汽車前防撞桿四軸焊接機床的設(shè)計

唐清春，劉謙，馬仲亮，黎國強，閆欣然

(廣西科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心，廣西柳州545006)

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展和產(chǎn)量的大幅度提升，作為車身重要零部件的汽車前防撞桿正朝著規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化的方向邁進。在傳統(tǒng)的防撞桿生產(chǎn)工藝中，防撞桿的焊接主要采取手工點焊的方式，不僅產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、焊接效率低，而且惡劣的焊接環(huán)境也會對人體造成傷害。因此，實現(xiàn)焊接工藝自動化、機械化的生產(chǎn)方式勢在必行。

目前在國內(nèi)汽車零配件生產(chǎn)中，實現(xiàn)自動化焊接生產(chǎn)主要有兩種方式:一種是針對焊件而設(shè)計的專用焊機，性價比高但通用性差;另一種方式則是采用高度智能的焊接機器人，能夠滿足各種復(fù)雜焊件的焊接要求，但是投資大、維護困難。文中所設(shè)計的汽車前防撞桿四軸焊接機床是在專用焊機的基礎(chǔ)上，增設(shè)了通用翻轉(zhuǎn)工作臺和雙工位。該結(jié)構(gòu)在滿足焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，能大幅提高焊接應(yīng)用范圍和焊接效率。作為一款具有高柔性制造系統(tǒng)的汽車前防撞桿四軸自動焊接機床，對于中小型汽車零配件企業(yè)，具有較強的經(jīng)濟應(yīng)用價值。

1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1.1 總體方案

該焊接機床以上汽通用五菱N300 型汽車的前防撞桿橫梁殼體組件為例設(shè)計，適當調(diào)整夾緊機構(gòu)及PLC 控制程序即可應(yīng)用于不同品種和規(guī)格的前防撞桿焊接生產(chǎn)。此前防撞桿橫梁殼體組件由兩塊厚度2 mm 以下的低碳薄板組成，殼體組件均為沖壓成型件，尺寸一致性良好。焊件分兩個焊接面，互成90°，第一焊面有28 個焊點，第二焊面有14 個焊點，通過焊接42 個焊點即可實現(xiàn)前防撞桿組件的無縫焊接，焊接精度可達到0.5 mm。前防撞桿橫梁組件如圖1 所示。

圖1 前防撞桿總成結(jié)構(gòu)

通過對前防撞桿橫梁殼體組件進行焊接工藝分析，文中所設(shè)計的前防撞桿四軸焊接機床如圖2 所示，主要由焊鉗、夾緊機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)工作臺、伺服電機、減速機、導(dǎo)軌、支撐板架等構(gòu)成。其中焊接機床的焊鉗與點焊機采用分離式結(jié)構(gòu)，點焊機通過機架懸置在焊鉗上方，有利于降低焊鉗工作時的運動慣量，提高了焊接質(zhì)量和精度。焊鉗的移動功能通過齒輪齒條嚙合傳動來實現(xiàn)，在支撐板架上的伺服電機和減速機的帶動下，焊鉗在X、Y、Z 方向的導(dǎo)軌上做直線移動，解決了焊鉗焊接過程中一致性問題，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖2 焊接機床總圖

1.2 設(shè)備工作原理

前防撞桿四軸焊接機床的工作原理:在焊接機床工作時，操作人員將待焊件分別裝夾到兩個工位的夾緊機構(gòu)上，啟動機床后，焊鉗將根據(jù)PLC 預(yù)設(shè)的編程指令，從焊機第一工位的第一個焊點開始焊接，當焊完第一面上的28 個焊點后，在伺服電機的帶動下沿X 軸運動到安全位置，然后翻轉(zhuǎn)工作臺正向翻轉(zhuǎn)90°，焊鉗復(fù)位進行第二個焊接面其余14 個點的焊接。當?shù)谝还の坏暮讣瓿珊螅搞Q沿Y 軸運動到第二工位重復(fù)上一個工位的焊接工作，與此同時，操作人員進行第一個工位零件更換。由于前防撞桿橫梁的總長度約為830 mm，采用1 000 mm/min 的焊接速度，則前防撞桿橫梁組件單件焊接加工時間約為120 s (包括焊接時間、空行程時間、工作臺回轉(zhuǎn)時間等)。這樣可以保證操作人員有充足時間裝夾好另一個工位的零件，從而使機床一直保持在工作中。

1.3 機械傳動部件設(shè)計

(1)齒輪齒條傳動系統(tǒng)。齒輪齒條機構(gòu)的承載力大、傳動精度高、速度快，可實現(xiàn)無限長度對接延續(xù)，性價比高。為滿足生產(chǎn)需要，設(shè)定機床X 軸進給速度為1 000 mm/min，Y 軸與Z 軸快速進給速度均為800 mm/min，電機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。經(jīng)計算得到X 軸齒輪分度圓直徑為60 mm，模數(shù)為4;Y 軸與Z 軸齒輪分度圓直徑為54 mm，模數(shù)為4，齒條行程為2 400 mm。

(2)導(dǎo)軌。主要用于焊鉗在直線軸上的移動，需要承受的載荷不大，故選擇HIWIN 線性滑動導(dǎo)軌，具有定位精度高、組裝容易、潤滑構(gòu)造簡單等優(yōu)點。為了導(dǎo)軌能夠承受上下左右各個方向的負荷，需根據(jù)移動部件的機械結(jié)構(gòu)與受力方向進行合理配置，因此，焊接機床的X、Y 軸采用兩只滑軌滑動配置，Z軸采用兩只滑塊配置，大大提高了導(dǎo)軌的承重載荷。

(3)伺服系統(tǒng)。采用OMNUC 公司的G5 高性能伺服系統(tǒng)，增益量是以往G 系列伺服的兩倍，具有快速抑制振動、速度響應(yīng)頻率高、精度高等優(yōu)點，能夠更好地滿足現(xiàn)場要求。R88M-KE75030H-Z 型伺服電機同樣來自O(shè)MNUC 公司，其額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定功率為750W，額定轉(zhuǎn)矩為2.4 N·m，伺服驅(qū)動器型號為R88D-KP08H。

(4)減速機。根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)需要，減速機的承載能力是在額定轉(zhuǎn)速下，每天工作10 h，每小時啟動少于10 次，故選用型號為R88G-VRSF25D750CJ的ABLE 減速機，減速機輸出軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，額定輸出扭矩為50.7 N·m，徑向負荷2 060 N，軸向負荷1 030 N，減速比為25。

2 翻轉(zhuǎn)工作臺及夾緊機構(gòu)設(shè)計

翻轉(zhuǎn)工作臺和夾緊機構(gòu)是該焊接機床設(shè)計的重點，考慮到產(chǎn)品的兼容性，將傳統(tǒng)的焊接工作臺設(shè)計成為翻轉(zhuǎn)式，固定夾具設(shè)計成為由夾緊氣缸控制的便拆式夾緊機構(gòu)，大大提高了焊接機床的通用性，只需要調(diào)整工作臺的翻轉(zhuǎn)角度和夾緊機構(gòu)，即可完成1 000 mm×400 mm×400 mm 范圍內(nèi)的汽車前防撞桿焊接生產(chǎn)，翻轉(zhuǎn)工作臺和夾緊機構(gòu)如圖3 所示。

圖3 翻轉(zhuǎn)工作臺及夾緊機構(gòu)

2.1 翻轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計

翻轉(zhuǎn)工作臺翻轉(zhuǎn)軸起著承重、抗沖、翻轉(zhuǎn)等作用，是工作臺設(shè)計的重點。此設(shè)計采用無縫鋼管材料的空心主軸，主軸兩端通過法蘭與機床支撐板架相連接，并用螺栓固定，兩端口通過套筒固定連接齒輪。翻轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動范圍是0° ～100°，在轉(zhuǎn)動時由伺服電機帶動減速機驅(qū)動，減速機又帶動齒輪齒條轉(zhuǎn)動，齒輪齒條通過帶動連接套筒的空心主軸翻轉(zhuǎn)，從而最終帶動翻轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動。為了保證翻轉(zhuǎn)工作臺在轉(zhuǎn)動到水平位時動作平穩(wěn)，在支承板架和翻轉(zhuǎn)工作臺之間加裝了兩根支撐筋，以降低工作臺的回轉(zhuǎn)沖擊力。

2.2 夾緊機構(gòu)設(shè)計

文中設(shè)計的夾緊機構(gòu)整體由7 個夾具支架、5 個氣缸、2 個伸縮長銷和調(diào)整墊片等組成。夾具支架在翻轉(zhuǎn)工作臺上采用前五后二的布局，前5 個夾具支架并排在工作臺上。支架1 和支架5 上均設(shè)有伸縮長銷和位移氣缸，用于前防撞桿Y 軸定位;支架3 和支架6、7 均配有夾緊氣缸，支架3 用于焊件X 軸定位，支架6 和支架7 則主要通過夾緊氣缸對焊件進行固定;最后支架2 和支架4 上配有調(diào)整墊片，對焊件夾緊程度進行微調(diào)。

夾緊機構(gòu)中5 個氣缸的最大夾緊力不超過950 N，整體夾緊力較小，采用SMC 原裝進口的El 氣動元件即可實現(xiàn)夾緊機構(gòu)的夾緊效果。此夾緊機構(gòu)的設(shè)計對提高生產(chǎn)效率、降低操作難度，實現(xiàn)快速、方便、準確裝夾焊件等具有重要意義。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的焊接機床電氣控制系統(tǒng)采用PLC 控制，選擇OMRON 公司的C200HG-CPU33-Z 中小型PLC，其用戶存儲器15.2 KB，I/O 點數(shù)880;可搭載2 個I/O 擴展機架;可安裝具有SYSMAC NET 鏈接和SYSMAC LINK 功能的通信板。焊接機床使用控制面板作為人機對話的操作界面，具有急停、手動試焊、手動調(diào)試、單工位循環(huán)及自動循環(huán)等功能，配合4 個伺服電機可以實現(xiàn)對X、Y、Z 三個直線軸和翻轉(zhuǎn)工作臺的功能。精心的控制系統(tǒng)設(shè)計保證了手動、自動操作的兼容性，消除了手動操作及手自混合操作時相互影響而產(chǎn)生的誤動作。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計的汽車前防撞桿四軸焊接機床采用PLC控制，雙工位加工，解決了目前國內(nèi)汽車前防撞桿橫梁生產(chǎn)過程中人工焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低、勞動強度大等問題;焊鉗和翻轉(zhuǎn)工作臺聯(lián)動的模式設(shè)計，提高了此焊接機床的自動化、柔性化、高效化。此前防撞桿焊接機床已經(jīng)在某企業(yè)生產(chǎn)中成功得到了應(yīng)用，并產(chǎn)生了相應(yīng)的經(jīng)濟效益;該焊接機床的成功設(shè)計對于類似的汽車零配件制造具有參考價值。

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