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目前，把螺柱通过种焊的方式焊接在金属基材上的工艺普遍使用在电气柜、家电、家居、汽车配件等各种五金钣金件上，这种焊接方式一般可以分为储能焊和拉弧焊两种方式。储能焊对于直径不大的螺柱焊接使用最为普遍，其原理就是通过电容储能在螺柱与基材接触的瞬间释放出存储的能量，使螺柱和基材接触的区域熔化焊接在一起，这种焊接方式是瞬间完成焊接，具有操作简单、焊接面印迹小、效率高、设备小巧、易搬运等特点，现已广泛应用到薄板螺柱焊接生产的各个领域。拉弧焊是将电压通过线圈施加在螺柱和基材之间，在螺柱接触到基材再离开基材几毫米距离的动作下瞬间短路，电流会拉出电弧，这种高温电弧会熔化螺柱与基材接触面，一段时间后再压紧，这样螺柱和基材就牢牢地焊接在一起，主要应用在汽车配件、钢板结构件等要求焊接强度较高的领域。按照这样的两种焊接方式，我司开发了螺柱焊接设备，包括手持式螺柱焊、拉弧焊设备，CNC 自动化螺柱焊机，机器人螺柱焊接工作站，台式自动螺柱焊机等。本文主要介绍CNC自动化螺柱焊机。
CNC 自动化螺柱焊机如图1 所示，它是一款为客户解决螺柱批量化焊接而研发的自动化设备。随着工厂人工费用不断上涨，一种产品需要焊接螺柱的品种和数量越来越多，同时生产任务呈现小批量多品种的趋势，这款自动化设备就可以很好地满足这样的生产需求，而且逐步成为钣金厂和金属加工厂的标配设备。
图1 CNC 自动化螺柱焊机
CNC 自动化螺柱焊机主要由机架结构、床身结构、传动系统、驱动系统、控制系统、焊接平台、自动选钉送钉机构、自动焊枪头八大部分组成。
机架分为竖式结构和横式结构，一般工件长度大于3200mm或者宽度大于1200mm 时，采用竖式结构，如图2 所示；若工件长度小于3200mm 或者宽度在1200mm 以内时采用横式结构，如图3所示，便于上下工件和操作设备。Y 轴方向为龙门双驱方式，X 轴横梁采用专用挤压航空铝型材，运动梁既轻便又结实且不易变形，铝型材梁经过数控龙门精铣，保证设备的平行度和直线度精度在0.02mm，X 轴方向两头为悬挑结构，让机头可以移出工作台平面，便于维修机头，减小机床体积，最大限度利用平台有效面积。
图2 竖式结构
图3 横式结构
目前由于这种设备生产量不大，价格便宜，所以一般生产厂家大都采用方便组装、结构简单、价格便宜的床身结构，常见的有两种形式：一种是全铝型材拼装的，这样的结构方式便于生产组装，不需要焊接，不需要退火和精加工，生产成本低，缺点是强度不够，框架易变形，运输搬运会造成定位精度不准，机床运行速度不高。另外一种是直接用市场上通用的雕刻机的床身改装，这种床身生产厂家很多，价格便宜，好处就是方便生产组装，无需过多生产成本，缺点是雕刻机样式单一，一般都是竖式结构，另外就是雕刻机市场竞争激烈，床身材质和加工过程控制千差万别，不太容易保证产品品质的一致性。而我司生产的设备，其床身采用重型型钢焊接而成，经过退火处理后，通过大型数控龙门铣床加工X、Y 轴传动导轨槽安装面，运行速度稳定，产品质量能得到很好的保证。
传动部分标配高精度皮带（图4）或齿轮齿条（图5）传动，直线导轨（图6）导向，保证高精度、高速运转；选配为直线电机（图7）+金属磁栅（图8）传动，直线电机使用寿命长，功耗更低，传动性更稳，定位更精准。配套高精度磁栅，耐用不易老化，精度高，抗污染能力强。
图4 高精度皮带
图5 齿轮齿条
图6 直线导轨
图7 直线电机
图8 金属磁栅
行走机构全部由高精度伺服电机（图9）驱动，实现精准定位。Y 轴采用双驱伺服电机控制（图10），保证设备在高速运行过程中的高精度和平稳性。
图9 伺服电机
图10 Y 轴双驱
控制系统采用触摸式示教一体的数控系统，控制器为进口新一代专用多轴联动运动控制器，基于工业机器人系统开发，稳定可靠，功能强大，人机界面为可移动式全真彩色手持盒，方便操作，如图11所示。
图11 手持操作盒
伺服电机控制器采用三轴合一系统，体积小，安装方便，接线简单，控制稳定。可根据不同客户的需求、操作现场情况、产品批量大小及操作习惯，提供示教/CAD/坐标三种不同的编程方式，同时具有补钉、空运行等实用功能，操作简单便捷。
示教编程配有红外线指示器，用手操器手轮找点定位，完成螺柱坐标点的输入，方便快捷；CAD 编程可以根据CAD 图纸在电脑上导入专用软件生成工作程序并通过U 盘拷入系统直接生产；坐标位置可以根据加工图纸把螺柱坐标输入到系统表格上由系统生成加工程序；支持扫码枪扫二维码调用程序。
系统还带有数据保存功能，能把整个流程的点位尺寸数据、枪头数据等保存到一个自定义文件，方便调用。
焊接平台由浮动滚珠绝缘平台、气动夹钳、移动定位块组成，如图12 所示。当人工上料时浮动滚珠升起，避免工件特别是不锈钢工件在绝缘平台上摩擦造成表面划伤，工作时浮动滚珠落下，夹钳夹紧工件并且可靠落地。圆形移动定位块便于固定任何形状的工件，可以定位工件的外边和内孔。工作台上均匀分布的模数化安装燕尾槽，可随意调整气动夹钳工件定位块的安装位置。这样，人工上下料省时省力，根据客户产品的需求可设置A、B 工位，实现A、B工位交替使用，大大提高了生产效率。
图12 焊接平台
选送钉机构分振动盘选送钉和滚筒式选送钉两种方式，如图13 所示。标配为滚筒式。特殊螺柱适宜选用振动盘，普通螺柱适宜选用滚筒式。自动送钉装置是由选钉器+气动送钉机构+自动焊枪+送钉管组成，可以实现钉子自动输送与焊接，送钉可靠性高，能自动检测钉子的有无，提高系统的效率以及可靠性，设计结构简单合理、稳定可靠。专用的送钉机构，具有大承载、低噪声、节能降耗等特点，送钉规格为M3 ～M8（非标可定制）。
图13 自动选钉送钉机构
自动焊枪头如图14 所示，采用伺服电机驱动（行程150mm）+精密滑台气缸（直送枪行程50mm，斜送枪行程150mm）移动焊枪机构，保证焊枪头焊接高度在0 ～200mm 或0 ～300mm 范围可调。通过伺服电机可以调整螺柱与板材的距离，并根据板材的形状调整焊枪机构的抬升高度，避免产生工件和焊枪的碰撞。同时采用不同焊枪焊接不同长度螺柱时也可以微调螺柱与板材的间隙，保证焊接速度，且压力稳定可调，以适应板材表面的不平。
图14 自动焊枪头
⑴定位精准：采用计算机编程控制，定位灵活、方便、稳定。
⑵焊接质量高：可将多种规格的螺柱迅速、牢固地焊接在金属表面，焊接板材背面无痕，无明显凹陷、凸起。
⑶适应材料广泛：可焊接冷板、不锈钢、铝板、镀锌板等多种材料，如图15 所示。
图15 螺柱与多种材料的焊接件
⑷效率高：自动送钉，自动焊接，且无需钻孔、铆接、弧焊以及焊后处理等繁琐的传统工艺，每分钟可焊接25 ～30 个螺柱，省时省力。
⑸数控编程：可实现更加复杂的焊接方案需求。
CNC 自动化螺柱焊机配置有我司自主研发的铣刀枪头，如图16 所示，可以实现“消层”、防溅和吹气三大功能。
图16 铣刀枪头
加工镀锌板时，由于表面锌层与内板存在材质上的差异，若未经表面处理，栽钉时将会出现炸糊、虚焊等现象，加工质量得不到保证，后期处理的工作量也较大。运用我司自主研发的“消层”技术，可避免以上问题。当用户在程序内开启“消层”功能，设备将自动使用铣刀枪头将表面涂层清理，并且“消层”深度可根据需要任意调节，确保设备适用于任何厚度的涂层。这样，不仅使加工区域更加美观，加工质量得到有效保证，而且大大提高了加工效率，减少了后期处理的人工物料浪费。
枪头连接高效焊接防溅液，防止焊接时产生的飞溅氧化物由于高温作用而粘附于母材上，减少虚焊和漏焊，且保护工人不受焊渣伤害。焊前在焊缝两侧喷涂防飞溅液，落下的焊渣明显减少，个别落下粘在表面的焊渣，用抹布可以擦去，表面不留痕迹，也不会生锈，对后期的表面涂装也无任何影响。
可吹除铣刀枪头处理后的铁屑，防止嘴吹或用手去清除，造成铁屑飞入眼中或割伤手指。
CNC自动化螺柱焊机特点突出，优势明显，广泛应用于电气、电子、锅炉、电力建设、装饰与家电、电梯、汽车行业、船舶行业、航天工业等领域的薄板螺柱焊接生产。洛阳市锐创电气设备有限公司愿与您携手并进，精诚合作，共创辉煌。
——摘自《钣金与制作》2023年第2期
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