伺服系統在機座角板焊接中的應用

針對人工焊接機座角板出現的尺寸偏差、勞動強度高等弊端，采用伺服控制系統進行仿真設計專用夾具，可實現半自動化操作，有效提高了生產效率和產品質量，減輕了操作者的勞動強度。

機座角板焊接是一道重要的生產工序，其目的是將角板通過凸焊機焊接固定在機殼上，使電機得以安裝在風扇總成的風罩上。機座角板的分布有三等分均布的，也有非三等分分布的（如下圖）。傳統的焊接方法是： 操作者將機殼放入根據機座焊接高度定制的焊接夾具中，將角板放置在帶有磁鋼的夾具定位塊內貼住機殼；將帶有機座的焊接夾具置于凸焊機的焊接電極上；踩下腳踏開關，凸焊機焊接；手動旋轉夾具到下一個角板焊接位置，重復步驟3，直至焊完所有角板；取下夾具，將焊好的機座取出，完成一次機座角板的焊接操作。

機座示意圖

由于人工轉動夾具，操作者在焊接時頂住夾具的作用力大小不同，會造成角板軸向定位存在誤差。同時，整個操作過程操作者要重復轉動多次，致使操作者勞動強度較高。種種問題影響了產品質量和生產效率，因此我們設計了一套半自動角板焊接夾具來解決上述問題。

根據機座角板焊接工序的特點，需要能夠按要求重復轉動固定的角度，故我們采用了伺服電機來控制焊接時的轉動角度。伺服電機帶有信號反饋，精度高，并且能提供足夠的轉矩帶動夾具的轉動。同時，使用單軸數控系統控制伺服驅動器，利用單軸數控系統的編程功能，我們編制出一套程序來模擬人工焊接時的動作順序，實現了焊接自動化。為了保證焊接質量，我們設計了角板焊接座，用來安放夾具，實現分度轉動、上下浮動、卸料等功能。從而較好地解決了半自動角板焊接夾具與凸焊機的接口，最大化地利用了原有的設備。

系統硬件設計

1、系統組成

系統的組成以及運行流程。

2、角板焊接座

角板焊接座的作用是加載并轉動工件，提供一個浮動平臺，由伺服電機通過焊接座的齒輪副來控制轉動角度。焊接座通過彈簧、導套和導柱能上下浮動，在轉動時脫開內電極，焊接時壓緊內電極，從而避免夾具轉動時的擦碰，能有效提高焊接質量。與焊接座配套使用的是在原有手工焊接夾具基礎上改進的夾具，它的作用是固定機殼和角板的相對位置。在焊接座上，我們采用帶磁鋼的吸盤來吸住焊接夾具，代替人工的手壓動作，以保證焊接時夾具不致脫落，避免角板軸向尺寸偏差。為了卸料的需要，我們還在焊接座上安裝了卸料機構，它通過兩個氣缸聯接一個卸料環推動焊接夾具脫離帶有磁鋼的吸盤，完成卸料。

3、伺服系統

伺服電機具有轉矩大、精度高、可反饋的特點，可根據脈沖數來控制轉動角度和轉速。我們選用了上海開通數控有限公司的110HM-8M04030-F 伺服電機，它體積緊湊，轉矩達到4N.m。

交流伺服驅動系統是控制伺服電機的裝置，我們選用與電機相匹配的KT270全數字交流驅動系統。它采用DSP（數字信號處理器）芯片，加快了數據采集和處理速度，使電機運行性能良好。同時，它能夠直接在驅動器面板上設置參數、調試、監視系統狀態，外觀簡潔，結構緊湊。

單軸數控系統KT700B在整個系統中相當于PLC的功能。它具有輸入輸出功能，自帶液晶屏和鍵盤，可以直接在線編程控制和在線監控。通過它進行編程模擬人工操作步驟，可控制半自動角板焊接夾具。

4、電氣系統和氣動系統

主要用來控制輸入和輸出訊號，與凸焊機接口聯接控制執行機構運行位置。

系統軟件設計

1、系統參數設置

（1）交流伺服驅動器的設置

設置顯示狀態為監視運行狀態；設置控制模式為位置控制模式，以控制伺服電機輸出軸的位置；為了使轉動更加平穩，設置適當的加減速時間；設置保護限制，比如最高轉速、最高轉矩等，以避免異常情況出現導致系統受損；建立工藝文件記錄報警參數，及時了解系統的故障模式，采取應對措施。

（2）單軸控制器的設置

根據系統的試運行狀況，調整各參數，使其運行穩定；設定系統參數，定義編程用常量、參考點；設置電子齒輪比，通過設置可以將夾具實際轉動與脈沖數建立相應關系，便于控制；設定系統極值，確保系統穩定。

2、程序編寫

程序編寫是基于單軸控制器提供的數控指令編寫的。指令采用順序排列，根據人工操作時的順序，編寫程序。用SET指令接受輸出信號，用WAT指令接受輸入信號。SPEED指令控制速度，POS指令控制位置與角度。此外，還可以采用CALL 調用指令，循環執行相似的命令。

試運行發現的問題及解決方案

系統組建好后，進行試生產。運行過程符合設計要求，并按照人工焊接的順序執行，定位準確。同時，系統可根據實際生產要求，調整運行速度，滿足生產節拍的要求。但在實際的操作中發現：夾具與焊接座的制造以及裝配質量對系統的穩定可靠運行影響很大。因此，我們對夾具進行了優化，并在裝配時進行適當的調整。

起初，夾具易被壓翹頭，導致焊接后產品尺寸偏差大。我們在凸焊機上增加了預壓裝置，在焊接前先將焊接座壓實，同時增加了護套以提高焊接座的剛度。然而，運行一段時間后發現，工件難以脫離夾具。于是，我們重新修整夾具，調整凸焊機上電極的位置，使焊接時工件受力均勻，不會使工件偏移卡死夾具導致難以脫出。同時，調整卸料氣缸的壓力以及卸料環與焊接座的間隙，使氣缸頂出時更加順暢。卸料氣缸在卸料時，彈力很大，容易造成夾具彈出時使操作者受傷，同時損壞夾具。我們在工作臺上設置了緩沖板，夾具在彈出后，先接觸緩沖板減速，提高了系統的安全性。

經過一段時間的試運行，角板焊接夾具系統能夠按照預定要求，完成整個工作任務。生產出的產品質量符合設計要求，并且避免了人為因素的干擾，降低了操作者的勞動強度。在焊接夾具工作時，操作者可以騰出手進行下一個工件的裝配，提高了生產效率。結合伺服系統的應用，將機電一體化技術應用到實際生產中，能夠給我們帶來更多的便利，創造更大的經濟效益。