汽車(chē)白車(chē)身自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

□ 胡遠(yuǎn)忠 □ 劉 勇

1．廣東海洋大學(xué) 工程學(xué)院 廣東湛江 524088

2．武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 武漢 430070

汽車(chē)白車(chē)身的焊接方式最主要的是點(diǎn)焊，一般車(chē)型的車(chē)身焊點(diǎn)數(shù)就有4000～5000個(gè)［1］。在國(guó)外，汽車(chē)焊裝生產(chǎn)線(xiàn)都朝著高度自動(dòng)化、多種車(chē)型混流的方向發(fā)展［2］，如大眾、通用等，其車(chē)身焊裝生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化率已經(jīng)達(dá)到90%以上。用機(jī)器人焊接替代目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的人工焊是車(chē)身焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，但焊接機(jī)器人投資維護(hù)成本高、技術(shù)要求高，在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化焊接并不符合目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽車(chē)制造企業(yè)的現(xiàn)狀［3-5］。因此，針對(duì)某汽車(chē)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況和高效率低成本的生產(chǎn)理念，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)，以滿(mǎn)足某車(chē)型車(chē)身總拼門(mén)檻工位的焊接自動(dòng)化要求。

1 設(shè)計(jì)概要

該工位焊點(diǎn)分布如圖1所示，工件定位安裝在豎直平面內(nèi)，前門(mén)共有22個(gè)焊點(diǎn)，中門(mén)有19個(gè)焊點(diǎn)，各焊點(diǎn)并未完全處于同一平面內(nèi)，在Y方向有小幅度變動(dòng)。在Y方向投影上，前門(mén)焊點(diǎn)軌跡由X、Z方向兩條近似直線(xiàn)和兩段弧線(xiàn)組成，中門(mén)焊點(diǎn)軌跡由X方向直線(xiàn)和兩段弧線(xiàn)組成。總體上，該工位焊點(diǎn)分布比較規(guī)則，且相對(duì)密集，焊點(diǎn)之間的間隔也比較均勻，焊槍在工作過(guò)程中位姿調(diào)整速度波動(dòng)不大，運(yùn)動(dòng)會(huì)相對(duì)平穩(wěn)。

自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)需滿(mǎn)足的焊接工藝要求：①能完成符合質(zhì)量要求的焊點(diǎn)，且滿(mǎn)足生產(chǎn)節(jié)拍；②焊接時(shí)，應(yīng)避免與工件、工裝夾具等的干涉，由于工件需在X方向上進(jìn)行輸送，故自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)在焊接工作開(kāi)始前和完成焊接后，應(yīng)與工件在Y方向保持一定距離。

針對(duì)以上提出的焊點(diǎn)分布特征和工藝要求，擬定機(jī)構(gòu)由3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度組成，前門(mén)和中門(mén)各一套自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)在Y方向需要一個(gè)平動(dòng)自由度以避免工件在輸送過(guò)程中與機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，同時(shí)滿(mǎn)足焊接過(guò)程中焊鉗達(dá)到預(yù)定焊點(diǎn)所需的Y方向位移。前門(mén)和中門(mén)均有兩段弧線(xiàn)焊點(diǎn)軌跡，在豎直面上使用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能優(yōu)化機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑，提高焊接效率，避免在X、Z方向同時(shí)使用平動(dòng)自由度而造成機(jī)構(gòu)占用空間過(guò)大的缺點(diǎn)。為提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)、制造成本，對(duì)前門(mén)和中門(mén)采用同樣的機(jī)構(gòu)，由于前門(mén)在Z方向上有一條較長(zhǎng)的焊點(diǎn)曲線(xiàn)，故使用一個(gè)Z向平動(dòng)自由度，配合豎直面的轉(zhuǎn)動(dòng)，聯(lián)合完成豎直平面內(nèi)曲線(xiàn)的自動(dòng)焊接。

▲圖1 總拼門(mén)檻工位工件焊點(diǎn)分布圖

2 設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程如圖2所示，機(jī)構(gòu)由Y、Z方向兩個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和豎直面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。焊接機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，按照功能劃分為底座模塊、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊（Y向和Z向）、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊和焊鉗模塊，并在UG軟件上進(jìn)行三維建模和虛擬裝配。采用具有多軸聯(lián)動(dòng)功能的CNC控制系統(tǒng)，通過(guò)編寫(xiě)數(shù)控G代碼控制各軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌跡控制。借助UG/MotionStimulation進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，規(guī)劃?rùn)C(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器（焊鉗）的運(yùn)動(dòng)路徑，使用ANSYSWorkbench對(duì)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，保證機(jī)構(gòu)使用的可靠性。

3 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)如圖3所示，機(jī)構(gòu)固定在基座上，Y軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊帶動(dòng)其它運(yùn)動(dòng)模塊和焊鉗一起實(shí)現(xiàn)Y方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，Z軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊和連接在其上面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊完成豎直平面曲線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，使固定在旋轉(zhuǎn)模塊上的焊鉗到達(dá)預(yù)定焊點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)焊接操作。

3.1 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊以伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)件，齒輪齒條為傳動(dòng)件，直線(xiàn)導(dǎo)軌為導(dǎo)向件。如圖4所示，伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)減速增矩后，驅(qū)動(dòng)連接的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒條和雙導(dǎo)軌固定在Y工作臺(tái)上，固定伺服電機(jī)和減速機(jī)的Y板與左右各兩個(gè)滑塊連接，經(jīng)齒輪齒條嚙合傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，由直線(xiàn)導(dǎo)軌導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)Y板在Y方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)模塊定位精度高，響應(yīng)速度快，運(yùn)行平穩(wěn)。另外，設(shè)計(jì)一組機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，用于預(yù)防機(jī)構(gòu)在操作不當(dāng)時(shí)可能發(fā)生的安全問(wèn)題，并在機(jī)構(gòu)四周安裝防護(hù)板和風(fēng)琴式防護(hù)罩，防塵、美觀。由于采用模塊化設(shè)計(jì)，Z軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊僅需根據(jù)行程要求，改變相關(guān)尺寸參數(shù)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

3.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊和其它模塊的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊功能主要由回轉(zhuǎn)支承完成，回轉(zhuǎn)支承由能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)、外圈組成，且外圈有標(biāo)準(zhǔn)齒形和標(biāo)準(zhǔn)安裝孔［6］。將回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈固定，同時(shí)將伺服電機(jī)和減速機(jī)固定在其內(nèi)圈上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與回轉(zhuǎn)支承外圈嚙合，實(shí)現(xiàn)外圈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

▲圖2 焊接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

▲圖3 自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖4 Y軸直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

▲圖5 控制系統(tǒng)整體方案

焊鉗通過(guò)絕緣板和筋板連接在回轉(zhuǎn)支承外圈，選用X型焊鉗作為自動(dòng)焊機(jī)構(gòu)的工作焊鉗。X型焊鉗有兩個(gè)動(dòng)電極，焊鉗移動(dòng)時(shí)兩動(dòng)電極呈張開(kāi)狀態(tài)，工件不易產(chǎn)生劃痕?；啥喔鶚?biāo)準(zhǔn)方型鋼焊接組成，質(zhì)量小、強(qiáng)度高；基座底部安裝四組調(diào)整螺母，用于機(jī)構(gòu)安裝調(diào)試時(shí)調(diào)整機(jī)構(gòu)的高度。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)以下功能：①自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的精確定位；②為操作者提供良好的人機(jī)界面；③發(fā)生故障或意外斷電，應(yīng)有斷點(diǎn)恢復(fù)功能。

如圖5所示，CNC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)的精度、響應(yīng)性能等特性，選用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。CNC控制器內(nèi)裝PLC，可與多種伺服驅(qū)動(dòng)單元配套使用。數(shù)控系統(tǒng)采用G代碼編程，插補(bǔ)算法已封裝于數(shù)控系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)用CNC內(nèi)部函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)的軌跡插補(bǔ)，可以輕松實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制及軌跡控制。其操作界面和編程語(yǔ)言按國(guó)際通用的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有三維仿真校驗(yàn)和加工過(guò)程圖形動(dòng)態(tài)跟蹤功能，圖形顯示形象直觀，操作和使用方便容易。另外，數(shù)控系統(tǒng)具有程序斷點(diǎn)保存和恢復(fù)功能，發(fā)生意外停止工作的自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)在恢復(fù)正常后能夠繼續(xù)從斷點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)行。

5 機(jī)構(gòu)的仿真分析

5.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

在UG上三維建模裝配，在完成靜態(tài)干涉檢驗(yàn)后，并不能完全確保機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)行。由于機(jī)構(gòu)具有3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，每個(gè)自由度內(nèi)部及相互之間在運(yùn)動(dòng)時(shí)均易發(fā)生動(dòng)態(tài)干涉，且自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)與工裝夾具、工件之間也可能碰撞；同時(shí)，工件焊點(diǎn)呈三維空間分布，需要機(jī)構(gòu)多軸聯(lián)動(dòng)才能使焊鉗到達(dá)焊點(diǎn)位置，有必要運(yùn)用仿真手段對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃。

利用UG/MotionStimulation進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，按照各模塊定義連桿，建立各連桿之間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，給原動(dòng)件添加Step運(yùn)動(dòng)函數(shù)。機(jī)構(gòu)的焊接工作過(guò)程由運(yùn)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)焊鉗到達(dá)焊點(diǎn)位置和焊鉗進(jìn)行焊接操作組成，擬定每次焊接時(shí)間為1s，包括焊鉗閉合、焊接和焊鉗張開(kāi)3個(gè)過(guò)程，焊鉗在焊點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1s。

圖6為前門(mén)的自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)焊鉗下電極帽運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果，完成全部焊點(diǎn)所需時(shí)間為45s。 三段曲線(xiàn)為Y向線(xiàn)位移、豎直面旋轉(zhuǎn)方向角位移和XZ平面位移，分別反映Y軸運(yùn)動(dòng)模塊運(yùn)動(dòng)軌跡、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)軌跡以及Z軸運(yùn)動(dòng)模塊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊耦合而成的運(yùn)動(dòng)軌跡。在機(jī)構(gòu)從零位運(yùn)行至第一個(gè)焊點(diǎn)以及焊接結(jié)束后返回零位的時(shí)間段內(nèi)，曲線(xiàn)有較大的位移變化，符合實(shí)際情況；由于焊點(diǎn)分布在近似XZ豎直曲面內(nèi)，Y向線(xiàn)位移曲線(xiàn)中間部分基本保持直線(xiàn)，有微小變動(dòng)；XZ平面位移和旋轉(zhuǎn)方向角位移曲線(xiàn)的變化規(guī)律與工件焊點(diǎn)在XZ平面內(nèi)的分布情況一致，曲線(xiàn)中的多個(gè)水平橫線(xiàn)即代表焊鉗正進(jìn)行點(diǎn)焊操作，斜線(xiàn)表示焊鉗從一個(gè)焊點(diǎn)位置運(yùn)行至另一個(gè)焊點(diǎn)。

5.2 有限元仿真分析

經(jīng)理論分析，機(jī)構(gòu)的Y筋板、焊鉗連接筋板和電機(jī)連接板等受力大，易發(fā)生變形。在ANSYS Workbench中對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析。以Y筋板為例，Y筋板豎直面共18個(gè)螺栓孔承受旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊和焊鉗施加的重力和彎矩，其中重力2450N，彎矩269．99N·m；根據(jù)焊接生產(chǎn)節(jié)拍要求和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，擬定出機(jī)構(gòu)在Z方向的加速度為3m/s2，當(dāng)機(jī)構(gòu)在Z方向向下加速時(shí)，還需承受750N慣性力。

▲圖6 焊鉗下電極帽運(yùn)動(dòng)仿真位移圖

Y筋板由底部的10個(gè)螺栓固定，而Y筋板的高度偏大，有被載荷拉潰的風(fēng)險(xiǎn)，因此要分析Y筋板在受到重力載荷和彎矩作用下的應(yīng)力分布和變形量，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求。仿真分析后發(fā)現(xiàn)，筋板最大變形處于頂部邊緣位置，符合實(shí)際情況。筋板的最大應(yīng)力為14．641MPa，集中在底部靠近豎直面的5個(gè)螺栓孔，見(jiàn)圖7，最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力235MPa，因此筋板設(shè)計(jì)符合安全要求。

▲圖7 Y筋板等效應(yīng)力等值線(xiàn)圖

6 結(jié)論

該3自由度自動(dòng)焊接機(jī)構(gòu)成本低廉，高效實(shí)用，具有的優(yōu)勢(shì)為：①采用模塊化設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)效率，避免重復(fù)設(shè)計(jì)工作，同時(shí)可重新將運(yùn)動(dòng)模塊變異設(shè)計(jì)、合理組合，快速完成其它焊接工位的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。②主要驅(qū)動(dòng)件、傳動(dòng)件和執(zhí)行件均選用標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)備的精度高、性能穩(wěn)定，互換性強(qiáng)。③使用CAE仿真分析，確保機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能，優(yōu)化了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑，驗(yàn)證了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)可靠。

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