车圈圆形焊缝全自动焊接设备的设计*

徐平凡,肖文勋,王 哲

(1.中山职业技术学院 机电工程学院，广东 中山 528404; 2.华南理工大学 电力学院，广州 510640；3.广东国哲自动化设备有限公司，广东 中山 518000)

0 引言

车圈圆形焊缝焊接难度较大，目前以人工焊接为主，焊接生产线上的每个工人将车圈的不同部件安装在各自的夹具上，调整夹具的位置调整工件的位置，使其达到平衡点，工人根据焊缝的大小调整焊接电源的电流大小和焊接速度，焊接完成后，由专人检测焊接工艺是否合格，若出现漏焊或过焊问题需返工，整个焊接过程工序复杂、效率低且易焊偏，难以保证产品质量。针对此问题，国内很多文献提出不同的解决措施，主要有：采用数控焊接方式[1-2]，造价高；圆形焊接专机[3]，编程复杂后期升级改造难；夹具的改造设计[4～6]，有一定的借鉴作用，但无法实现柔性生产。另外文献[7]提到的将焊枪安装在一转动台上，利用转动台的旋转带动焊枪转动进行焊接，这样能提高生产效率，也能保证产品质量，但焊枪的连接导线容易出现卷绕等情况，使用较为不便，且现有的焊接设备通常无法调节焊枪的位置，因此仅能适用一种尺寸规格的车圈，适用范围较窄。

为了解决上述问题，设计了一种车圈全自动焊接装置，包括转动机架、工件夹紧装置和横向驱动装置，焊枪安装在焊枪夹具上，车圈工件安装在工件夹紧装置上，驱动装置可驱动焊枪夹紧装置纵向移动至焊枪附近，焊枪对车圈工件进行自动焊接，驱动装置连续驱动工件夹紧装置转动，焊枪可连续对车圈工件上的圆形焊缝进行焊接，工人只需车圈工件的上下料，无需进行焊接操作，能有效降低工人的劳动强度保证操作安全，且能防止焊接偏离保证产品质量的一致性，经过实际应用，效果明显。

1 整体机械结构设计

车圈自动焊设备包括：机架、工件夹紧装置和焊枪夹紧装置，如图1所示。工件夹紧装置设置在机架上，机架上的第一驱动装置用于驱动工件夹紧装置横向转动，车圈工件固定在该工件夹紧装置上；焊枪夹紧装置以纵向滑动方式设置在机架上，并由第二驱动装置驱动，可相对机架上下移动，焊枪夹紧装置还包含焊枪夹具，并与车圈工件的焊缝纵向对齐，焊枪固定在焊枪夹具上。车圈工件安装在工件夹紧装置上，第二驱动装置可驱动焊枪夹紧装置纵向移动，使焊枪靠近车圈工件进行自动焊接，第一驱动装置可驱动工件夹紧装置转动，使焊枪对车圈圆形焊缝进行连续焊接，工人只需进行车圈工件的上下料作业，能有效降低工人的劳动强度，保证焊接质量的标准化。

1.机架 2.第一驱动装置 3.第二驱动装置，4.干脚轮，5.支脚 6.工件夹紧装置 7.燕尾式滑轨机构 8.焊枪夹紧装置 9.焊枪夹具 10.第一调整座 11.横向调整机构 12.第一锁紧机构 13.第二调整座 14.纵向调整机构 15.第二锁紧机构 16.手轮 17微调轮 18.手柄 19.车圈工件

图1 整体机械结构图

另外，第一驱动装置包括驱动电机、减速器和齿轮传动机构，驱动电机与减速器通过该齿轮传动机构，驱动工件夹紧装置转动，第二驱动装置则为一纵向的升降气缸，第一驱动装置和第二驱动装置也可采用电机驱动的丝杆机构、皮带轮机构等其他常用结构。

2 焊枪夹紧装置的设计

焊枪夹紧装置包括基座、第一调整座和第二调整座，如图2所示。基座设置在机架上并由第二驱动装置驱动，以纵向滑动方式相对基座上下移动；第一调整座通过横向调整机构实现横向移动，并由第一锁紧机构锁紧固定在基座上；第二调整座通过纵向调整机构设置在第一调整座上实现纵向移动，并由第二锁紧机构锁紧固定在第一调整座上；焊枪夹具设置在第二调整座上，这样能方便的对焊枪夹具的横向位置和纵向位置进行调节，从而使焊接设备能适用多种不同尺寸规格的车圈工件，有效增大了设备的适用范围。

1.机架 2.驱动电机 3.减速器 4.齿轮传动机构 5.第二驱动装置 6.传感器 7.干脚轮 8.支脚 9.工件夹紧装置 10.第三驱动装置 11.滑动架 12.夹紧组件 13.检测装置 14.基座

图2 焊枪夹紧装置机械结构图

如图3所示，焊枪夹紧装置上还配备了手轮和微调轮，便于工人对横向调整机构和纵向调整机构进行调节。其中，第一锁紧机构和第二锁紧机构均采用了锁紧螺栓结构，且在锁紧螺栓的头部设置有手柄，方便工人解锁和锁紧操作。

1.焊枪夹具 2.夹紧块 3.基座 4.第一调整座 5.横向调整机构 6.第一锁紧机构 7.第二调整座 8.纵向调整机构 9.第二锁紧机构 10.手轮 11.微调轮 12.手柄

图3 焊枪调整机械结构图

多个焊枪夹具环绕车圈工件的纵向中心轴周向均匀分布，夹具数量可根据实际情况灵活调整，焊枪夹具上的多个焊枪能够同时进行焊接作业，能够有效缩短加工时间，提高生产效率。其中焊枪夹具包括固定在一起的两个夹紧块，这两个夹紧块一起夹紧焊枪而对焊枪进行安装和固定，实际应用中，焊枪夹具也可采用其他常用的固定结构。

3 工件夹紧装置的设计

工件夹紧装置由底座和设置在底座上的若干工件夹紧机构组成，如图4所示。底座设置在机架上并由第一驱动装置驱动，可绕纵向中心轴转动；工件夹紧机构包括设置在底座上的第三驱动装置、滑动架和设置在滑动架上的夹紧组件，滑动架设置在底座上，并由第三驱动装置驱动可相对底座横向移动；各夹紧组件环绕底座的中心轴周向分布，可随滑动架横向移动，一起夹紧车圈工件，该工件夹紧装置能适用于多种不同尺寸规格的车圈工件，能够有效增大装置的适用范围。另外，滑动架设置在底座上，通过燕尾式滑轨机构横向滑动，能保证滑动架移动的平稳度，也能防止滑动架出现偏移而导致车圈工件出现松动问题，能有效保证产品质量。

1.工件夹紧装置 2.底座 3.第三驱动装置 4.滑动架 5.夹紧组件 6.圆柱夹紧件 7.燕尾式滑轨机构 8.检测装置图4 工件夹紧装置机械结构图

图4中第三驱动装置为横向驱动气缸，结构简单可靠，易于安装使用，第三驱动装置也可采用电机驱动丝杆机构等其它常用驱动结构，夹紧组件包括若干圆柱状的夹紧件，能牢固的对车圈工件进行夹紧和固定。

另外，工件夹紧装置设有一检测装置，机架上设有传感器和控制器，该控制器可通过位置传感器的检测结果，控制第一驱动装置的启停，能方便的检测焊接作业的进度，实现自动化作业，防止重复焊接，进一步降低工人劳动强度，保证产品质量。

4 试用验证

为了验证设计的可行性，完成了设备的制造，并应用到佛山市某车圈制造公司，经过一个月的调试和试运行，获得的改造前后对比数据如表1所示。

表1 改造前后对比数据表

从表中看出，改造前，焊接线每个工位配备1名焊接工人，完成工件的上下料、变位、固定和焊接工作，劳动强度大，且另需额外2名工人进行焊接工艺的检测，效率低下；改进后，由于不需要人工对工件进行变位和固定，整个焊接线只需要2名工人负责上下料，员工数和劳动强度大大降低，且保证焊接工艺的一致性。生产节拍达到3.5min/件，同时降至次品率<2‰，达到合同验收指标。

5 总结

为了解决车圈圆形焊缝的人工焊接带来的一些列问题，设计了一种车圈全自动焊接装置，包括转动机架、工件夹紧装置和横向驱动装置，焊枪安装在焊枪夹具上，车圈工件安装在工件夹紧装置上，驱动装置可驱动焊枪夹紧装置纵向移动至焊枪附近，焊枪对车圈工件进行自动焊接，驱动装置连续驱动工件夹紧装置转动，焊枪可连续对车圈工件上的圆形焊缝进行焊接，由于焊枪不需要转动，其电源线不易出现卷绕，方便安装和使用。工人只需车圈工件的上下料，无需进行焊接操作，能有效降低工人的劳动强度保证操作安全，且能防止焊接偏离保证产品质量的一致性，经过实际应用，效果明显。目前存在的缺点是仍需要人工上下料，后期将进一步改造成自动上下料。