一种基于结构优化的全自动刀柄碰焊机

潘新宇 伍玩秋 林毅贞

（阳江职业技术学院 机电系，阳江 529566）

在五金刀剪制造领域，金属刀具的刀柄一般由两块对称的不锈钢刀柄手柄部件焊接而成。加工刀柄时，需要利用相应的碰焊设备焊接两个刀柄部件。碰焊机又称电阻焊机，利用焊接区本身的电阻热和大量塑性变形能量，使两个分离表现的金属原子间距离接近晶格距离，从而形成金属键，并在结合面上产生足够的共同晶粒得到焊点、焊缝或对接接头[1]。

现有的刀柄碰焊机设备主要存在两类问题：一类是刀柄碰焊机属于半自动化设备，焊接刀柄时需要人工上料将两个需要焊接的刀柄元件放置一起进行焊接，存在质量不稳定、自动化程度不高、生产成本高以及效率低等缺点；另一类属于自动化设备，利用机械手与活动转盘的机构能够自动实现刀柄激光焊接作业，但结构复杂、制造成本高，难以满足中小型企业的需求，且仍需要人工筛选刀柄、人工参与刀柄送料，无法解决自动送料和成品自动输送的技术问题，尚未实现生产流程的全自动化[2]。

针对上述问题，笔者设计了一款全自动刀柄碰焊机。利用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的各种逻辑控制功能，通过硬件系统设计和软件系统设计实现不锈钢刀柄焊接的自动化，从而解决现有刀柄碰焊机生产中遇到的问题。

1 全自动刀柄碰焊机的技术设计方案

全自动刀柄碰焊机由刀柄自动送料装置、自动焊接装置、刀柄成品输送机构和控制电箱组成[3]，如图1所示。

首先，刀柄自动送料装置将刀柄筛选后排序，导入工作台的输送轨道；其次，在送料装置和重力的共同作用下，将待焊接的左右刀柄元件一起送至自动焊接装置工位的焊接模组；再次，焊接模组在气缸的推动下合拢到刀柄元件内表面，自动焊接装置接通电流将两个不锈钢刀柄元件焊接；最后，待刀柄碰焊完成后，焊接模组缩回，刀柄成品脱离焊接模组，同时下方的电动挡板缩回，在重力作用下将刀柄成品通过刀柄成品输送机构运送到下一工位。

2 刀柄自动送料装置的设计

刀柄自动送料装置由安装座、电磁式振动单元、右刀柄振盘料斗、选向机构、定向机构、左刀柄振盘料斗、二合一轨道、电动挡板机构斜轨道以及电动挡板机构组成。振盘在工程上又称振动盘或振动料斗，是一种倒锥形的盘状或圆柱容器，具有体积小、送料平稳、出料速度快、结构简单、维护简单以及成本低廉的优点，广泛应用于自动化制造[4]。刀柄自动送料装置是基于振盘送料装置开发的。在料斗的螺旋轨道上设置专门针对刀柄结构开发设计的选向机构和定向机构，可以将料斗内集中放置、姿态方向杂乱无章的刀柄按规定的方向连续输送到焊接工位或暂存取料工位，实现对刀柄自动输送和自动定向功能。定向机构和选向机构结构如图2所示。

实现自动送料的技术方案如下。第一，安装在安装座上的电磁式振动单元产生高频振动，在左刀柄振盘料斗和右刀柄振盘料斗内，散乱无序的刀柄由于受到这种振动而沿所述料斗的螺旋轨道上升至选向机构和定向机构。若符合所需姿态的刀柄则通过，否则跌落振盘料斗内重新爬升。第二，符合姿态的刀柄有序进入二合一轨道，由于电动挡板机构的挡板升起，挡板挡住后面的刀柄，使刀柄前端与挡板对齐。第三，当挡板下降时，左刀柄和右刀柄在刀柄自动送料装置送料的作用下同时进入斜轨道。第四，电动挡板机构的挡板再次升起，挡板后面的刀柄控制电箱送料装置和电动挡板动作，以保证每次进入斜轨道的刀柄为配对刀柄。斜轨道是指有特定长度的封闭轨道且中间设置有一定长度的隔板。电动挡板机构的挡板伸出并配对刀柄块，在重力作用下进入封闭轨道到达预焊接位置。

3 自动焊接装置的设计

碰焊机焊接原理是利用焊接模组正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧融化被焊的两个材料，以达到两个材料结合的目的[5]。

刀柄碰焊时产生的热量Q为：

式中：Q为产生的热量，J；I为焊接电流，A；R为电极间电阻，Ω；T为焊接时间，s。

焊接刀柄和电阻示意图，如图3所示。

焊接电阻R为：

式中：Re1、Re2分别为焊接模组内阻；Rc1为左焊接模组与左刀柄的接触电阻；Rc2为右焊接模组与右刀柄的接触电阻；Rc3为左刀柄与右刀柄的接触电阻；Rt为焊接刀柄的电阻。

实现自动焊接的技术方案：第一，刀柄在电动挡板机构的挡板、斜轨道的封闭轨道、焊接模组的左模组和右模组的作用下定位；第二，焊接推进气缸进一步合拢，焊接模组的左模组和右模组，使左、右刀柄碰焊面完全接触；第三，刀柄完全定位合拢后，自动碰焊装置开始碰焊工作；第四，刀柄碰焊完成后，电动挡板机构的挡板退回到初始位置，已碰焊加工的刀柄在重力作用下进入刀柄成品输送机构；第五，电动挡板机构的挡板伸出，焊接模组退回到初始位置，电动挡板机构的挡板继续下降；第六，挡板后面的刀柄在刀柄自动送料装置送料和重力共同作用下同时进入斜轨道。

刀柄成品输送机构的传送带将已加工的刀柄输送到下一道工序。控制电箱的PLC控制系统控制刀柄自动送料装置、自动碰焊装置和刀柄成品输送机构工作。

4 结语

刀柄自动送料装置采用振盘送料装置，具有结构简单、制造成本低、送料效率高以及易维护等优点。利用振盘送料装置可解决工件自动送料问题，刀柄利用重力作用送料进入焊接预定位，节能且高效。该送料方案解决了传统手工生产方式存在人工送料效率低、成本高、劳动强度高以及危险性大的难题。焊接定位可采用挡板、斜轨道的封闭轨道、焊接模组的左模组和右模组配合工作，在重力作用下保证刀柄快速进入焊接加工前预定位位置，具有结构紧凑、制造成本低以及无须人工参与等优点。自动碰焊装置采用倾斜角度焊接的方式，利用重力作用使刀柄快速进入焊接加工前预定位位置，其左模组和右模组可以保证刀柄定位准确，从而保证焊接质量。

该设备的最大特点是利用重力作用送料，具有节能高效、结构简单、制造成本低、易维护以及无须人工参与刀柄送料等优点，有利于减少企业用工成本，可为我国五金刀剪企业的智能制造升级更新提供解决方案。