一種超大喉深X 型機(jī)器人點焊鉗設(shè)計

向 亮，張仕吉，肖科星

（武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430065）

點焊機(jī)器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域是汽車工業(yè)。汽車白車身的焊接，現(xiàn)在大部分生產(chǎn)廠家都采用點焊機(jī)器人來進(jìn)行，極大地提高了生產(chǎn)效率以及焊接質(zhì)量，同時將工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來[1-4]。而對于一些大車型的汽車和卡車，為了避免與工件干涉，保證通過性，就需要設(shè)計一些超大喉深以及大喉寬的特殊X 型焊鉗。本研究詳細(xì)介紹了設(shè)計及計算過程，通過理論設(shè)計，再結(jié)合Ansys Workbench 軟件進(jìn)行靜力學(xué)仿真，從而得到滿足項目要求的大喉深點焊焊鉗。

1 X型焊鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在一汽集團(tuán)某項目中，其對應(yīng)的大車型項目，需要一個喉深1 300 mm、喉寬800 mm 的超大焊鉗。結(jié)合通過性要求，初步設(shè)計出的焊鉗結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 超大X型焊鉗

1.1 動臂總成設(shè)計

動臂總成設(shè)計，動電極臂采用60 mm 厚的鋁板結(jié)構(gòu)，動電極桿采用的是直徑45 mm 的鉻鋯銅材料的棒材設(shè)計，采用1∶9.6的錐度，電極帽直徑16 mm、長度23 mm，也是鉻鋯銅材料，動臂總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動臂總成結(jié)構(gòu)

1.2 靜臂總成設(shè)計

為了減重，靜電極臂不再采用一塊鋁板進(jìn)行設(shè)計，而是采用2 塊20 mm 厚的鋁板，中間用加強(qiáng)肋圍成一圈，這樣設(shè)計既加固了整個結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時又減輕了整個焊鉗的總重量。為了方便冷卻水路的排布，在靜電極臂頭部加一個銅塊，同時也作為連接電極桿的一個過渡件。靜電極臂采用的鉻鋯銅材料是直徑20 mm的直桿。靜臂總成結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 靜臂總成結(jié)構(gòu)

2 X型焊鉗的結(jié)構(gòu)校核

2.1 電機(jī)推力的驗證

機(jī)器人焊鉗一般由直線伺服電機(jī)驅(qū)動給機(jī)器人焊鉗提供準(zhǔn)確的焊接壓力。通常X 型焊鉗電機(jī)能提供的最大推力是22 kN。該超大焊鉗的設(shè)計壓力為3 300 N，那么該焊鉗需要電機(jī)提供的推力F，計算公式如式（1）所示[2,5-11]。

其中：F0為設(shè)計壓力，此時F0=3 300 N；LAB為電極帽中心A到轉(zhuǎn)動軸中心B的距離，如圖4 所示，此時LAB=138 0 mm；LBC為電機(jī)與電極臂連接中心處C到轉(zhuǎn)動軸中心B的距離，此時LBC=257 mm。

圖4 電機(jī)推力計算圖

將數(shù)值代入式（1），得到該焊鉗需要電機(jī)提供的推力F=17.72 kN，該推力小于電機(jī)能提供的最大推力22 kN，故電機(jī)能夠提供所需的焊接推力。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

鉻鋯銅的屈服極限是390 MPa，安全系數(shù)取2.5，則其許用應(yīng)力為156 MPa；鋁材的名義屈服極限是460 MPa，安全系數(shù)取3，則其許用應(yīng)力為153 MPa[2,7,11]。

借助有限元Ansys Workbench 軟件，將動電極臂總成、靜電極臂總成模型導(dǎo)入到Ansys Workbench 軟件中進(jìn)行仿真分析，得到的應(yīng)力情況，如圖5 所示。鉻鋯銅材料的零件受到的最大應(yīng)力為48.174 MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力為156 MPa；同時，鋁板材料的零件受到的最大應(yīng)力27.436 MPa，也遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力為153 MPa。因此，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是滿足設(shè)計要求的。

2.3 結(jié)構(gòu)剛度校核

該結(jié)構(gòu)也需要校核電極臂總成的變形情況。在電機(jī)推力的作用下，焊鉗的電極帽中心處都會有兩個方向的變形，一個是沿著電極帽長度方向的變形，一般稱為軸向變形；一個是沿著電極帽半徑方向的變形，一般稱為徑向變形。而本研究在計算變形量時，都是以動電極帽、靜電極帽兩者中心位置的變形量為最終結(jié)果依據(jù)。

1）電極帽中心處軸向變形情況。如圖6 所示，電極臂總成的兩個電極帽中心處軸向變形量，也就是Z方向的變形量最大的值約為-3.21 mm，而對于電極臂總成中電極帽中心處軸向變形量要求不能超過5 mm。故該結(jié)構(gòu)是滿足軸向的變形量要求的。

圖6 電極臂總成的軸向變形量

2）電極帽中心處徑向變形情況。如圖7 所示，動電極帽中心處的徑向變形量，也就是Y 方向的變形量為-1.107 4 mm，靜電極帽中心處的徑向變形量為-1.282 9 mm，則兩個電極帽中心處相對的滑移量是0.175 5 mm，而對于機(jī)器人焊鉗不滑槍時，兩電極帽中心處的相對徑向變形量的要求是不能超過0.8 mm。故該結(jié)構(gòu)是滿足徑向的變形量要求的。

圖7 電極臂總成的徑向變形量

3 結(jié)語

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，點焊機(jī)器人的應(yīng)用也會越來越多，而某些特殊的焊鉗也將變得不再特殊，對機(jī)器人點焊焊鉗的設(shè)計要求也有了提高，在滿足強(qiáng)度要求和剛度要求的同時，也使得焊鉗的整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)可靠。本研究介紹了一種超大型X 型焊鉗，通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計、強(qiáng)度的計算以及剛度的計算，設(shè)計出滿足項目要求的焊鉗，滿足了部分大車型的焊接需求。