水平回轉(zhuǎn)式機(jī)器人焊接工作系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)

丁剛強(qiáng)

廣西汽車集團(tuán)柳州五菱汽車工業(yè)有限公司 廣西柳州 545007

1 序言

汽車工業(yè)中的鈑金工藝最重要的幾個(gè)步驟是：剪、沖/切、折/卷、焊接和表面處理。其中焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式連接合金或者其他熱塑性材料的制造工藝及技術(shù)。對于左右對稱的汽車鈑金類零件的焊接生產(chǎn)，為了減少焊接過程造成的零件變形，通常需要合理規(guī)劃焊接工藝流程。常規(guī)的做法就是采用雙機(jī)器人工作站的形式，即兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)弧焊焊槍左右同步進(jìn)行焊接，工藝路線就是從兩端向中間或從中間向兩端進(jìn)行焊接[1，2]。

常規(guī)方式為機(jī)器人單獨(dú)固定在3軸變位機(jī)旋轉(zhuǎn)區(qū)域外，3軸變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)半徑是一定的，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人工作站的占地面積較大，限制了焊接系統(tǒng)在較小空間環(huán)境的應(yīng)用。另外，自動(dòng)清槍器也需要安裝在3軸變位機(jī)之外，同樣導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人工作站的占地面積較大。因此，如何盡量降低焊接設(shè)備對于空間的占據(jù)，是本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對此問題，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種類型的機(jī)器人焊接工作系統(tǒng)，其機(jī)器人的固定座安裝于回轉(zhuǎn)構(gòu)架，機(jī)器人焊接系統(tǒng)工作時(shí)，操作人員可以先在裝卸件區(qū)將焊接工件安裝于夾持機(jī)構(gòu)，然后回轉(zhuǎn)構(gòu)架帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)也回轉(zhuǎn)直至焊接工件處于焊接工作區(qū)（本文優(yōu)選回轉(zhuǎn)構(gòu)架的回轉(zhuǎn)角度為180°），與此同時(shí)安裝于底座上的機(jī)器人也一同回轉(zhuǎn)，當(dāng)焊接工件回轉(zhuǎn)至焊接工作區(qū)后，可以控制機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至焊接初始位置，然后再根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的路徑進(jìn)行焊接作業(yè)；機(jī)器人設(shè)置于回轉(zhuǎn)構(gòu)架上，機(jī)器人的回轉(zhuǎn)區(qū)域與回轉(zhuǎn)構(gòu)架的部分回轉(zhuǎn)區(qū)域是相互重合的，這樣大大節(jié)省了整個(gè)機(jī)器人焊接系統(tǒng)的占地空間，有利于該系統(tǒng)布置于空間較小的環(huán)境，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

機(jī)器人焊接系統(tǒng)包括底座、回轉(zhuǎn)構(gòu)架和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。回轉(zhuǎn)構(gòu)架支撐于底座，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，回轉(zhuǎn)構(gòu)架可繞豎直軸相對底座回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)構(gòu)架上至少設(shè)置有兩組夾持機(jī)構(gòu)，每一組夾持機(jī)構(gòu)均能夠夾持固定被焊工件，各夾持機(jī)構(gòu)可隨回轉(zhuǎn)構(gòu)架往復(fù)運(yùn)動(dòng)于裝卸件區(qū)和焊接工作區(qū)，包括至少一個(gè)用于安裝焊槍的機(jī)器人，機(jī)器人的固定座安裝于回轉(zhuǎn)構(gòu)架，機(jī)器人具有至少兩節(jié)機(jī)械臂，第一節(jié)機(jī)械臂的根部安裝于固定座，末節(jié)機(jī)械臂的頂端用于安裝焊槍。

回轉(zhuǎn)構(gòu)架為工字型結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)縱臂和一個(gè)橫臂，橫臂連接于兩縱臂的中間位置，橫臂與底座回轉(zhuǎn)連接，兩縱臂同側(cè)的相對端部安裝有一組夾持機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)變位機(jī)和從動(dòng)變位機(jī)，二者相對安裝于兩縱臂的同一側(cè)端部，主動(dòng)變位機(jī)和從動(dòng)變位機(jī)配合夾緊焊接工件，并且從動(dòng)變位機(jī)可隨主動(dòng)變位機(jī)同步動(dòng)作。

工作站還包括自動(dòng)清槍器、輔助防護(hù)板、擋板。

自動(dòng)清槍器也安裝于回轉(zhuǎn)構(gòu)架上。機(jī)器人的數(shù)量為兩個(gè)，且對稱布置于回轉(zhuǎn)構(gòu)架的橫臂。當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，兩機(jī)器人的機(jī)械臂關(guān)于二者之間的中心縱平面對稱。每一個(gè)機(jī)器人對應(yīng)一個(gè)弧形防護(hù)板，其凹陷弧壁朝向機(jī)器人，當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，弧形防護(hù)板布置于兩機(jī)器人之間，當(dāng)焊接工作時(shí)，弧形防護(hù)板隨機(jī)器人一起轉(zhuǎn)動(dòng)至靠近裝卸件區(qū)一側(cè)。機(jī)器人的固定座可圍繞豎直軸線相對回轉(zhuǎn)構(gòu)架轉(zhuǎn)動(dòng)，弧形防護(hù)板固定于相應(yīng)固定座，當(dāng)固定座處于第一工作位置時(shí)，弧形防護(hù)板處于兩機(jī)器人之間，當(dāng)固定座轉(zhuǎn)動(dòng)90°到第二工作位置時(shí)，弧形防護(hù)板處于靠近裝卸件區(qū)一側(cè)。

固定于回轉(zhuǎn)構(gòu)架的兩個(gè)輔助防護(hù)板分別位于機(jī)器人與裝卸件區(qū)、機(jī)器人與焊接工作區(qū)；輔助防護(hù)板的中部設(shè)置有開口向上的缺口，當(dāng)焊接工作時(shí)，弧形防護(hù)板轉(zhuǎn)動(dòng)至缺口相對位置以至少遮擋缺口的大部分空間?；⌒畏雷o(hù)板的內(nèi)外表面均為倒錐筒結(jié)構(gòu)，輔助防護(hù)板的凹陷部為倒梯形開口，當(dāng)焊接工件時(shí)，倒錐筒結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁與倒梯形開口的側(cè)壁重合或者倒錐筒結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁處于倒梯形開口的外側(cè)。

固定于回轉(zhuǎn)構(gòu)架上的擋板位于兩弧形防護(hù)板之間，擋板的兩側(cè)壁與兩側(cè)弧形防護(hù)板的外表面相匹配，以遮擋兩弧形防護(hù)板二者之間形成的空隙。

回轉(zhuǎn)構(gòu)架上至少設(shè)置兩組夾持機(jī)構(gòu)，每一組夾持機(jī)構(gòu)均能夠夾持固定焊接工件，各夾持機(jī)構(gòu)隨回轉(zhuǎn)構(gòu)架往復(fù)運(yùn)動(dòng)于裝卸件區(qū)和焊接工作區(qū)。這樣夾持機(jī)構(gòu)可以隨構(gòu)架自裝卸件區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)至焊接工作區(qū)進(jìn)行焊接，也可以自焊接工作區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)至裝卸件區(qū)，這樣操作人員可以在裝卸件區(qū)將焊接工件安裝或者拆卸于夾持機(jī)構(gòu)，焊接工件在焊接工作區(qū)被焊接（見圖2）。

圖2 機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)至焊接工作區(qū)的狀態(tài)

在具體的實(shí)施方式中，機(jī)器人的數(shù)量為兩個(gè)，分別定義為第一機(jī)器人和第二機(jī)器人。兩個(gè)機(jī)器人對稱布置于回轉(zhuǎn)構(gòu)架的橫臂，并且當(dāng)處于非焊接工作狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)機(jī)器人的機(jī)械臂關(guān)于二者之間的中心縱平面對稱布置。當(dāng)回轉(zhuǎn)構(gòu)架轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，再控制機(jī)器人的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)至初始焊接位置，以進(jìn)行焊接工作。

機(jī)械臂對稱布置可以適當(dāng)平衡兩機(jī)器人對于回轉(zhuǎn)底座的扭轉(zhuǎn)力，有利于機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。

每一個(gè)機(jī)器人可以對應(yīng)一個(gè)弧形防護(hù)板，弧形防護(hù)板的凹陷弧壁朝向機(jī)器人，即機(jī)器人設(shè)置于弧形防護(hù)板的凹陷側(cè)。對于兩個(gè)機(jī)器人而言，弧形防護(hù)板相應(yīng)包括第一弧形防護(hù)板和第二弧形防護(hù)板。當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，弧形防護(hù)板布置于兩個(gè)機(jī)器人之間，當(dāng)焊接工作時(shí)，弧形防護(hù)板轉(zhuǎn)動(dòng)至靠近裝卸件區(qū)一側(cè)?；⌒畏雷o(hù)板相對回轉(zhuǎn)構(gòu)架是可移動(dòng)連接的，弧形防護(hù)板可以隨回轉(zhuǎn)構(gòu)架一同轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)回轉(zhuǎn)構(gòu)架運(yùn)動(dòng)至焊接工位，未進(jìn)行焊接前，弧形防護(hù)板可以轉(zhuǎn)動(dòng)至靠近裝卸件區(qū)的一側(cè)，起到防護(hù)作用，雖然弧形防護(hù)板的回轉(zhuǎn)半徑較小，但防護(hù)面積大。機(jī)器人的固定座可圍繞豎直軸線相對回轉(zhuǎn)構(gòu)架轉(zhuǎn)動(dòng)，弧形防護(hù)板固定于相應(yīng)固定座，當(dāng)固定座處于第一工作位置時(shí)，弧形防護(hù)板處于兩機(jī)器人之間，當(dāng)固定座轉(zhuǎn)動(dòng)90°至第二工作位置時(shí)，弧形防護(hù)板處于靠近裝卸件區(qū)一側(cè)。機(jī)器人與弧形防護(hù)板安裝于同一固定座，當(dāng)構(gòu)架先轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)定位置時(shí)，機(jī)器人的固定座再帶動(dòng)機(jī)器人和弧形防護(hù)板一同轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此時(shí)弧形防護(hù)板轉(zhuǎn)動(dòng)至靠近裝卸件區(qū)一側(cè)，以保護(hù)位于裝卸件區(qū)的操作人員。

機(jī)器人焊接系統(tǒng)還可以包括固定于回轉(zhuǎn)構(gòu)架的兩個(gè)輔助防護(hù)板，分別位于機(jī)器人與裝卸件區(qū)、機(jī)器人與焊接工作區(qū)，如圖3～圖5所示。輔助防護(hù)板的中部設(shè)置有開口向上的缺口，當(dāng)焊接工作時(shí)，弧形防護(hù)板轉(zhuǎn)動(dòng)至缺口相對位置以至少遮擋缺口的大部分空間，即說兩弧形防護(hù)板與相應(yīng)輔助防護(hù)板共同形成防護(hù)板。輔助防護(hù)板中間具有缺口，通常缺口可以根據(jù)機(jī)器人工作便于焊接作業(yè)而定，避免輔助防護(hù)板與機(jī)器人機(jī)械臂干涉。為了盡量降低兩弧形防護(hù)板之間的空隙，還可以在回轉(zhuǎn)構(gòu)架上設(shè)置擋板，擋板的兩側(cè)壁與兩側(cè)弧形防護(hù)板的外表面相匹配，以遮擋兩弧形防護(hù)板二者之間形成的空隙。擋板位置設(shè)置不能妨礙兩弧形防護(hù)板的回轉(zhuǎn)，盡量與兩弧形防護(hù)板的外側(cè)壁貼合配合。另外，擋板的高度可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，大致與弧形防護(hù)板同高或者略低于弧形防護(hù)板?；⌒畏雷o(hù)板的內(nèi)外表面均為倒錐筒結(jié)構(gòu)，輔助防護(hù)板的凹陷部為倒梯形開口，當(dāng)焊接工作時(shí)，倒錐筒結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁與倒梯形開口的側(cè)壁重合或者倒錐筒結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁處于倒梯形開口的外側(cè)。此處倒梯形開口的外側(cè)是相對靠近輔助防護(hù)板的長度延伸的方向，也就是說橫臂延伸方向的外側(cè)。

圖3 機(jī)器人焊接工作系統(tǒng)的左視圖

圖4 機(jī)器人焊接工作系統(tǒng)仿真（初始位置）

圖5 機(jī)器人焊接工作系統(tǒng)仿真（工作位置）

自動(dòng)清槍器可以分別安裝于兩輔助防護(hù)板上，自動(dòng)清槍器可以安裝于輔助防護(hù)板的外側(cè)壁。通常自動(dòng)清槍器的數(shù)量可以為兩個(gè)，分別定義為第一自動(dòng)清槍器和第二自動(dòng)清槍器。

該機(jī)器人焊接系統(tǒng)的其他結(jié)構(gòu)可以參考現(xiàn)有技術(shù)，本文不作具體介紹。

3 結(jié)束語

該形式的焊接機(jī)器人系統(tǒng)解決了如何盡量降低焊接設(shè)備對于空間的占據(jù)問題，對多工序、多工作站的汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)優(yōu)勢更加明顯，為廣大工程技術(shù)人員提供了一個(gè)工藝布局優(yōu)化的拓展思路。