓，可计算出当前触 点的离心风机蜗壳半径『为 尸厶一厶 5 由v ar,v ar,可得 v ar 2itnv ar 2itn 厶一厶 6 图8位置传感器安装示意图 在焊接速度卩_定情况下，可得到转盘变位机转 速刃与厶1关系为 V V n 7---- kn 7---- k---------- 7 2兀,-厶L_LL_L、 此时v, L,L,丘为固定值。 此方法宜选择有位置记录的传感器，无需每次开 机都返回原点操作同。本文采用多圈式电阻传感器， 通过A/D转换向PLC提供位置数据。 4工作站实践效果 离心风机蜗壳自动焊接工作站在北京某锅炉厂 风机分厂实际应用，达到预期效果，主要表现在 1 提高产品质量，以往采用人工焊接离心风机 蜗壳会出现焊道弯曲、中断不连续、咬边等现象，焊 接完成后还需进行修补、打磨；但采用离心风机蜗壳 自动焊接工作站，可达到焊道波形、宽度、高度均匀 的效果，无需后期打磨，产品质量稳定可靠； 2 提高生产效率、降低劳动强度，离心风机蜗 壳自动焊接工作站可一次性完成离心风机蜗壳所有 角焊缝的自动焊接，提高了生产效率；以813离心 风机蜗壳为例，由于蜗壳尺寸较大，单人操作困难, 使用本工作站后,单个普通工人单班产量即达13件， 综合效率提高近2倍； 3 扩大产能，北京某锅炉厂风机分厂年产值约 7000万元,采用本工作站仅4个月即完成全年离心风 机蜗壳产量。目前全国近30家风机企业采用本工作 站进行蜗壳焊接。 参考文献参考文献 [1] 宋长健.离心风机蜗壳自动焊接机控制系统[J].天津职业院 校联合学报2006⑵34-36. [2] 刘涛,李银萍.基于等误差阿基米德螺线法的涡旋型线的拟 合算法研究[J].组合机床与自动化加工技术2019617-19. [3] 胡国飞，朱建春,张高超，等.变电站接地扁钢自动焊接机的焊 接系统设计[J].机电工程技术2019,485120-121233. [4] 谭智，宋福林何文学.饭金零件孔特征的提取及其PLC控制 模型[J].机械工程师,2019 982-84. [5] Dea nna Sessio ns, Alexa nder Co o k, Ka zuko F uchi, et a l. Origa mi-inspired frequency select ive surfece wit h fixed frequency respo nse under fo lding [J]. Senso rs,2019,1921 480 sma rt wa t er met er; da t a a cquisit io n 作者简介 麦伟明，男，1961年生，工程师，主要研究方向长度力学计量技术。E-ma il 13703041146139.co m 上接第36页 Development of Automatic Welding Workstation for Volute of Centrifugal Fans Ya ng Sha o zho ng1 Chen Peima o2 l.Na nha i I nfo rma t io n Techno lo gy Scho o l, F o sha n 528000, China 2.Le Liu Vo ca t io na l-Technica l Scho o l, F o sha n 528000, China Abstract The design a nd implement a t io n o f a n a ut o ma t ic welding wo rkst a t io n fo r cent rifuga l fa ns a im a t t he pro blems o f high dy na mic st rengt h a nd unst a ble qua lit y in t ra dit io na l ma nua l welding o f fa n vo lut e co nt o ur. This pa per int ro duces a n a ut o ma t ic welding wo rkst a t io n fo r vo lut e co nt o ur o f cent rifuga l fa n. The st ruct ure a nd wo rking principle o f sea m t ra cker a re int ro duced in det a il, co nt ro l sy st em principle o f wo rkst a t io n a nd key t echno lo gy o f welding pro cess. The wo rkst a t io n is a pplied in a fa ct o ry t o impro ve pro duct qua lit y , pro duct io n efficiency a nd expa nd pro duct io n ca pa cit y . Key words vo lut e o f cent rifuga l fens; Archimedes spira l; a ut o ma t ic welding; a ut o ma t ic t ra ck t ra cking; PLC co nt ro l 作者简介 杨绍忠，男，1983年生，本科，机电高级讲师，主要研究方向PLC自动控制系统应用、工业机器人系统集成应用。 E-ma il YSZ1717 陈培茂，男，1978年生，本科，电子讲师，主要研究方向工业自动化控制系统、工业机器人系统集成应用。 E-ma il cpm21163.co m 40