激光焊接機工作臺電氣改進

1、T均把耳串最小址切尿02mm匚段頻*0.S30HZJvit 口.吸電直應(yīng)冊丸此拒示砸ecu雀慳丄同衛(wèi)標(biāo)則|X 惟i-'in0.® IX聯(lián)燉嘰尺?750mm、OOmm a2 « 75&mn可 UEJm啓可見3趙同即兀艷隠It井朮電 J;賓世 3BOV ； .創(chuàng)檢 Hl r.諦 25麗表1激光焊機性能指標(biāo)- x / if.j.!, ._/''7 - IllttJt貼沖恥U粒站I!甜* T |-甲KltO屯屯躋圖1激光焊接機部件構(gòu)造耗 It*"IS卑后盤皚壓箱If由丸 金用串!* 規(guī)沖激光焊接機工作臺電氣改進農(nóng) 雨 （比亞迪股份有限公司,

2、中國深圳，518119）摘要本文介紹了雙體 YAG固體激光焊接機做自動化運動改進的情況，詳細(xì)描述了電控臺 架的軌跡控制思路和定位單元的軟件，指明了電路結(jié)構(gòu)和氣動元器件組合，探討分析如何從 舊的固定支座設(shè)計出新的數(shù)控旋轉(zhuǎn)工作臺，完成靈巧的焊接工作。關(guān)鍵詞激光封焊定位單元FX2N-20GM氣動控制中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：BELECTROMOTION RECONSTRUCT WELDING PLATFORMNONGYU( BYD company limited ，shenzhen 518119,China)AbstractThe paper in troduces the automatic

3、 electromoti on recon struct method in the YAGlaser coupli ng weld function. This article describe in detail the method of let locomoti on con sole follow the right scheduled track. The document illustrates not only the pivotal trajectory software but also the configuration of pneumatic components.

4、The main theme is how to make the former pedestal upgrade to new eligible NC rotatio n platform, especially in regard to the laser automatic seal welding technics and circuit structure.key word Laser seal welding FX2N-20GMorientation Pneumatic transmissionCLC: TP23LIC: B激光焊接機主要用于機械、電子、真空、航天等行業(yè)中特種要求的

5、元器件點焊、疊焊和 密封焊，可對鋼、鋁、銅、鉬等材料進行焊接，焊接強度高，變形量小，是一種理想的精密 焊接設(shè)備。特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的電池密封蓋口。本文以鋰離子電池激光 封焊為課題，闡述出激光焊機的電氣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)實存在的問題，改進設(shè)計的構(gòu)思，改進后的效 果等方面。1. 焊機概述Nd:YAG激光焊接機由YAG激光器，光學(xué)觀察、聚焦系統(tǒng)，移動工 作臺及水循環(huán)冷卻系統(tǒng)等部件框架組成。用于方形、柱形電池的軌跡封 焊，是一種理想的精密焊接設(shè)備。激光具有良好相干性、單色性、方向 性與高輸出功率的特點。激光聚焦到一點，焦平面上的功率密度可達(dá) 1041013 W/cm2。借助光學(xué)場鏡，將平面上的二

6、維信息瞬間傳遞。激 光焊接就是利用激光束聚焦在很小的區(qū)域，極短的時間內(nèi)熔融被焊處， 熔池冷卻后形成牢固的焊點和焊縫?，F(xiàn)在要改進的設(shè)備參數(shù)見表1所示:1.1激光器固體激光采用光泵浦?；钚粤Ｗ游樟斯饽埽诠ぷ魑镔|(zhì)里造成粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)，形成受激輻射光。激光器由工作物質(zhì)、泵浦源、聚光腔、光學(xué)諧 振腔、冷卻液、濾光管等構(gòu)成。原型機激光類型為單燈棒重復(fù)脈沖焊接激 光，激光波長1.064um，工作物質(zhì)是四能級的滲雜Nd3+離子的釔鋁石榴石晶體棒Y3AI5O12。泵浦源是3KW氙閃光燈。聚光腔內(nèi)表面拋光鍍金，并 有夾層冷卻通道。外套氙燈的濾除紫外線管保護了晶體棒。諧振腔內(nèi)受激 光經(jīng)過99%以上的全反鏡振蕩放大

7、，由半反鏡輸出。內(nèi)部描述如圖1:1.2光路系統(tǒng)單脈沖氙燈激勵側(cè)面泵浦腔，光束經(jīng)晶棒增透膜兩端一定路程反折放大，透射光經(jīng)45 °折反后垂直入射到可以Z軸伸縮的防護套筒， 套筒內(nèi)有一套孔徑光闌透鏡組調(diào)節(jié)出光2所示:窗口的聚焦光斑，最后才照到待焊接的精密零工件表面。光路結(jié)構(gòu)如圖圖2激光焊接機光路系統(tǒng)構(gòu)造1.3循環(huán)冷卻系統(tǒng)閉合回路流水冷卻系統(tǒng)包括水泵、熱交換器、水容器、過濾器、水軟化器、流量壓 力溫度傳感器等構(gòu)成，主要用以消除聚光腔中產(chǎn)生的熱量和減少泵浦的內(nèi)反射。熱交換 器采用了 120 C, 0.66 mm的四門板式換熱器。另外，機器內(nèi)穩(wěn)流50A所用的710MH電抗器由0.22 A風(fēng)機來散

8、熱。1.4電力電源系統(tǒng)主電路包括充電電路、蓄能網(wǎng)絡(luò)、放電電路、觸發(fā)及預(yù)燃電路、操控板。晶閘管 SKM500GA完成三相整流，用面板上的升壓旋鈕調(diào)節(jié)氙燈直流工作電壓至400±5 %伏。移相模塊線路板除了能產(chǎn)生多路電壓源以外，板上的MC14538觸發(fā)器控制分頻與脈寬值，其參數(shù)由手動調(diào)節(jié)RC電路或者程控調(diào)整的PLC方波確定。信號觸發(fā)NE555又經(jīng)選通開關(guān)驅(qū)動IGBT晶閘管的B端。圖3所示為IGBT移相控制：圖3激光焊接機電源模組起燃電路須通過短暫的高頻高壓脈沖擊穿燈內(nèi)氣體形成火花放電通道，而后保持氙 燈預(yù)燃狀態(tài)宜用小電流200 mA和約2 K高壓。腔內(nèi)氣體經(jīng)觸發(fā)電離，預(yù)燃電路維持輝光放 電

9、。當(dāng)放電IGBT開關(guān)截止，燈管與蓄能電網(wǎng)隔離，電解電容 10ml/450 V并聯(lián)成組充電；放電IGBT開關(guān)導(dǎo)通，蓄能電網(wǎng)才向燈管放電。2. 改進之前的焊接臺底座型號為濟寧金鐘公司生產(chǎn)的HXDZ-2020機械平臺，手動手輪配置。采用等級P3的精密滾珠螺桿傳動，線性軸承導(dǎo)軌，兩個平移臺疊合組成兩維XY雙坐標(biāo)工作承臺。舊設(shè)備里面絲杠反向間隙變大，零件老化。生產(chǎn)耗時、效率低、產(chǎn)出CPK值不穩(wěn)定以及員工手部的安全保障不到位，設(shè)備貶值導(dǎo)致生產(chǎn)成本的相對提高和經(jīng)濟效益的降低。3. 改進后的電控臺架3.1 臺架裝置組成沿用原來的鋼底座，手輪移動改為電氣自控。生產(chǎn)車間內(nèi)空間有限，為提高產(chǎn)能， 將兩臺焊接機并聯(lián)起

10、來使用，使得工作臺架聯(lián)為一體。雙體激光焊接機的電控臺架系統(tǒng) 有以下主要部分組成： 控制器：定位單元FX-GM20是一種面向運動控制的PLC具有直線、圓弧插補功能，也具有一般的邏輯控制功能。通過編程軟件進行雙向數(shù)據(jù)交換，接收用戶的參數(shù)設(shè)置，同時監(jiān)控各電機的運行狀況。采用和利時LEC 14點晶體管小型 PLC模組控制電磁閥線圈，決定各個氣缸的動作次序。 執(zhí)行電機：三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器接收FX-GM20輸出的脈沖、方向信號，驅(qū)動步進電機。二維夾具平臺是由兩個三相六拍步進電機驅(qū)動的雙層結(jié)構(gòu)，進行兩維聯(lián)動?？梢院笀A柱形物體的 90°旋轉(zhuǎn)夾具采用低轉(zhuǎn)速12V減速馬達(dá)帶動，由普通電池夾具旋轉(zhuǎn)形

11、成。夾具平臺采用高系統(tǒng)精度和高穩(wěn)定度的滾珠絲杠與先進的導(dǎo)軌面貼塑工，預(yù)留有數(shù) 個孔槽和定位擋塊，方便專用電池夾具裝卡。 氣動機構(gòu)：配備氣動上下料運送機構(gòu)、氣動電池夾具。整體氣壓傳動系統(tǒng)由氣源、直 線和旋轉(zhuǎn)氣缸、控制元件（各種壓力閥、方向閥、流量閥、邏輯元件、射流元件、行程 閥、轉(zhuǎn)換器和傳感器）和輔助附件四個部分組成。3.2 元件的選型以HXDZ-2020平臺底座為基礎(chǔ)自配步進電機、驅(qū)動器及數(shù)控系統(tǒng)一 FX2N-20GM滿足 速度、載荷、脈沖當(dāng)量等個性化的要求，手輪移動為輔助操作。步進電機及驅(qū)動器類型及性能指標(biāo)見表2所示。SJ-3F075電壓 DC3-1-I0V步距 1. 5B /!'&

12、#39;：. Mik. 0.2X. t輸送電機的類型步進電機及驅(qū)動器參數(shù)采用M-2 RK6N-AS感應(yīng)電機加裝減速齒輪箱G-2N10X-K提供給鏈輪最大25kgf.cm的扭矩和傳送帶 4cm/s的工作速度，帶動鏈帶。電機斷電，電磁離合剎緊。適用的傳感器類型帶梁左右兩端使用3A的上海華通機電的JW2行程開關(guān)兩個，作為限制送料機構(gòu)平移之用。出料盒口頂部安裝了三線電感接近開關(guān)E2E-X1R5Y1 M8檢出距離1.5 mm于激光器的內(nèi)腔設(shè)置紅光燈筒實現(xiàn)同軸指示，方便調(diào)試階段的光對焦和焊接前電池的定位。出光筒的光束射到裝有臺灣嘉準(zhǔn)小型光電接受器的臺座，一旦落料而遮斷住光源，氣動 夾具即刻兩方向推緊工件。

13、出光后，工作臺運行矩形一周焊接。焊接完畢，出料拉桿頂 出工件。臺架工作過程系統(tǒng)通過兩軸插補運動實現(xiàn)曲線軌跡，安裝人機界面部件就可以修改運動速度參數(shù)和動態(tài)的運動狀態(tài)顯示。電控臺架整體構(gòu)造如圖4 所示:圖4 電控臺架整體效果圖圖4中氣動上下料運送臺架機構(gòu)，由鏈梁、電機、傳感器、電磁換向閥、氣缸、機架和料盒等部件構(gòu)成。生產(chǎn)中分有蓋板頂部封焊和蓋板側(cè)邊封焊兩種工藝加工類型，同 一臺并聯(lián)雙體焊機分工完成合長邊合短邊兩工步。橫梁外側(cè)氣缸從電池儲料盒經(jīng)底部矩 形開口推出疊放的電池進行發(fā)料，平行氣指夾持，組合氣缸左右各一次沿橫梁移動，限 位落入夾具平臺的開槽內(nèi)。焊接完畢后，機械臂退回中間等待下一個循環(huán)。其中P

14、LC并行順序驅(qū)動運動件，自動焊機得電/失電順序列出如表3所示：崔落林址PLCHi-?'| i'-'jll-AillO；_（少團：拖右皺住飛園1耳冋囲1frili甘魏址更i3自動焊接臺運動圖4中的方形/柱式電池封焊軌跡運動機構(gòu)，由數(shù)控工作臺、專用電池夾具和90°旋轉(zhuǎn)夾具、步進電機及驅(qū)動器以及數(shù)控系統(tǒng)等部件組成，自動進行加工。加工完畢，分傳 送帶將半成品電池運到主生產(chǎn)線傳送帶上，流入下一道檢驗工序。4. 軟件編程先將需要的工藝流程設(shè)定好再寫軟件流程。開始時將整個軌跡圖形從接點處分成多段直線和圓弧，然后利用FX-GM20的直線和圓弧插補功能來進行分段的插補，最終完成

15、整個插補過程。在PLC兩軸聯(lián)動程序上編輯運動的程序，以發(fā)送脈沖信號輸出。加裝一個文本顯示或觸摸屏用來修改參數(shù)更方便調(diào)整。平行于X、Y軸的簡單軌跡使用 FX-PCS/WIN-C編程界面編制指令。下圖5列出了鋰電芯 063450SR圓角矩形電池的焊縫熱合程序段；相同的焊跡，實現(xiàn)的斜線和復(fù)雜的曲線使用SW0D5-FXVPS-E編程界面更為明了，圖5也列出了 VPS軟件結(jié)構(gòu)。行號指令說明LO 0,002 ()200;調(diào)出回零子程序。19057;回零標(biāo)志通,則跳轉(zhuǎn)至 2002二 00 ( )0;328 ();使定位器返回電氣原點=0 ,4200 ;501( )300 ;定位器從點移動至 點。604(50

16、 ;設(shè)定等待時間0.5秒705 ;接通光源控制8_ - 08 ( _ r _) 8 ;設(shè)定重復(fù)次數(shù)8901( )14001200 ;使定位器從移動到 。1001(上)3001400-100 ;使定位器從圓弧到 。1101( )2800 ;定位器從點移動至 點。12_ 01()3001400100 ;使定位器從圓弧到 。13'01()0 ;使定位器從移動到 。1409 ();1505 ;停止出光控制1604(50 ;設(shè)定等待時間0.5秒1601( )0 0 ;使定位器回到零點17二 02 ()程序結(jié)束。圖5自動焊合程序和優(yōu)化的 VPS界面-N:RE丨 ！ F"-4FW3-qTa

17、l±. JI 2耳4>卞靜±£|-|-| YHH-J- 4 B-L:為 hJ:«£#"- UTQTTF;7TIWE 工.»-1EyvHH-t I. _?XK 之 *頁»:9JlBLtal圖6電控臺架硬件布線圖與之對應(yīng)的硬件接線如下圖6所示。Mm掘印gigLCDNtOXEl激光焊接機工作臺精度分析5. 效果跟蹤分析設(shè)置精度驗證實驗：取步進頻率 1200 Hz,由于螺桿導(dǎo)程 4mn，折合速度20mm/s故每 120個脈沖夾具平臺將會移動 1mm勺值。夾具平臺在 XY正反方向直線聯(lián)動 40mm每輸入120 步拍驅(qū)動

18、脈沖計錄一次數(shù)據(jù)。使用精密投影儀來測量其前進精度和重復(fù)精度，圖7是分析出的試驗結(jié)果。測試結(jié)果明顯要優(yōu)于手動定位，滿足設(shè)計誤差土 1% FD的靜態(tài)重復(fù)定位精度要求。使用該激光焊機焊接平臺可對鋼、鋁、銅、鉬等材料進行點焊、疊焊和密封焊，焊 接強度高，變形量小。操作者由一個技工換到一個普工就能勝任；由于改成電控臺架后整 機可以加工成雙體的結(jié)構(gòu)，工作速度比舊式焊機效率翻了兩番。該機符合國際激光安全防 護標(biāo)準(zhǔn)，可在線長時間穩(wěn)定可靠地運轉(zhuǎn)，創(chuàng)造出的良好的經(jīng)濟效益。本文作者創(chuàng)新觀點：將氣動控制技術(shù)和氣動夾具機構(gòu)成功運用到原先舊的激光焊機中，完成三維物件的焊接，同時實現(xiàn)了自動化流水線運作。參考文獻(xiàn)1 于仲 何立民，等基于滑?？刂频暮娇諝鈩铀欧刂葡到y(tǒng)北京：微計算機信息，2005,7-1: 120 1222 劉守操，余文杰，梁志坤，許振茂編著可編程序控制器與變頻技術(shù)廣東：廣東工業(yè)大學(xué)出版，2003.13 MITSUBISH ELSEC-F F