適用多種橋殼焊接的三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李素萍

摘要：焊接變位機(jī)是焊接機(jī)器人工作站的重要組成部分，以多種橋殼產(chǎn)品焊接項(xiàng)目為例，概述三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)在機(jī)器人焊接工作站中的典型設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用實(shí)例，包括三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)和工作原理。重點(diǎn)分析三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的工作原理與功能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)踐證明，此三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)焊接效果好，自動(dòng)化程度高，人工操作靈活方便，確保了橋殼焊接質(zhì)量并滿足了焊接要求，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目具有重要的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人焊接工作站;三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī);設(shè)計(jì)思路;結(jié)構(gòu)分析;技術(shù)參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG409 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）05-0013-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.03

0 ? ?前言

為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，機(jī)器人大量應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。為充分發(fā)揮機(jī)器人的功效，其通常與各種焊接變位機(jī)組合使用，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接生產(chǎn)。目前，焊接變位機(jī)已成為焊接機(jī)器人工作站不可缺少的組成部分。如何優(yōu)化變位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多功能，是焊接工作站優(yōu)化的一個(gè)重要方向。

1 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)設(shè)計(jì)思路

機(jī)器人橋殼焊接系統(tǒng)工作站可實(shí)現(xiàn)多種汽車橋殼產(chǎn)品的共線機(jī)器人自動(dòng)焊接，由機(jī)器人、三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)、上下料設(shè)備、PLC控制柜、機(jī)器人控制柜、焊機(jī)、公共底座、安全欄等組成[1]，如圖1、圖2所示。

焊接產(chǎn)品是橋殼的墊壓板、減震器支架和附件，滿足橋殼產(chǎn)品長(zhǎng)度尺寸范圍：1 400～2 300 mm （橋殼單側(cè)長(zhǎng)度700～1 150 mm）。換產(chǎn)要求：?jiǎn)稳藫Q產(chǎn)時(shí)間≤5 min，換產(chǎn)內(nèi)容為卡盤夾爪。加工節(jié)拍 ≤360 s/件（不含上、下料時(shí)間）。正常生產(chǎn)過程中工裝定位的重復(fù)定位精度≤0.15 mm。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)到位后有定位機(jī)構(gòu)，保證正常生產(chǎn)過程的定位精度小于0.2 mm。三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)是保證定位精度的核心部件，主要設(shè)計(jì)思路如下[2-3]：

三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)由伺服電機(jī)和RV減速機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，第一軸的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具A/B側(cè)的換位，使兩個(gè)夾具在機(jī)器人作業(yè)工位和人工工位之間切換，兩套工裝夾具的工作順序是A側(cè)機(jī)器人焊接的同時(shí)B側(cè)是人工裝件。第二軸/第三軸的自身翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，滿足工件焊接要求。

變位機(jī)第二軸/第三軸的主動(dòng)單元設(shè)計(jì)帶氣動(dòng)卡盤，夾住工件軸頭位置，卡盤夾緊力大，能夠夾持一端加工過的軸，工件不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)?？ūP直徑行程14 mm，不同直徑規(guī)格的軸頭，需更換卡盤上面的定位塊，以適應(yīng)多種不同軸頭直徑的橋殼產(chǎn)品。焊后取件依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)梯形絲杠，自動(dòng)退位遠(yuǎn)離工件，工件自動(dòng)放置在上下料裝置。從動(dòng)單元采用氣缸推動(dòng)頂尖定位工件軸心位置，同時(shí)頂尖自身能夠旋轉(zhuǎn)，滿足工件回轉(zhuǎn)要求，跟隨主動(dòng)單元回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工件焊接功能要求。不同長(zhǎng)度工件換產(chǎn)時(shí)，依靠人工轉(zhuǎn)動(dòng)搖輪調(diào)整，插銷定位[1]。主動(dòng)單元和從動(dòng)單元均采用滑軌前后移動(dòng)，采用拖鏈來布置線纜與氣路，實(shí)現(xiàn)多種長(zhǎng)度不同的橋殼生產(chǎn)。此三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提高了整個(gè)工作站的工作效率。

2 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)結(jié)構(gòu)主要由6大部分組成，分別是首箱、尾箱、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、驅(qū)動(dòng)單元、從動(dòng)單元、底座（可設(shè)計(jì)獨(dú)立底座，也可放置在工作站公共底座上）。結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

2.1 技術(shù)參數(shù)確定

根據(jù)三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的主要技術(shù)性能和控制系統(tǒng)要求，變位機(jī)伺服電機(jī)與焊接機(jī)器人伺服選用相同的品牌，為YASKAWA機(jī)器人。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步選定常用外部軸伺服電機(jī)和RV減速機(jī)。第一軸選用3.7 kW驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和減速機(jī)，第二軸/第三軸選用1.3 kW驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，然后計(jì)算變位機(jī)承載能力。

以第二軸/第三軸為例，電機(jī)額定輸出扭矩8.34 N·m，減速比156.78，故組合輸出額定扭矩為：

T=8.34×156.78×0.95=1 242.2 N·m。又因減速機(jī)額

定輸出扭矩1 111 N·m<1 242.2 N·m，所以額定輸出

扭矩為1 111 N·m。按照相同原理設(shè)計(jì)變位機(jī)的許用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和額定輸出轉(zhuǎn)速。

三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾緊工件采用氣動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)卡盤連桿與氣缸桿浮動(dòng)連接?？ūP需要0～360°旋轉(zhuǎn)，氣動(dòng)卡盤連桿外加軸承可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能，氣動(dòng)卡盤后側(cè)設(shè)計(jì)齒輪與伺服電機(jī)減速機(jī)輸出齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)回轉(zhuǎn)功能，工件焊接完成后，上下料裝置頂升到位，氣動(dòng)卡盤松開，伺服電機(jī)帶動(dòng)梯形絲杠后撤，定位的卡爪脫離工件，上下料裝置運(yùn)送焊后工件到工作站外，取件。驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.3 從動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從動(dòng)單元結(jié)構(gòu)組件中選用自制生產(chǎn)的頂尖，長(zhǎng)行程氣缸推進(jìn)頂尖夾緊工件到位后，隨驅(qū)動(dòng)單元?dú)鈩?dòng)卡盤夾緊工件，并帶動(dòng)工件一起旋轉(zhuǎn)。頂尖座后側(cè)與氣缸浮動(dòng)連接，外側(cè)加軸承實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。既實(shí)現(xiàn)了頂尖的前進(jìn)與后退功能，又實(shí)現(xiàn)了頂尖的旋轉(zhuǎn)功能[4]。為滿足生產(chǎn)工件長(zhǎng)度不一致的要求，換產(chǎn)時(shí)，依靠人工手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，帶動(dòng)絲杠調(diào)整到合適位置后，手動(dòng)插銷鎖住固定到位。

從動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

3 三軸變位機(jī)的應(yīng)用效果

三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)滿足客戶生產(chǎn)節(jié)拍要求，第二、三軸翻轉(zhuǎn)180°用時(shí)3～3.5 s，第一軸翻轉(zhuǎn)180°用時(shí)8.5～9 s。重復(fù)定位精度±0.1 mm，每個(gè)軸的動(dòng)作范圍±180°。此焊接工作站依托三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的幫助實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，滿足設(shè)計(jì)和使用要求，設(shè)備操作安全方便，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。工件上料后，一鍵式全自動(dòng)焊接，大大降低了操作難度，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

4 結(jié)論

安川首鋼公司首次為適用多種橋殼產(chǎn)品焊接研發(fā)了一種三軸變位機(jī)，其重復(fù)定位精度高，充分保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量。易操作，自動(dòng)上下料，性能安全可靠，較大程度上節(jié)約了人力勞動(dòng)。為機(jī)器人焊接工作站工程提供強(qiáng)有力的保證。

參考文獻(xiàn)：

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