針對兩工件焊接的變位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

（中國天楹股份有限公司，江蘇 南通 226600）

0 前言

焊接變位機(jī)是用來拖動待焊工件使其待焊焊縫運(yùn)動至理想位置并保持最佳焊接位置，配合焊接機(jī)器人進(jìn)行施焊作業(yè)的機(jī)械設(shè)備[1]，焊接變位機(jī)可保證焊接質(zhì)量，提高焊接生產(chǎn)率和生產(chǎn)過程的安全性，改善工人作業(yè)條件。雖然相對國外的發(fā)展，焊接變位機(jī)在國內(nèi)起步較晚，但焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在機(jī)械中占有很大比重，目前我國焊接變位機(jī)行業(yè)的發(fā)展空間還很大[2-3]，焊接變位機(jī)作為焊接機(jī)器人工作站中不可缺少的組成部分，其設(shè)計研究是縮短焊接周期、促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的重要手段[4]。

焊接變位機(jī)按其結(jié)構(gòu)形式主要分為：①伸臂式焊接變位機(jī)，適用于輕小焊件的翻轉(zhuǎn)變位，負(fù)載小于1 t；②座式焊接變位機(jī)，應(yīng)用最為廣泛，負(fù)載范圍廣，為1～50 t；③雙座式焊接變位機(jī)，穩(wěn)定性高，適用于大型和重型工件的翻轉(zhuǎn)變位，負(fù)載大于50 t。

典型焊接變位機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[1，5]。目前變位機(jī)大多實(shí)現(xiàn)一種工件的焊接變位，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對變位機(jī)的要求相應(yīng)提高，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一的變位機(jī)已無法滿足市場需求，例如：當(dāng)需要兩個工件組合焊接時，傳統(tǒng)的變位機(jī)需要另外一臺焊接變位機(jī)進(jìn)行配合變位，導(dǎo)致焊接成本提高、焊接效率降低。本研究提出了一種新型旋轉(zhuǎn)切換工位焊接專用變位機(jī)，不僅可以將兩種工件夾裝為整體，實(shí)現(xiàn)兩個工件的拼裝焊接、兩工件同步旋轉(zhuǎn)變位，還能實(shí)現(xiàn)某個工件的單獨(dú)旋轉(zhuǎn)變位，便于焊接機(jī)器人自動化焊接，有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

圖1 典型焊接變位機(jī)的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structure of the typical welding positioner

1 兩工件焊接變位機(jī)的目標(biāo)工件及設(shè)計要求

1.1 目標(biāo)工件

針對焊接工件設(shè)計的變位機(jī)，目標(biāo)工件即待焊接工件為圓管與多耳板組件的組拼焊接；且設(shè)計目標(biāo)是要解決當(dāng)前多數(shù)焊接變位機(jī)無法實(shí)現(xiàn)對兩工件進(jìn)行拼裝焊接的問題。因此，設(shè)計的新型變位機(jī)有A、B兩個焊接工位，當(dāng)焊接機(jī)器人對某一工位進(jìn)行焊接作業(yè)時，另一工位可同時進(jìn)行工件的上下件裝夾工作，兩個工位的焊接與裝夾工作互不影響。

1.2 設(shè)計要求

從焊接工件的焊接質(zhì)量要求來看，圓管耳板處的焊接熱量較大，變形量較大；但是從工件的使用角度來看，圓管的焊接變形不會影響此工件的后期使用，所以技術(shù)文件圖紙未對整體焊接變形有硬性要求，只是對圓管上的耳板間距作了公差與平行度的要求（見圖2），控制圓管上的焊接耳板之間的間距以及耳板上孔位的平行度即能滿足此工件的使用要求。因此，工裝夾具主要是控制耳板之間的間距以及耳板孔位上的平行度，對于整體的焊接變形，只能通過機(jī)器人的跳焊或者間斷焊接的焊接工藝使工件整體均勻受熱，從而減少焊接變形量。

2 新型焊接變位機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

為完成兩工件獨(dú)立或同步的旋轉(zhuǎn)變位的要求，可用于兩種工件旋轉(zhuǎn)變位的焊接變位機(jī)結(jié)構(gòu)主要由以下部分組成：并排設(shè)置的焊接夾裝機(jī)構(gòu)A和B、轉(zhuǎn)動基座、固定基座、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖3所示。其中焊接夾裝機(jī)構(gòu)兩端設(shè)置有固定基座，固定基座通過軸承座安裝轉(zhuǎn)動基座，焊接夾裝機(jī)構(gòu)A和焊接夾裝機(jī)構(gòu)B的兩端分別通過另一軸承座安裝在轉(zhuǎn)動基座上，其中一端的轉(zhuǎn)動基座上安裝有驅(qū)動焊接夾裝機(jī)構(gòu)A的驅(qū)動機(jī)構(gòu)A，以及驅(qū)動焊接夾裝機(jī)構(gòu)B的驅(qū)動機(jī)構(gòu)B，固定基座上安裝有同步驅(qū)動機(jī)構(gòu)使得對應(yīng)轉(zhuǎn)動基座轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)兩工件的同步變位。

2.1 焊接夾裝機(jī)構(gòu)

工位旋轉(zhuǎn)切換焊接專用變位機(jī)的主要特點(diǎn)之一是能實(shí)現(xiàn)兩個工件的焊接變位，因此該焊接專用變位機(jī)有兩個并排設(shè)置的焊接夾裝機(jī)構(gòu)A和焊接夾裝機(jī)構(gòu)B（見圖3）。焊接夾裝機(jī)構(gòu)A用于將圓管A（即加工件）、布置在圓管A一側(cè)的多耳板組以及圓管A另一側(cè)的多側(cè)板組件拼裝為一體。焊接夾裝機(jī)構(gòu)B除上述部分外，還需對連接在側(cè)條板與圓管B之間的筋板進(jìn)行拼裝。

2.1.1 焊接夾裝機(jī)構(gòu)的組成

圖2 技術(shù)文件圖紙F(tuán)ig.2 Technical document drawings

圖3 焊接變位機(jī)三維模型Fig.3 3D model of welding positioner

兩焊接夾裝機(jī)構(gòu)各包括一個夾裝平臺，圖4為焊接夾裝機(jī)構(gòu)A的夾裝平臺。夾裝平臺上均勻分布支撐座，支撐座上設(shè)置V型開口用于支撐圓管，沿圓管長度方向安裝強(qiáng)力壓緊氣缸以壓緊圓管，在夾裝平臺的一側(cè)有用于安裝耳板組的耳板夾裝裝置，另一側(cè)有側(cè)板組件的夾裝機(jī)構(gòu)，在每個焊接夾裝平臺的一端都設(shè)置有端部限位座，它可以間隔分布多個以適應(yīng)不同長度的圓管，較為靈活，焊接夾裝結(jié)構(gòu)A的三維模型如圖5所示。

焊接夾裝機(jī)構(gòu)B的夾裝平臺如圖6所示，焊接夾裝機(jī)構(gòu)B整體三維模型如圖7所示。由圖可知，焊接夾裝機(jī)構(gòu)B除上述與焊接夾裝機(jī)構(gòu)A相同的部分外，耳板組一側(cè)緊貼圓管外壁，另一側(cè)均布多個第一支座以支撐筋板，以及多個第二支座以支撐側(cè)條板。第一支座上設(shè)置有臺階和第一肘夾，筋板支撐在第一支座的臺階面上，并通過肘夾夾緊，筋板內(nèi)側(cè)設(shè)置有緊密貼合在圓管外壁上的圓弧面，第二支座上設(shè)置臺階，側(cè)條板支撐在第二支座的臺階面上，并通過強(qiáng)力壓緊氣缸與筋板的外側(cè)面緊密貼合。

圖4 夾裝平臺A三維模型Fig.4 3D model of clamping plantform A

圖5 焊接夾裝機(jī)構(gòu)A三維模型Fig.5 3D model of clamping mechanism A

焊接夾裝機(jī)構(gòu)夾具部分的主要特點(diǎn)是圓管與多耳板組專用夾具的自主設(shè)計。

圖6 夾裝平臺B三維模型Fig.6 3D model of clamping plantform B

圖7 焊接夾裝機(jī)構(gòu)B三維模型Fig.7 3D model of clamping mechanism B

2.1.2 圓管與多耳板組專用夾具

圓管多耳板組專用夾具包括圓管、多耳板組件及其夾裝裝置、側(cè)板組件及其夾裝裝置。

耳板由耳板夾裝裝置夾裝，可保證耳板焊接面與圓管緊密結(jié)合。耳板夾裝裝置三維模型及剖面圖如圖8所示，包括左、右連接板、安裝底板、空腔、滑動座、氣缸、銷軸、夾板、擋板、夾裝在耳板的耳孔內(nèi)的圓盤等部分。其中夾板與連接板之間的圓盤夾裝在耳板的耳孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對耳板的夾裝。

側(cè)板的夾裝由側(cè)板夾裝裝置完成，側(cè)板組件夾裝機(jī)構(gòu)如圖9所示，第一肘夾可將側(cè)板組件壓緊貼合在圓管上，側(cè)板組件夾裝機(jī)構(gòu)在焊接變位夾裝機(jī)構(gòu)中的位置如圖10所示。側(cè)板組件夾裝機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)側(cè)板組件的高效、精準(zhǔn)拼裝，顯著提高生產(chǎn)效率。

2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)動基座

工位旋轉(zhuǎn)切換焊接專用變位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)兩個工件的同步變位和工件的單獨(dú)變位，因此，該變位機(jī)共有傳動機(jī)構(gòu)和三套驅(qū)動：同步驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩工件的同步工位變換、驅(qū)動機(jī)構(gòu)A實(shí)現(xiàn)焊接夾裝機(jī)構(gòu)A的單獨(dú)變位、驅(qū)動機(jī)構(gòu)B實(shí)現(xiàn)焊接夾裝機(jī)構(gòu)B 的單獨(dú)變位。傳動機(jī)構(gòu)皆通過傳動軸完成傳動，傳動軸的定位由定位銷完成。

圖8 耳板夾裝裝置Fig.8 Ear plate clamping mechanism

圖9 側(cè)板組件夾裝機(jī)構(gòu)Fig.9 Side plate components clamping mechanism

圖10 側(cè)板組件夾裝機(jī)構(gòu)模型Fig.10 3D model of side plate components clamping mechanism

轉(zhuǎn)動基座皆通過軸與安裝在固定基座中部上的帶座軸承連接，該軸通過固定基座一端與驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接，可以通過同步電機(jī)驅(qū)動完成兩工件的同步變位調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)動基座的一端有另一帶座軸承，通過傳動軸機(jī)構(gòu)與焊接夾裝機(jī)構(gòu)連接，通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)A、B的電機(jī)驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)工件的獨(dú)立變位，具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 驅(qū)動及傳動機(jī)構(gòu)Fig.11 Driving and transmission mechanism

3 工件夾裝與旋轉(zhuǎn)變位的功能實(shí)現(xiàn)

工件夾裝的實(shí)現(xiàn)過程如下：將圓管吊裝在支撐座V型開口上，端部抵靠端部限位座，壓緊氣缸將圓管緊壓在V型開口上；安裝耳板于耳板夾裝裝置，并將其焊接面緊貼圓管外壁，通過氣缸夾緊耳板；安裝側(cè)板于側(cè)板夾裝裝置，通過肘夾將側(cè)板組件壓緊，緊貼圓管。

旋轉(zhuǎn)變位實(shí)現(xiàn)如下：兩工件的同步調(diào)節(jié)通過與固定基座連接的同步驅(qū)動機(jī)構(gòu)完成；兩工件單獨(dú)的角度調(diào)節(jié)分別通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)A、B完成，單獨(dú)變位時兩工件之間相互獨(dú)立，不會相互影響。

4 SolidWorks有限元分析

進(jìn)行有限元分析前，應(yīng)遵循簡化與等效原則簡化為利于有限元分析的變位機(jī)模型[6]。由于變位機(jī)的主要受力在于夾具焊接夾裝機(jī)構(gòu)，因此使用有限元分析軟件組宏對夾具焊接夾裝機(jī)構(gòu)A、B主框架進(jìn)行應(yīng)力及形變分析，分析時將刪除變位機(jī)的電機(jī)等零部件以及螺栓、倒角等微小特征。

有限元分析結(jié)果如圖12所示。焊接夾裝機(jī)構(gòu)主框架圖的最大應(yīng)力位于中間部分，為1.704 Pa，最大形變量也在中間部分，為2.884 mm。滿足設(shè)計之初根據(jù)焊接件自身撓度所確定的焊接夾具的變形量小于3 mm的要求。

5 試驗(yàn)

圖12 焊接夾裝機(jī)構(gòu)有限元分析Fig.12 Finite element analysis of clamping mechanism

根據(jù)上文所述可知，焊接質(zhì)量要求中對耳板間距作了公差與平行度的要求（為0.5 mm），因此焊接夾裝機(jī)構(gòu)的變形可能會對耳板的間距及平行度造成影響；若只是針對圓管與耳板的焊接，客戶對整體焊接后的變形沒有硬性要求。原計劃焊接完成圓管耳板組件后用油壓機(jī)對整體進(jìn)行校平，但經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接后的耳板圓管與幾個墻板整體組焊后較為平整且能滿足使用要求。其主要原因是：圓管與墻板的焊接位置都在耳板的相反側(cè)，再加上幾個墻板的加強(qiáng)連接作用，反而將彎由變形的圓管焊直了。

圖13a為現(xiàn)場投入實(shí)際生產(chǎn)的焊接變位機(jī)；對于加工工件的質(zhì)量要求主要是耳板間距的公差和平行度要求，對實(shí)際加工出的工件進(jìn)行測量（見圖13b）滿足要求；圖13c為批量生產(chǎn)出的圓管焊接件。

6 結(jié)論

通過有限元分析及試驗(yàn)研究可知，設(shè)計的新型焊接專用變位機(jī)加工出的工件滿足使用要求，焊接夾裝機(jī)構(gòu)A和B可以實(shí)現(xiàn)對兩組不同工件的精準(zhǔn)、可靠定位，三臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)動副的配合使用，可達(dá)到兩工件互不影響、獨(dú)立變位以及兩工件同步變位的目標(biāo)，便于實(shí)現(xiàn)自動化、高效焊接。此外，從現(xiàn)場投入應(yīng)用的焊接變位機(jī)可以看出，兩夾裝機(jī)構(gòu)之間設(shè)置有連接在轉(zhuǎn)動基座上的擋板，該擋板可用于遮擋弧光，防止焊接弧光對人體的危害，提高焊接過程的安全性。

圖13 現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.13 Production site