機器人焊接系統(tǒng)中三軸變位機的標準化設(shè)計

李素萍，劉 冰，馬 永，高宏偉

安川首鋼機器人有限公司，北京 100176

0 前言

我國正處于智能制造的高速發(fā)展期，機器人的應(yīng)用越來越廣泛，為充分發(fā)揮機器人的功效，其通常各種焊接變位機組合使用，從而實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接生產(chǎn)[1-2]。變位機作為機器人焊接生產(chǎn)線和柔性焊接加工單元的重要組成部分，其作用是將被焊工件旋轉(zhuǎn)（平移）至最佳的焊接位置。在焊接作業(yè)之前和焊接過程中，變位機通過夾具裝卡和定位被焊工件，對工件的不同要求決定了變位機的負載能力及其運動方式。

焊接變位機按焊接工件不同的形狀和焊縫的布置，結(jié)構(gòu)和形式多樣化。按電機驅(qū)動軸可分為單軸變位機、雙軸變位機、三軸變位機、五軸變位機。單軸變位機主要包括首尾箱式、懸臂式、轉(zhuǎn)臺；雙軸變位機主要包括雙軸機、L型變位機、C型變位機；三軸變位機主要包括三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機、三軸水平回轉(zhuǎn)變位機，每個類型的變位機均包含輕載和重載。

在國內(nèi)機器人快速產(chǎn)業(yè)化的背景下，變位機的標準化已成為縮短整個機器人焊接工作站加工周期的重要手段和發(fā)展趨勢。標準型的機器人焊接變位機不僅具有符合機器人工作站要求的技術(shù)特性，而且制造成本比專用機器人焊接變位機低，供貨及時，大大簡化了機器人系統(tǒng)的集成技術(shù)，縮短了構(gòu)建機器人工作站的周期。根據(jù)工件的特點和加工任務(wù)的不同要求、重物的高度和工位數(shù)量，通過模塊化的組合可以按需提供客戶專用的定位裝置[3-4]。本文以安川首鋼機器人有限公司的三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機為例重點介紹。

1 三軸翻轉(zhuǎn)變位機基本構(gòu)成

三軸翻轉(zhuǎn)變位機是由三個驅(qū)動單元軸組成，通過第一軸（簡稱S1）的翻轉(zhuǎn)來實現(xiàn)夾具A/B側(cè)的變換位置，第二軸/第三軸（簡稱S2/S3）通過自身翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)夾具的轉(zhuǎn)動。三個軸均有伺服電機和RV減速機驅(qū)動，第一軸用來控制兩個夾具在機器人作業(yè)工位和人工裝件工位之間切換。變位機工作時，A側(cè)機器人焊接的同時，B側(cè)人工同時裝件，以滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求和提高工作效率。三軸翻轉(zhuǎn)變位機協(xié)助整個工作站運轉(zhuǎn)，工件焊接質(zhì)量和工作效率大大提高。其結(jié)構(gòu)主要由首箱、尾箱、旋轉(zhuǎn)機架、驅(qū)動單元、從動單元、底座六部分組成。底座設(shè)置為可選項，假如工作站里有公共底座，三軸翻轉(zhuǎn)變位機選型時，可不選底座部分，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[5]。

圖1 三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-axis vertical turning positioner

2 三軸翻轉(zhuǎn)變位機的承載能力和負載核算

2.1 三軸翻轉(zhuǎn)變位機承載能力

三軸翻轉(zhuǎn)變位機有兩個帶動夾具翻轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸和一個改變夾具位置的翻轉(zhuǎn)軸。其中，改變夾具位置的翻轉(zhuǎn)軸（簡稱S1）驅(qū)動伺服電機選用安川電機3.7 kW減速機型號RV-450E系列；兩個帶動夾具翻轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸（簡稱S2/S3）選用安川伺服電機1.3 kW和減速機型號RV-140E系列。選定伺服電機和減速機型號后，進行變位機承載能力計算[6]。具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 翻轉(zhuǎn)軸S1的性能參數(shù)

表2 翻轉(zhuǎn)軸S2、S3的性能參數(shù)

2.2 負載的核算

在S2/S3軸的額定承載能力情況下，估算負載的重量、半徑、長度等參數(shù)，以便給出使用參考數(shù)據(jù)。根據(jù)實際機器人焊接系統(tǒng)工作站中焊接工件的大小，通常預估負載半徑R、負載長度L、負載重量G、負載偏心量d等變量的值，進行負載扭矩和轉(zhuǎn)動慣量的計算。負載扭矩T=G×d，負載轉(zhuǎn)動慣量JZ'＝JZC＋M×d2。還要進行啟動扭矩的計算，啟動扭矩M=JZ'×β＝（JZC＋md2）×β（β是旋轉(zhuǎn)軸的角加速度）。

將負載的計算數(shù)據(jù)與三軸翻轉(zhuǎn)變位機性能參數(shù)對比，要求負載的扭矩、轉(zhuǎn)動慣量、節(jié)拍要求等數(shù)據(jù)均滿足三軸翻轉(zhuǎn)變位機性能參數(shù)。

3 三軸翻轉(zhuǎn)變位機的結(jié)構(gòu)標準化

在變位機的設(shè)計中引入模塊化的概念，屬于廣義的模塊化設(shè)計，是以傳統(tǒng)模塊化設(shè)計基本理論為基礎(chǔ)，引入?yún)?shù)化設(shè)計和變量化分析方法，通過對一系列產(chǎn)品進行功能分析并結(jié)合其在設(shè)計、制造、維護中的特點，劃分并構(gòu)造具有更大適應(yīng)性的廣義模塊和廣義產(chǎn)品平臺，通過廣義模塊的組合或廣義產(chǎn)品平臺的衍生實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計[7]。

3.1 模塊的組成

按照各組成部分的功能和結(jié)構(gòu)把變位機拆分成：驅(qū)動單元、從動單元、旋轉(zhuǎn)機架、底座、首箱、尾箱等模塊，每個模塊有統(tǒng)一的安裝尺寸，但是每個模塊有不同的結(jié)構(gòu)尺寸，這樣經(jīng)過組合，設(shè)計出多種類型、滿足多種焊接夾具的需要、適應(yīng)更廣泛的機器人焊接變位機。標準三軸翻轉(zhuǎn)變位機適合焊接夾具半徑600 mm和800 mm，夾具跨距2 000 mm、2 500 mm、3 000 mm、3 500 mm。驅(qū)動單元和從動單元的高度以夾具半徑而定，旋轉(zhuǎn)機架和底座的長度根據(jù)夾具跨距而定，首箱單元和尾箱單元的高度以夾具半徑而定。經(jīng)過各個模塊的設(shè)計，組合成不同型號的三軸翻轉(zhuǎn)變位機，滿足項目需求。標準化工作完成后，不但節(jié)約大量的人力物力，而且提高了工作效率，很大程度上縮短了焊接變位機的供貨周期。模塊化構(gòu)成示意如圖2所示。

圖2 三軸翻轉(zhuǎn)變位機模塊構(gòu)成Fig.2 Module composition of three-axis reversing positioner

3.2 結(jié)構(gòu)模塊的參數(shù)化

三軸翻轉(zhuǎn)變位機的模塊中，以驅(qū)動單元設(shè)計為例，根據(jù)項目設(shè)計經(jīng)驗歸納出夾具半徑由600 mm和800 mm兩種規(guī)格，足以滿足需求。驅(qū)動單元焊接箱體的高度出現(xiàn)了兩個尺寸。只需要出一套圖紙，即可滿足不同尺寸加工圖紙要求，高度標注參數(shù)化尺寸L，不同的規(guī)格選用對應(yīng)的L值。以此類推，各個模塊均可以進行參數(shù)化設(shè)計，如圖3所示。

圖3 首箱體單元參數(shù)化示意圖Fig.3 Parameterization diagram of the first box unit

3.3 電纜的標準化

根據(jù)變位機的機型，每個機型對應(yīng)設(shè)計出配套電纜，電纜圖紙存檔，設(shè)計出電纜選型單，以供項目選型使用。

4 三軸翻轉(zhuǎn)變位機的標準化下圖流程

整套三軸翻轉(zhuǎn)變位機中，每個模塊的圖紙可單獨存檔，亦可整套存檔。圖紙和采購單等相關(guān)文檔下發(fā)到資料室后，進行標準圖紙存檔，然后復印圖紙和采購單等相關(guān)文檔下發(fā)到各部門，如圖4所示。當根據(jù)項目需求確定三軸翻轉(zhuǎn)變位機型號后，直接體現(xiàn)在系統(tǒng)總目錄里。采購科室接收到系統(tǒng)總目錄后，直接進行機械加工和外購件采購。變位機加工組裝完成后，進行電氣元件安裝和變位機功能調(diào)試，如圖5所示，達到三軸翻轉(zhuǎn)變位機出廠要求。

圖4 標準圖紙存檔流程Fig.4 Archiving process of standard drawings

圖5 標準變位機下發(fā)流程Fig.5 Distribution process of standard positioner

5 結(jié)論及展望

通過對標準三軸翻轉(zhuǎn)變位機的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行模塊化，電纜模塊化設(shè)計。推出一系列標準變位機，滿足項目需求，節(jié)約了大量的人力設(shè)計成本和生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計與生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。充分發(fā)揮機器人的功效，實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接生產(chǎn)。根據(jù)常用變位機的機型和結(jié)構(gòu)進行標準化設(shè)計，形成公司標準設(shè)備，更快的將焊接工作站和焊接生產(chǎn)線提供給客戶。