變位機(jī)在機(jī)器人焊接工作站中的應(yīng)用

李素萍 李永剛

（安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京，100176）

0 前言

目前我國(guó)汽車行業(yè)飛速發(fā)展，車型更新?lián)Q代快，汽車產(chǎn)量和品種大幅增加，汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。為提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，機(jī)器人在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。在汽車制造業(yè)中，為充分發(fā)揮機(jī)器人的功效，焊接機(jī)器人通常與各種焊接變位機(jī)組合使用，從而實(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，為發(fā)揮焊接機(jī)器人工作站更大的作用，變位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)已成為縮短整個(gè)機(jī)器人焊接工作站加工周期的重要手段和發(fā)展趨勢(shì)。

1 變位機(jī)的種類

目前，與焊接機(jī)器人配套使用的焊接變位機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)將最常用的變位機(jī)類型分述如下。

1.1 單軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。此變位機(jī)驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)或者普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通常工作的翻轉(zhuǎn)速度是可調(diào)的，其功能是配合焊接機(jī)器人按預(yù)定程序?qū)A具上的工件翻轉(zhuǎn)一定的角度，以滿足焊接要求，保證工件焊接質(zhì)量。單軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)在焊接機(jī)器人工作站中是應(yīng)用最廣泛的設(shè)備。

圖1 單軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)

1.2 單軸懸臂變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。此變位機(jī)驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)，通常工作的翻轉(zhuǎn)速度是可調(diào)的，其功能是配合焊接機(jī)器人按預(yù)定程序?qū)A具上的工件翻轉(zhuǎn)一定的角度，以便滿足焊接要求，保證工件焊接質(zhì)量。這類變位機(jī)適合小型焊接工作站，節(jié)約空間，亦可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器人、兩臺(tái)變位機(jī)的高效率生產(chǎn)。

1.3 單軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。此變位機(jī)適合小型工作站、小工件的焊接，可實(shí)現(xiàn)±180°水平回轉(zhuǎn)，滿足工件焊接要求，保證工件焊接質(zhì)量。

圖3 單軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)

1.4 雙軸標(biāo)準(zhǔn)變位機(jī)

圖2 單軸懸臂變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4。此變位機(jī)兩軸均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，焊接夾具實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的同時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)±180°水平回轉(zhuǎn)，這使得機(jī)器人的工作空間和與夾具的相互協(xié)調(diào)能力大大增強(qiáng)，機(jī)器人焊接姿態(tài)和焊縫質(zhì)量有很大提高。這類變位機(jī)適合小型焊接工作站，常用于小工件的焊接，如消聲器的尾管、油箱等工件焊接。

圖4 雙軸標(biāo)準(zhǔn)變位機(jī)

1.5 L 型雙軸變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖5。此變位機(jī)兩軸均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，焊接夾具可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的同時(shí)，亦可實(shí)現(xiàn)±180°水平回轉(zhuǎn)，這使得機(jī)器人與夾具的相互協(xié)調(diào)能力大大增強(qiáng),機(jī)器人焊接姿態(tài)和焊縫質(zhì)量有很大提高。這類變位機(jī)的承載能力比上述雙軸標(biāo)準(zhǔn)變位機(jī)大，第一軸的翻轉(zhuǎn)角度亦大，適合較大工件的焊接。L 型雙軸變位機(jī)是雙軸變位機(jī)的升級(jí)設(shè)備。

圖5 L 型雙軸變位機(jī)

1.6 C 型雙軸變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖6。此變位機(jī)與L 型雙軸變位機(jī)原理相近，但是第二軸的上端與夾具固定，采用回轉(zhuǎn)支撐與電機(jī)驅(qū)動(dòng)端同步。C 型雙軸變位機(jī)的第一軸減速比大，就結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其承載能力要比L 型雙軸變位機(jī)的承載能力大很多，一般焊接重型夾具選用。

圖6 C 型雙軸變位機(jī)

1.7 三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖7。此變位機(jī)第一軸的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具A/B 側(cè)的換位，第二軸/第三軸的自身翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。此變位機(jī)實(shí)現(xiàn)了與機(jī)器人的同步協(xié)調(diào)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)均采用伺服電機(jī)，兩套同樣的夾具一起工作，A 側(cè)機(jī)器人焊接的同時(shí)，B 側(cè)是人工裝件。此變位機(jī)對(duì)于整個(gè)工作站來(lái)說(shuō)，工作效率大大提高。

選用三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的機(jī)器人焊接工作站較大，工作站的安全房較高，一般用于車橋等大型工件的焊接?？缇噍^小的夾具可用單機(jī)實(shí)現(xiàn)焊接，對(duì)于跨距較大的夾具，一個(gè)機(jī)器人無(wú)法完全滿足焊接時(shí)，可選用雙機(jī)同時(shí)焊接，以滿足工件的焊縫要求。

圖7 三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)

1.8 三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖8。此變位機(jī)是三軸變位機(jī)的不同類型的設(shè)備，工作原理與三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)基本相同，但是，第一軸要通過(guò)回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具A/B側(cè)的換位，第二軸/第三軸依然是通過(guò)自身翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。此變位機(jī)實(shí)現(xiàn)了與機(jī)器人的同步協(xié)調(diào)，驅(qū)動(dòng)均采用伺服電機(jī)，兩套同樣的夾具一起工作，A 側(cè)機(jī)器人焊接的同時(shí)，B 側(cè)是人工裝件。

三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)工作站的安全房比三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)稍低。此類變位機(jī)整臺(tái)設(shè)備半徑較大，一般采用單機(jī)焊接。

圖8 三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)

1.9 五軸變位機(jī)

其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖9。此變位機(jī)分A/B 工位，兩側(cè)的工作原理相同，可實(shí)現(xiàn)夾具的回轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)。第一軸的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具自身回轉(zhuǎn)，第二軸實(shí)現(xiàn)夾具自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，第三軸實(shí)現(xiàn)變位機(jī)A/B 工位的位置變換；通過(guò)各個(gè)軸的協(xié)調(diào)，達(dá)到更佳的工件焊接效果。

五軸驅(qū)動(dòng)均采用伺服電機(jī)，兩套同樣的夾具一起工作，A 側(cè)機(jī)器人焊接的同時(shí)，B 側(cè)是人工裝件。此變位機(jī)對(duì)于整個(gè)工作站來(lái)說(shuō)，工作效率大大提高。

圖9 五軸變位機(jī)

2 變位機(jī)的主要技術(shù)性能

變位機(jī)是專用焊接輔助設(shè)備，主要任務(wù)是將負(fù)載（焊接工夾具+焊件）按預(yù)編的程序進(jìn)行回轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，使工件接縫的位置始終處于最佳焊接狀態(tài)。焊接變位機(jī)能將焊槍準(zhǔn)確送到待焊位置，并保持該位置或以選定焊速沿設(shè)定軌跡移動(dòng)焊槍。通過(guò)工作臺(tái)的升降、翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)，固定在工作臺(tái)上的工件可以達(dá)到所需的焊接裝配角度。

工作臺(tái)回轉(zhuǎn)為變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，可達(dá)到滿意的焊接速度。為達(dá)到這一目的，焊接變位機(jī)必須具備以下主要技術(shù)性能：

1）應(yīng)輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)所標(biāo)定的負(fù)載，做平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。

2）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小于電機(jī)減速機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以保證平穩(wěn)啟動(dòng)。

3）應(yīng)設(shè)置導(dǎo)電性能良好的焊接回路，保證焊接電源的輸出低損耗地傳送，使焊接電流持續(xù)穩(wěn)定，并能達(dá)到最大額定值。

4）設(shè)有自動(dòng)控制接口，包括氣動(dòng)焊接工夾具I/O 接口，易于與機(jī)器人控制系統(tǒng)集成，可按指令與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)。

5）具有精確的復(fù)零位功能。

6）設(shè)有安全聯(lián)鎖裝置，保證操作人員和設(shè)備的絕對(duì)安全。

3 變位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化

變位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化是指在變位機(jī)的設(shè)計(jì)中引入模塊化的概念，按照各組成部分的功能和結(jié)構(gòu)把變位機(jī)拆分成：驅(qū)動(dòng)單元、從動(dòng)單元、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、底座、副基座、首箱、尾箱等模塊，每個(gè)模塊有統(tǒng)一的安裝尺寸，但是每個(gè)模塊有不同的結(jié)構(gòu)尺寸，這樣經(jīng)過(guò)組合，設(shè)計(jì)出多種類型，滿足多種焊接夾具的需要，適應(yīng)更廣泛的機(jī)器人焊接工作站。

標(biāo)準(zhǔn)化工作完成后，不但為企業(yè)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(jī)的供貨周期。

圖11 從動(dòng)單元結(jié)構(gòu)尺寸圖

3.1 驅(qū)動(dòng)單元

這是焊接變位機(jī)中基本的模塊之一，主要由電機(jī)、減速機(jī)、夾具連接盤、焊接座等組成。安川首鋼機(jī)器人有限公司的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)單元有兩種高度，驅(qū)動(dòng)模塊中DUL01 高度550cm，DUL02 高度750cm，以滿足不同夾具回轉(zhuǎn)半徑的需要。驅(qū)動(dòng)單元中亦有輕載與重載之分，輕載所選電機(jī)功率1.3kW, 重載所選電機(jī)功率3.7kW。此驅(qū)動(dòng)單元的基本參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)尺寸如圖10 所示。

表1 驅(qū)動(dòng)單元基本參數(shù)

圖10 驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)尺寸圖

表2 從動(dòng)單元基本參數(shù)

3.2 從動(dòng)單元

此模塊也是焊接變位機(jī)中基本的模塊之一，主要是由夾具連接盤、焊接座等組成。安川首鋼機(jī)器人有限公司的標(biāo)準(zhǔn)從動(dòng)單元有兩種高度，從 動(dòng) 模 塊 中SUL01 高 度550cm，SUL02 高 度750cm，以滿足不同夾具回轉(zhuǎn)半徑的需要。從動(dòng)單元中亦有輕載與重載之分，輕載為SUL,重載為SUH。此從動(dòng)單元的基本參數(shù)如表2 所示，結(jié)構(gòu)尺寸如圖11 所示。

3.3 單軸變位機(jī)

單軸變位機(jī)是由模塊驅(qū)動(dòng)單元、從動(dòng)單元、底座、副基座共同組成，如圖12 可以看出，底座有兩種類型，從而組合成不同規(guī)格的單軸變位機(jī)：I 型單軸變位機(jī)和U 型單軸變位機(jī)。單軸變位機(jī)適合焊接夾具跨距為1600mm、2000mm、2500mm、3000mm、3500mm 等。同理，副基座的高度不同，可組合成不同高度的變位機(jī)，以滿足不同半徑焊接夾具的需要。

圖12 單軸變位機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.4 雙軸變位機(jī)

雙 軸 變位機(jī)有兩種類型，每一類都是相對(duì)獨(dú)立的整體變位機(jī)。此變位機(jī)有兩種負(fù)載，輕載雙軸變位機(jī)的負(fù)載為300kg,型 號(hào)MA2P-300D; 重載雙軸變位機(jī)的負(fù)載為500kg,型 號(hào)MA2P-500D。雙軸變位機(jī)的具體性能參數(shù)如表3所示，結(jié)構(gòu)尺寸如圖13 所示。

表3 雙軸變位機(jī)性能參數(shù)

圖13 雙軸變位機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸圖

3.5 三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)

三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)是由模塊驅(qū)動(dòng)單元、從動(dòng)單元、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、首箱、尾箱、底座共同組成，適合焊接夾具半徑為600mm 和800mm，跨距為1600mm、2000mm、2500mm、3000mm、3500mm 等，有重載和輕載兩大類。三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的具體性能參數(shù)如表4 所示。

表4 三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)性能參數(shù)

3.6 三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)

三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)是由模塊驅(qū)動(dòng)單元、從動(dòng)單元、梁、底座共同組成，適合焊接夾具半徑為600mm 和800mm，跨距為1600mm、2000mm、2500mm 等。三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)的具體性能參數(shù)如表5 所示。

表5 三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代機(jī)器人焊接變位機(jī)是機(jī)器人工作站高效、優(yōu)質(zhì)焊接生產(chǎn)不可缺少的組成部分，其重要性已得到廣泛認(rèn)同。變位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化很大程度上縮短了焊接變位機(jī)的生產(chǎn)周期，使機(jī)器人工作站系統(tǒng)更加優(yōu)化，對(duì)提升整個(gè)機(jī)器人焊接工作站的效率功不可沒(méi)，同時(shí)，亦可以令企業(yè)為廣大客戶提供更加優(yōu)質(zhì)、快捷的服務(wù)。因此，進(jìn)一步深入開(kāi)展焊接變位機(jī)的技術(shù)研究，使其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化勢(shì)在必行。