基于DN系列点焊机的自动化实现

王智强 陈廷友 王彦喆

摘 要：目前制造行业中基本都是采用脚踏式DN系列点焊机将金属零部件焊接，这与工业现代化生产极不匹配，亟需改进和发展。基于DN系列基础创新研发的智能点焊机，对于设备安全，操作者劳动强度，产品品质都有积极作用。通过对其自动化控制的改进，即可以替代，又能完成不同规格、不同用途的金属件焊接，操作方便、节省人工，合格率高，是一种符合市场发展的创新产品。

关键词：DN系列点焊机；点焊；运动控制器；伺服驱动；自动化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.099

0 前言

DN系列点焊机采用双面双点过流焊接的原理，工作时点焊机两个电极通过加压使多层待焊金属在焊枪电极的压力下形成接触电阻，焊接电流在电极间流经时接触点形成瞬间的热熔接。机械结构为通过杠杆加压踏板下面弹簧进行传动，实现焊枪电极接触并对工件施加压力。为了便于阐述问题，这里的金属零部件以汽车发动机（潍柴斯太尔）气缸密封垫为例来说明。但不受本实例的限制，并且还会有各种变化和改进。

1 DN系列点焊机现状

一般情况下，DN系列点焊机在工作时，操作者手端工件并将密封垫上的待焊点与模板孔位置对应后脚踏开关进行逐个焊接，工件上焊点数量20到30不等，有些工件焊点更多，焊接后还要把工件与模板分开转到下一工序，下一个待焊工件还要定位对孔，一天下来眼花缭乱、精疲力尽，对操作者身心带来损害。通过对一家金属气缸密封垫焊接成型厂家进行调研后得出：该工艺有点焊操作者42人，其中多为长期工。即使一名多年工作的熟练工从早8：00到晚8：00扣除吃饭时间后在接近十个半小时里最多能焊接800片工件，合格率仅为93%。而这些所谓合格工件还存在焊接点深浅、焊蚀、焊点大小不一，工件的外观一致性很差等诸多弊端。

2 初始问题的描述

DN系列点焊机需要工人手持工件放入电极中间，确定需要焊接的位置，然后脚踏踏板使工件上下两个电极接触，根据点焊工作原理，熔核尺寸和焊点强度需要在一定范围内用焊接时间与焊接电流来补充。大电流和短时间或者小电流和长时间来获得一定强度的焊点，但对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下限，可以参考此标准。

DN系列点焊机依赖于操作者手工操作，对于新工人而言，需要相当长的一段时间进行训练才能准确的确定焊点。而在操作过程当中会受到很多因素的影响，比如踩踏压力不均匀会造成焊点击穿或者焊接不牢，电极抬起压下速度变快会造成焊点拉丝，工件抖动造成焊点面积不均匀，而在手工操作的条件下，这些问题是很难避免的。因此，希望借助改进装置的设计达到避免外部因素影响、提高产品质量，降低对人体依赖性的目的。这对很多产业的工业化生产都具有不可估量的作用。

3 机械结构改进的设计

现有的DN系列点焊机机械传动和电气控制都很简单，跟不上行业发展步伐，亟需进行改造设计、优化完善其功能。原装置为实现点焊自动成型提供了基础保证。出于对工件精度和质量以及生产商生产效率的综合考虑，根据理论分析，对新型装置的方案构思如下：

3.1 气动升降装置取代原有的脚踏连杆机构

依据脚踏连杆机构工作原理采用由气缸、滑块、光轴、气动三联件、减压器、电磁阀、磁性开关等组成气动升降装置。通过电磁阀得失电来控制气缸的拉伸和回缩，进而控制原来点焊机上下两个焊枪触头接触或分离。在气缸缸杆端面安装顶板，顶板随着气缸动作控制行程开关的触头接通、断开，而行程开关触头的通、断决定点焊机电极放电状态，再用时间继电器调整电极放电时间。根据工件材料、厚度、形式，选择焊接电流、焊接时间、焊接压力等技术参数[1]。

设备及操作者人身安全是工程技术人员设计时首先考虑的，既要保证人员、设备安全又要考虑降低焊接电阻两大主要因素。为了保证焊接电极放电时不发生触电，在兩个焊枪电极与设备接触部分都做绝缘保护，所有固定螺丝也都通过绝缘层与其螺母旋紧，待焊的工件下面有绝缘材料与设备移动平台进行隔离，焊接过程及取放工件安全可靠。

3.2 自动成型机构代替手工操作

自动成型机构主要由设备基座、X轴、Y轴滑动模组构成的机械手、工件移动平台、电控系统等组成的智能装置替代DN系列点焊机手动操作的装置，电控系统是设备操作核心。

3.3 自动成型的控制系统设计

3.3.1 运动控制器

运动控制器用来控制位置、速度、扭矩，一般用在工控设备CNC或数控设备上。控制结构模式一般为：控制装置+驱动器+步进或伺服电机。把一些普遍性的运动控制功能固化其中，用户根据组态来调用这些功能块或指令，进而减轻编程难度，制造成本、技术性能等方面也有优势。运动控制器是一种特殊的PLC，专职用于运动控制。而这种运动控制在专用机器中应用方便，运动形式简单。本装置采用了两轴运动控制器，每轴均可输出脉冲和方向信号，以控制电机的运转；同时，可外接原点、减速、限位等开关信号，以实现回原点、保护等功能，提供了用于开关量控制的I/O接口[2]。

3.3.2 伺服驱动电机

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，工作原理相似于变频器控制普通交流马达，这种伺服系统主要应用在高精度定位中。对伺服马达控制通常采用位置、速度和力矩三种方式来实现高精度的传动系统定位，目前在传动技术属于高端产品。本装置设有两个伺服驱动器，分别是X轴伺服驱动器和Y轴伺服驱动器。

交流伺服电机通过电极的定子绕组中产生幅值，频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电机转子所产生的感应电流相互作用产生磁场扭矩，从而实现电机的旋转。

3.3.3 基于运动控制器的控制系统

该系统通过获取点焊机移动平台的位移信息， 再经过前置处理后得到相位差为90°的两路位移脉冲信号， 其频率与移动平台位移速度成正比， 运动控制器接收到指令后， 向交流伺服驱动器发出控制脉冲信号， 经驱动器放大后驱动电机， 使电机按照相应的频率和角位移运行[3]，运动控制器及伺服驱动器组成的控制系统图如图2所示。

控制系统主要应用的指令有：直线插补、绝对运动、增量运动、子程序开始、调用、子程序结束、输出状态、程序回零、程序循环、中断操作、延时等待、绝对跳转及参数设置等。

4 自动点焊成型机的样机测试

自动点焊成型机经过市场调研、机械结构与电气控制的设计、论证、加工制造、调试运行等环节后一台样机投入使用，待焊工件以一种潍柴斯太尔气缸密封垫为例来试验。这种密封垫由上、下两层金属板和中间的调整板组成，在调整板里面镶嵌密封胶圈，通过设备将这三层板点焊一起。焊接时将斯太尔气缸密封垫放在移动平台上，接下来由运动控制器、伺服驱动器、伺服电机、X轴滑动模组、Y轴滑动模组组成的自动控制系统按照设计的程序来执行动作进而完成工件的焊接过程。

设计的这套自动点焊成型机，通过气缸升降来取代脚踏开关，使两电極每次在受力均匀情况下进行焊接，通过工件移动平台取代操作者手端工件，使焊枪两极触头可靠接触，这样一来，“脚踏”、“手端”功能得以实现。待焊工件定位也减少了一半并处于一个可控的标准状态。而且，劳动效率大大提高一个操作者完全可以同时操作4到5台设备。不仅劳动力成本节省，产品产量提高，企业经济效益增加，产品合格率达到99% 以上，而且还能通过修改程序来实现更多功能。

5 自动点焊成型机测试结果

合格的金属密封垫基本要求焊点清晰，深浅、大小、颜色一致，焊核尺寸规范、垫片焊后平整。焊接中不出现拉毛、断弧现象，焊接时工件定位数量少，定位准确、快速，焊接后分离容易，焊枪两极触头不用频繁修整，不能有三层板错位、焊点重复或缺失、两侧严重翘曲等不合格垫片出现。

下表为在一家企业使用自动点焊成型机与原来DN系列点焊机进行焊接比对实验，每台待焊工件数量不少于2万件，测试设备为正常使用状态，其它条件相同。

如表分析可以看出自动点焊成型机设计合理、性能可靠，产量和效率明显提升，企业经济效益增加，产品具有很大市场竞争优势。装置程序编写、修改、调试、维修都容易学习，得到用户肯定，受到青睐。

6 小结

基于DN系列的点焊自动成型机是集机、电、气于一体的自动控制设备。不仅实现电、气联动、机、电联动，还实现了将金属密封垫放在移动平台后，在运动控制器、伺服驱动、交流电机、刹车制动共同作用下自动完成金属密封垫的焊接整个过程，将传统的“手端”、“脚踏”功能通过程序控制得以实现。并可以拓展完成不同材质、不同规格、不同用途的汽车发动机金属密封垫焊接，在不锈钢制品、电子元器件、化工设备、建筑机械修造及工业生产中薄板焊接等领域将会有所应用。

参考文献：

[1]王双林，王宏亮，王建.金属密封垫自动点焊成型机的研制[J].现代机械，2017（10）.

[2]樊亚妮，刘克荣.基于运动控制器的全闭环控制系统[J].现代电子技术，2006（12）.

[3]罗炳军，陈健，樊亚妮.基于运动控制器的开放式运动控制系统研究与应用[J].工业仪表与自动化装置，2006（06）.

为通讯作者