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钢骨架自动弯折和自动焊接技术

分类：工业设计论文发表 时间：2020-10-22 10:26 关注：(1)

　　介绍了钢骨架自动弯折和自动焊接技术及装备的必要性和重要性，以及国内外发展现状和趋势。针对目前骨架制作难、安全性差、现有设备移动不便及消耗大量人力物力等一系列问题，在国内外现有钢骨架制作技术及装备的基础上，自主开发研制一种新型的并适合我国国情的钢骨架自动弯折和自动焊接技术及装备。重点介绍钢骨架自动弯折和自动焊接技术及装备的主要结构组成、工作原理、工作过程和关键技术特点，并对其开发应用前景进行展望。

钢骨架自动弯折和自动焊接技术

　　关键词:温室;钢骨架;自动;弯折;焊接

　　在我国温室大棚的使用中，普通农户采用最多的是简易拱棚，拱棚的骨架大多数是由金属焊接而成，由于在骨架制作过程中投入了大量的人力和物力，导致建造大棚的费用成倍增加，拱棚骨架制作技术一直是亟待解决的问题。钢骨架自动弯折和自动焊接技术及装备是制作钢骨架最有效的方法［1-2］。

　　1背景与意义

　　温室大棚种植技术对我国不同地区的农业都有重要意义。温室(greenhouse)，又称暖房，能透光和保温(或加温)，是用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节，能提供温室生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉及林木等植物栽培或育苗等。众所周知，温室大棚还具有增温保墒、防病抗虫和抑制杂草等作用，具有显著的增产效果［3］。温室大棚技术已成为我国北方旱作农业应用最为广泛的农艺技术之一，我国温室大棚始于20世纪70年代末80年代初，面积由90年代初的40hm2发展到现在15.6万hm2，增加了4000多倍，占世界的42.8%，并且还在持续以10%的速度递增，到2010年我国温室大棚种植面积已跃居世界第一。我国温室大棚技术的应用产生了巨大效益，但温室大棚骨架建造也成为影响农业可持续发展的一个重大问题。由于温室大棚骨架的制作使用较为落后，技术缺乏，使用寿命一般都不长，带来了一系列资源浪费问题。据统计，我国温室大棚骨架一般3～5年需更换一次，极大地增加了温室大棚的投资使用成本，造成巨大的浪费，且存在较大的安全隐患。因此，系统分析梳理温室大棚种植技术和温室骨架建造的特点及防控技术对于其合理利用具有重要意义。寻找温室骨架制作新技术是各国政府及全球植保和环保等诸多科学领域科技工作者关注的热点问题。

　　2国内外技术现状、发展趋势和开发应用前景

　　欧美等发达国家由于有雄厚的经济基础，基本建造的都是大型、现代化的玻璃温室，温室建造的运作主要靠温室工程公司，具有国际输出能力的温室工程公司约有78家，其主要作用是“集中组装”，而不是“制造”，其造价较昂贵［4］。随着温室大棚农业生产技术的发展，以及温室大棚农业规模的扩大，温室大棚建造技术的需求量也将逐渐扩大，必将有力地推动先进的温室大棚制作设备的开发应用和促进该项技术的发展。目前，国内大棚骨架的制作基本上还是人工操作，效率低、安全性差且对环境影响大。部分大棚骨架采用进口技术，主要是装备回国后进行组装，存在价格昂贵、占地面积大、零部件更换仍需全部进口及售后服务无法保证等弊端。由于我国农民普遍收入少，且我国的农业投入产出比非常低，限制了农民对新技术的承受能力。目前我国温室基本都是日光温室骨架，以竹木、手工焊接金属和水泥预制杆为主，强度较低，但价格便宜，农民广泛采用［5］。因此温室建设和骨架的研发可以借鉴的国外经验很少，只能根据我国国情自行研制。国内对钢骨架自动弯折和自动焊接技术掌握的较少，目前还没有完备的自动弯折和自动焊接装置。将焊接的焊枪装在焊接小车上，小车在轨道上行走，通过光控开关控制焊接开停，此装置便于人工操作，省时省力，可极大地提高生产效率，减轻劳动强度，使用安全。此项技术在国内还属于空白，可达到国际先进水平，并可获得专利。随着温室农业的发展，连片温室越来越多，使得钢骨架自动弯折和自动焊接技术服务成为可能，该设备在温室农业中的应用，可大幅降低制作劳动强度，提高钢骨架的牢固性和延长更换周期。在目前劳动力价格急剧上涨的前提下，对节约成本和增加利润具有重要的意义，对温室农业的发展具有重要的经济意义和社会意义。

　　3装备组成、原理、工作过程及优点

　　3.1装备组成

　　钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备由焊接小车、焊接轨道、光控开关、焊接电源和控制系统等组成［6］。其结构如图1所示。图1系统结构Fig.1Systemstructure3.1.1焊接电源钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备可根据焊接速度和技术要求，选用合适的焊接电源。该产品选用上海凌兴工业器材有限公司气保焊机，型号为NB-500W，其尺寸为650mm×322mm×671mm，净质量50kg，额定电压380V，额定容量27.5kW，电流范围40～500A。3.1.2焊接小车焊接小车包括基架、行走轮、送丝机构、送气装置和光控开关等。基架用于固定送丝机构、送气装置和光控开关等，使这些零件更紧凑的结合在一起，减小设备的体积。行走轮能行走在轨道上，使焊接小车实现自动行走。通过光控开关控制焊机的开和关，实现焊接自动化。3.1.3控制系统控制系统由AＲM处理器、光控传感器、显示器(LED)及执行元件等组成。AＲM处理器是一个32位精简指令集(ＲISC)处理器架构，其显著特点是速度快、功耗低、功能强且价格低廉，显示器支持32位的AＲM指令集和16位的Thurnb指令集，支持仿真和跟踪，集成有16kB静态随机存储器(SＲAM)、128kB的Flash程序存储器、4个通用并行IO口、2个(12C)串口、2个全双工串行核口(SPI)、2个32位定时器及脉宽调制单元(PMW)、实时时钟，中断控制器和ADZ转换器等功能部件［7］。利用AＲM处理器进行设备的编程、程序输入和调试，控制算法采用常用的PID算法，为了控制方便，小车行走速度(焊接速度和空走速度)、送丝速度和送气量设定均可通过键盘修改，并在LED显示器上显示。为了达到控制效果，设置了光控传感器，传感器将测得的光信号通过传输线送到控制系统，由AＲM经过计算，通过AD转换，在LED上显示光的强度值，并对采集到的光强度数据进行分析处理和实时控制。当达到设定的光强度时开始焊接，小车速度和焊接速度保持一致;当光的强度超出设定值时自动关闭焊机停止工作，小车继续行走，寻找下一个焊接目标，依次循环，实现自动控制。3.1.4主要技术和经济指标小车行走速度＞30mh;焊接速度400～520mmmin;二氧化碳消耗量＜25Lmin。

　　3.2工作原理

　　钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备是骨架制作最有效的方法，其工作原理如图2所示。焊接时，在焊丝与焊件之间产生电弧。焊丝自动送进，被电弧熔化形成熔滴并进入熔池，CO2气体经喷嘴喷出，包围电弧和熔池，起着隔离空气和保护焊接金属的作用［8］。同时，CO2气体还参与治金反应，在高温下的氧化性有助于减少焊缝中的H2。

　　3.3工作过程

　　开启电源开关，焊接小车沿轨道行走，光控传感器将测得的光信号通过传输线送到控制系统，由AＲM经过计算，通过AD转换，在LED上显示光强度值，并对采集到的光强度数据进行分析处理和实时控制，当达到设定的光强度时开始焊接，此时，小车速度和焊接速度保持一致;当光强度超出设定值时自动关闭焊机停止工作，小车继续行走，寻找下一个焊接目标，依次循环，实现骨架焊接［9］。程序算法如图3所示。

　　3.4装备优点

　　钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备的优点是通过光控传感器测得光信号的强弱来控制小车的速度和焊机的开关，实现自动焊接［10］。此外，钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备还可减小工作人员劳动强度，提高生产效率，节约劳动成本，使焊缝成型稳定。钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备与现阶段的手工焊相比具有如下优势。(1)稳定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用自动焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度和焊丝伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。(2)改善工人的劳动条件。采用自动焊接，工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于手工焊来说工人不再搬运笨重的焊接设备，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。(3)提高劳动生产率。自动焊机器没有疲劳，1天可24h连续生产。另外随着高速高效焊接技术的应用，使用自动焊焊接，效率提高的更加明显。(4)产品周期明确，容易控制产品产量。自动焊的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。(5)可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。自动焊可以通过修改程序以适应不同工件的生产。

　　4创新点

　　(1)新型光控传感器，使钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备能够在焊接和停止之间、在小车行走速度和焊接速度之间自动切换，提高了工作效率和设备的安全性。(2)焊接小车与焊接电源有效合理选配，使钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备质量轻、热效高，减轻劳动强度，提高焊接的工作效率。(3)钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备质量轻，将送丝机构和送气装置安装在移动小车上，能灵活移动。(4)新型钢骨架自动弯折和自动焊接技术装备配备了AＲM处理器和LED显示器，便于设定和操控焊接电流、电压和焊丝外伸长度，能达到很好的焊接效果，提高产品质量。

　　作者：杜婵 苏安晋 杜娟

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