智能橡膠條自動焊接機的設計研究

于志宏

（衡水職業技術學院，河北 衡水 053000）

橡膠制品是國民經濟的重要基礎產業之一。其中，橡膠條被廣泛用于密封、粘接、絕緣、防潮和防振材料，作為電子元件、半導體器材和電子電器設備的粘接和密封材料，或者作為飛機座艙、儀器艙和機器制造中相關部位的密封材料，是航空、電子、電器以及機器制造等行業理想的彈性膠粘劑。

橡膠條成品需要在橡膠條擠出后，根據形狀、尺寸等要求，進行二次焊接加工。例如，將橡膠條用于汽車車窗泥槽，當起到密封作用，橡膠泥槽所安裝的位置出現拐角時，橡膠泥槽也要有相應的拐角，這個拐角是通過將橡膠泥槽進行對角焊接完成的。

1 設計需求分析

當焊接橡膠條時，首先，將要焊接的2 個橡膠條放入焊接機模具中的相應位置，其次，鎖模油缸將模具鎖緊，傳統焊接機采用人工將膠料放入模具型腔中，或者采用高壓注射將膠料注射到模具型腔中，再將注料油缸模具型腔中的膠料經過保壓、加熱、硫化以及定型，最后，開啟模具，將上模板和下模板分離，取出焊接好的橡膠條。然而，采用人工放入膠料的傳統焊接機，上料步驟自動化程度低，使上料過程速度較慢；采用高壓注射膠料的傳統焊接機在操作過程中經常出現因不能自動控壓導致液壓油溫度過高的問題，雖然采用風冷技術，但是仍達不到理想溫度，并且在注料過程中因不能自動調速，導致壓力過大或速度失衡使橡膠條焊接時產品變形，廢品率增高。為解決以上問題，本項目基于PLC 控制技術設計一種能夠對橡膠條進行自動上料、固定、保壓、加熱、硫化以及定型的自動焊接機，利用模糊控制技術使硫化壓力恒定、加熱溫度恒定和注膠速度恒定，從而實現橡膠條的無縫硫化焊接。

2 總體設計思路

該設備研究一種基于PLC 控制技術的智能橡膠條自動焊接機。設備主要包括核心控制模塊、自動上下料模塊、自動加熱模塊以及自動焊接模塊等部分。核心控制模塊主要由PLC 技術實現焊接機的全自動控制。

自動上下料模塊主要由輸送機構、切割機構和固定機構對橡膠條自動送料、自動切割、自動固定以及自動注入焊接用膠料。自動加熱模塊主要由電熱管對橡膠條固定機構加熱，并由溫度傳感器實時檢測溫度并反饋給PLC，采用模糊控制技術實現恒溫控制。自動焊接模塊主要利用注料油缸將膠料高壓注射到模具型腔中，由微波技術實現對焊接膠料的硫化，使膠料受熱硫化與橡膠條融合，同時由壓力傳感器實時檢測硫化壓力并反饋到PLC，由速度傳感器實時檢測硫化速度并反饋到PLC，采用模糊控制技術實現恒壓控制和恒速控制。

3 智能橡膠條自動焊接機的機械結構

3.1 自動上下料裝置的結構設計

自動上下料裝置安裝在自動焊接裝置的一側，自動上下料裝置結構如圖1所示，其包括機架以及安裝于機架的上下料機構、移料機構、入料機構和出料機構。入料機構配置為輸入放置有待焊接橡膠條的定位治具；上下料機構配置為將待焊接橡膠條的定位治具抓取并輸送至焊接機處焊接以及將焊接完成后的定位治具抓取并輸送至出料機構；出料機構用于輸出放置有焊接完成橡膠條的定位治具。自動上料原理如下：入料機構運送待焊接橡膠條的定位治具至末端，上下料機構將定位治具移載至自動焊接裝置上料位，焊接裝置對定位治具內的橡膠條進行焊接，移料機構再將焊接完成后的橡膠條與定位治具一起移載至出料機構，出料機構運送成品定位治具輸出。該自動上下料裝置能夠實現焊接機焊接前的自動上料以及焊接完成后的自動下料，整個過程自動進行，具有減輕操作者的勞動強度、節約人力、提高生產效率和安全性高等優點，可以大幅提高生產效率，而且焊接機無須停機休息。

圖1 自動上下料裝置結構示意圖

3.2 自動焊接與加熱裝置的結構設計

自動焊接裝置主要包括機架以及安裝在機架上的上焊接模具和下焊接模具，自動焊接與加熱裝置結構示意圖如圖2所示。自動焊接裝置由變頻器控制其可實現水平方向移動，以便與自動上下料裝置對接。上焊接模具的下表面設有上凹槽，下焊接模具的上表面設有與上凹槽相對的下凹槽，上凹槽和下凹槽形成與橡膠條適配的夾持孔，夾持孔的軸線沿橫向延伸[1]。上焊接模具和下焊接模具內均設有電熱管，通過上焊接模具和下焊接模具將固定在夾持孔內的膠條兩端部加熱焊接。

圖2 自動焊接與加熱裝置結構示意圖

機架上設有驅動上焊接模具朝向下焊接模具移動的驅動裝置以及串聯在驅動裝置的供電電路中兩電路開關。驅動裝置驅動上焊接模具朝向下焊接模具移動。驅動裝置是豎直設置的氣缸，氣缸電性連接的時間繼電器，氣缸的缸體與機架固定連接，氣缸的活塞桿向下豎直伸出，氣缸的活塞桿下端與上焊接模具固定連接。采用氣缸作為驅動裝置，結構簡單，便于控制，通過時間繼電器控制焊接時間，到達時間繼電器設置的焊接時間后，氣缸自動縮回。

機架上固接有分別位于氣缸活塞桿兩側的導向柱，氣缸的活塞桿下端固接有與導向柱沿豎向滑接的導向座，上焊接模具固接于導向座的底面。該裝置通過設置導向柱，對導向座進行豎直方向的導向，從而保證上焊接模具沿豎直方向移動，避免偏斜。

4 智能橡膠條自動焊接機的電路設計

4.1 基于PLC 技術的控制電路設計思路

通過自動上下料裝置在自動焊接裝置上安裝待焊接橡膠條，利用PLC 控制系統檢測待焊接橡膠條的安裝過程，由位置傳感器檢測橡膠條安裝是否符合產品結構要求，然后由PLC 輸出控制信號，控制驅動裝置驅動上焊接模具朝向下焊接模具移動，移至焊接起點后停止?？刂葡到y如果檢測到上焊接模具、下焊接模具和橡膠條均到位，PLC 就輸出信號控制驅動裝置、加熱裝置進行焊接。在焊接過程中，由溫度傳感器、壓力傳感器和位置傳感器分別檢測焊接溫度、壓力和橡膠條結構等參數。當達到標準值時，由PLC 接收信號，控制驅動裝置停止焊接工作，完成橡膠條的焊接工作。結束后，PLC 再次發出信號，上焊接模具、驅動裝置收回，并回到初始位置，待更換橡膠條后再進行焊接。

控制電路分為多轉矩伺服驅動模塊、電氣控制模塊，前者須控制自動焊接與加熱裝置；后者負責收集控制系統中的溫度、壓力等信號，以控制好伺服驅動系統[2]。另外，控制電路具備診斷故障、預警等功能；焊接機的溫度、壓力和故障等運行參數由觸摸屏顯示；也可以通過觸摸屏控制焊接機的啟動、停止等操作。

4.2 控制電路設計及元件選型

智能橡膠條自動焊接機的控制電路框圖如圖3所示。

圖3 智能橡膠條自動焊接機的控制電路框圖

4.2.1 PLC 可編程控制器

控制器是焊接機的關鍵部件，為提升系統工作的穩定性與可靠性，本項目采用西門子S7-1215PLC 控制器。

4.2.2 溫度傳感器

為了實現高效、精確和安全的焊接過程，溫度傳感器在焊接自動化中起關鍵作用。溫度傳感器能夠實時監測焊接過程中的溫度參數，提高焊接質量和生產效率。溫度傳感器有多種類型，包括熱電偶、熱電阻和紅外線溫度傳感器，這些傳感器可以提供精確的溫度數據，幫助控制焊接參數和防止過熱或過冷。結合焊接機實際需求，本項目采用激光紅外線溫度傳感器IRT-CF400A。

4.2.3 壓力傳感器

為了保證橡膠條的彈性、結構參數精準，通過壓力傳感器檢測橡膠條受壓情況，判斷橡膠條的彈性、結構等參數。本項目采用高溫橡膠壓力傳感器PY124。

4.2.4 位置傳感器

在本項目中，需要檢測的位置包括膠料位置檢測、橡膠條放置位置檢測、焊接裝置移動距離檢測、上焊接模具與下焊接模具位置檢測等。膠料位置檢測、橡膠條放置位置檢測、上焊接模具與下焊接模具位置檢測所用傳感器都采用KJT-FJ18GW 型光電開關；焊接裝置移動距離檢測傳感器采用BC40S 型光電編碼器[3]。

4.2.5 按鈕開關

按鈕開關具有轉換模式、啟動機器、急停機器以及復位程序等功能。

4.2.6 觸摸屏

觸摸屏主要通過通信線監測PLC 實時數據，同時可以啟動、停止焊接機。本項目選用昆侖通態MCGS 觸摸屏。

4.2.7 變頻器

PLC 利用變頻器使焊接裝置移動，其移動速度可經過觸摸屏人機界面進行重新輸入，本項目使用MM420（6SE6420-2UC17-5AA1）變頻器，與PLC 的連接方式如圖4所示。

圖4 變頻器與PLC 的連線圖

4.2.8 伺服驅動系統

伺服驅動系統主要用來控制自動焊接與加熱裝置。本項目使用6SL3210-5FE10-8UA0 型驅動系統，伺服驅動器與PLC 的連接方式如圖5所示。

圖5 伺服驅動器與PLC 的連線圖

4.2.9 報警執行器

如果焊接機發生運行故障，PLC 會將報警信號傳輸給報警執行器，通常選用蜂鳴器、紅色指示燈。

5 智能橡膠條自動焊接機的程序設計

智能橡膠條自動焊接機具有自動注入膠料、自動放置橡膠條以及自動保壓、加熱、硫化和定型功能，同時可通過監控屏幕實時監控設備運行狀態、加熱溫度、加熱時間等參數，程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 程序設計流程圖

程序啟動后，利用注料油缸將膠料高壓注射到下焊接模具型腔中，由微波技術對焊接膠料進行硫化，并采用模糊控制技術實現注料的恒壓控制和恒速控制。由位置傳感器檢測膠料是否到達設定位置，若到位，由上下料機構裝置將待焊接橡膠條抓取并輸送至焊接機處。此時，自動焊接裝置與上下料裝置自動精準對接，對接到位后，由電熱管對上焊接模具和下焊接模具加熱[4]。當溫度達到設定值時，上焊接模具由驅動裝置驅動其向下移動，移動到位后，對固定在上焊接模具和下焊接模具之間夾持孔內的膠條兩端部加熱焊接、硫化，并采用模糊控制技術實現恒溫控制。當橡膠條壓力達到設定值時，將橡膠條定型，最后移料、出料，程序執行結束。

6 智能橡膠條自動焊接機的調試結果

對設計好的焊接機進行組裝，通過某橡膠生產廠家進行試驗，在焊接橡膠條過程中，橡膠條技術參數都已經達到廠方要求，能夠平穩、可靠地焊接橡膠條，有利于提高橡膠條焊接效率與質量，滿足制造技術需求，使橡膠條每次的焊接合格率＞99.9%。

7 結論

綜上所述，經對智能橡膠條自動焊接機樣機調試、試用，該設備具有一鍵式全自動控制、硫化焊接強度高、廢品率低和生產效率高等特點，相比傳統的橡膠條焊接機，更安全可靠、技術先進、性能穩定、操作方便以及性能價格比高。通過研究基于PLC 技術的智能橡膠條自動焊接機，大力推進創新制造工藝，促使橡膠條焊裝工藝的更新、穩定發展。