一種特殊X型機(jī)器人點(diǎn)焊鉗設(shè)計(jì)

余星星

(捷福裝備(武漢)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

汽車白車身生產(chǎn)線3D仿真設(shè)計(jì)時(shí)，工件和夾具的斷面多種多樣，常規(guī)焊鉗經(jīng)常無法滿足特殊斷面的焊接需求，因此需更改鉗體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)特殊焊鉗以保證焊鉗通過性。下文詳細(xì)介紹了特殊X鉗的總體設(shè)計(jì)及校核過程，通過理論計(jì)算及軟件模擬，詳細(xì)分析了焊鉗的性能參數(shù)，為項(xiàng)目應(yīng)用提供了有效的解決方案。

1 特殊X鉗的總體設(shè)計(jì)

圖1是一種典型的特殊斷面結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)X鉗仿真時(shí)，無法布局，焊鉗尾部與工件嚴(yán)重干涉，僅通過修改焊鉗前端的鉗臂結(jié)構(gòu)無法滿足通過性。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，通過改變焊鉗的整體布局，將鉗體的水平布置改為特殊的垂直布置，可很好解決此問題，見圖2。在完成初步的尺寸設(shè)計(jì)后，還需要通過詳細(xì)的校核，才能確保設(shè)計(jì)的合理性。

圖1 常規(guī)X鉗布局示意圖

圖2 特殊X鉗布局示意圖

2 特殊X鉗的性能校核

2.1 校核電機(jī)最大推力

焊鉗的驅(qū)動(dòng)部件由直線伺服電機(jī)等組成，為焊鉗提供焊接壓力，并通過電極臂由電極帽傳遞到工件上。通常X型焊鉗直線伺服電機(jī)最大推力為21 kN，白車身常規(guī)點(diǎn)焊[1]工藝焊接壓力一般在5000 N以內(nèi)，按照焊鉗喉深1000 mm校核電機(jī)推力。

電機(jī)所需推力：

其中：L1為旋轉(zhuǎn)中心到焊點(diǎn)的垂直距離，L1=1000 mm；L2為旋轉(zhuǎn)中心與電機(jī)輸出軸的垂直距離，L2=265.5 mm；F為電極帽輸出壓力，F(xiàn)=5000 N，

經(jīng)計(jì)算：

P=18832.39 N

電機(jī)所需推力小于電機(jī)最大推力，說明電機(jī)滿足要求。

2.2 校核電極帽在全行程中的速度波動(dòng)量

X鉗的行程由動(dòng)臂最大可開啟的角度來衡量，此特殊X鉗的設(shè)計(jì)行程15度，根據(jù)圖3計(jì)算全行程中的電極帽線速度波動(dòng)量。

圖3 電機(jī)推力計(jì)算示意圖

速度波動(dòng)量：

其中：a1為焊鉗閉合時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)到電機(jī)軸的垂直距離，a1=265.5mm；a2為焊鉗打開時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)到電機(jī)軸的垂直距離，a2=239.8mm。

經(jīng)計(jì)算：

i0=9.7%

電極帽線速度波動(dòng)量沒有特定要求，也不會(huì)對焊鉗的使用造成明顯影響，只是理論上來講越小越好，從工程經(jīng)驗(yàn)來看，10%是完全可以接受的。

2.3 校核動(dòng)、靜臂電極帽在修磨過程中的水平偏移量

焊鉗在使用時(shí)，每焊接一定數(shù)量的焊點(diǎn)，需要修磨一次電極帽，電極帽的修磨量通常為單側(cè)8 mm左右，通過cad模擬修磨量，可以確定動(dòng)、靜臂電極帽的偏移量，如圖4。

圖4 修磨時(shí)的電極帽偏移量示意圖

對于此特殊焊鉗，修磨時(shí)的電極帽偏移量與常規(guī)焊鉗一致，取決于電極帽到動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心的水平距離L4，以及電極帽偏離角度θ，從圖4可知，在L4為450 mm，θ為5度時(shí)，偏移量k0為1.3 mm，滿足要求，工程應(yīng)用中控制偏離角度不超過5度即可。

2.4 校核動(dòng)臂軟連接行程

作為通用設(shè)備，統(tǒng)一不同系列產(chǎn)品中的核心備件型號，減少備件種類是一項(xiàng)關(guān)鍵工作，既可提高設(shè)備廠的生產(chǎn)效率，也可降低客戶的備件成本。此特殊X鉗需沿用常規(guī)X鉗的動(dòng)臂軟連接型號，因安裝形式變化，需重新校核其連接行程。動(dòng)臂軟連接結(jié)構(gòu)及動(dòng)作過程如圖5。

圖5 軟連接動(dòng)作過程示意圖

圖5中左側(cè)是常規(guī)X鉗的動(dòng)作過程，焊鉗打開25度，B點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)；右側(cè)是此特殊X鉗的打開過程，焊鉗打開15度，C點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)。顯然，軟連接的運(yùn)動(dòng)形態(tài)發(fā)生了明顯變化，需要重新采用幾何方法計(jì)算，找出新形態(tài)的理論解，計(jì)算的邊界條件是軟連接內(nèi)外側(cè)的長度不變。實(shí)際中采用catia軟件的草圖功能，進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算[3]，可直觀形象地得到軟連接的實(shí)際形態(tài)，如果catia草圖在此過程中出現(xiàn)內(nèi)部邊界交叉，則說明軟連接行程不夠。圖5清晰地給出了軟連接的新形態(tài)，說明此特殊X鉗打開15度時(shí)，軟連接行程足夠。

2.5 焊鉗的整體變形校核

在完成鉗臂參數(shù)校核后，還需計(jì)算鉗臂的變形量[4]，以驗(yàn)證焊鉗鉗臂布局的合理性。下面以一汽集團(tuán)某一項(xiàng)目所應(yīng)用的一把特殊X鉗為例，通過CAE軟件計(jì)算鉗臂的總體變形量。

采用有限元軟件ANSYS Workbench，使用實(shí)體單元[5]，在電極帽處加載4000 N壓力，計(jì)算鉗臂受力變形，求解后得到的電極帽軸向位移云圖見圖6，電極帽軸向最大位移為0.9 mm。

圖6 電極帽軸向位移云圖

求解后得到的電極帽徑向位移云圖見圖7，動(dòng)臂電極帽徑向最大位移為-1.41 mm，靜臂電極帽徑向最大位移為-1.17 mm，相對位移為0.24 mm。

圖7 電極帽徑向位移云圖

焊鉗設(shè)計(jì)中，電極帽的位移通常軸向不超過3～5 mm，徑向不超過1.5 mm，相對位移不超過0.5 mm，以上計(jì)算結(jié)果滿足此要求，說明此特殊X鉗鉗臂的布局合理。

通過此節(jié)分析，可認(rèn)為此特殊X鉗，在喉深1000 mm以下，焊接壓力5000 N以內(nèi)，最大行程不超過15度時(shí)，完全可滿足設(shè)計(jì)要求，可以在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用。

3 結(jié)束語

機(jī)器人焊鉗3D設(shè)計(jì)主要是在焊鉗自身可靠的情況下滿足仿真通過性，而鉗體布局的合理性，決定了鉗臂設(shè)計(jì)的合理性，好的鉗體要求整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，鉗臂結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)輸出力能滿足不同焊接情況下的壓力需求，并且電極帽速度平穩(wěn)，波動(dòng)小，電極帽相對滑移容易控制，備件型號少。本文介紹的一種特殊X型鉗體，有效的解決了該特殊斷面的焊接需求，在實(shí)際項(xiàng)目中也得到了驗(yàn)證，是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)案例。