沖壓自動焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)

詹俊勇，王軍領(lǐng)，仲太生

（1.揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司 自動化處，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

近年來，無人化智能化沖壓生產(chǎn)線發(fā)展迅速。對于傳統(tǒng)的焊接工序來說，不僅生產(chǎn)節(jié)拍慢，焊接產(chǎn)生的光和有害氣體對操作者造成一定危害，使沖壓焊接行業(yè)招人越來越難，人工成本越來越高。基于此，設(shè)計(jì)一種自動化焊接系統(tǒng)，滿足沖壓自動焊接要求勢在必行。其中，最為關(guān)鍵和最難的一點(diǎn)就是設(shè)計(jì)一種自動焊接機(jī)械手來代替人工操作。本文針對焊接產(chǎn)品外形和焊接要求，設(shè)計(jì)出一種自動化焊接機(jī)械手，滿足凸焊機(jī)和螺母輸送機(jī)的自動化焊接動作需要[1-2]。

1 沖壓工件

自動焊接沖壓件，材質(zhì)為碳鋼，重量達(dá)6kg，沖壓完成后需要對沖壓件進(jìn)行螺母焊接，但由于產(chǎn)品為異形件，普通的吸盤吸附抓取和磁鐵吸附抓取，都不能保證搬運(yùn)效率和穩(wěn)定性，所以必須通過抓取產(chǎn)品才能實(shí)現(xiàn)焊接搬運(yùn)[3]。

2 焊接機(jī)械手

2.1 工件抓取和定位

如圖1 所示，焊接機(jī)械手主要由工件1、接線箱2、三維浮動頭3、快換盤4、夾緊氣缸5、定位銷軸6、傳感器7 和存放定位銷軸8 組成。三維浮動頭用于焊接機(jī)械手將焊接工件平穩(wěn)地放置到焊接機(jī)上，避免硬碰硬的接觸，保護(hù)設(shè)備，延長使用壽命。接線箱用于存放保護(hù)設(shè)備所用氣路和電路配件，防止被焊接火花損壞。快換盤固定在三維浮動頭的下面，可以對焊接機(jī)械手根據(jù)不同的產(chǎn)品進(jìn)行快速更換?；顒訆A鉗由夾緊氣缸驅(qū)動夾緊焊接工件，將工件抓起，放入焊機(jī)中焊接，完成后將氣缸松開，工件靠重力自動掉落。存放定位銷軸可與快速存放庫配合，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)械手快速更換和存放。傳感器對焊接機(jī)械手上是否有料進(jìn)行檢測，防止重復(fù)抓取或者未能抓取[4-5]。

圖1 焊接機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

2.2 夾緊氣缸

夾緊采用焊接專用氣缸CKZT40-90T，氣缸動作通過電磁閥控制，通過參數(shù)表1 可知，氣缸夾緊力為1.2kN/0.1m。當(dāng)夾鉗懸臂0.2m 長時其夾緊力為600N，可以夾緊60kg 工件，滿足設(shè)計(jì)要求[6]。氣缸參數(shù)如表1 所示。

表1 氣缸參數(shù)

2.3 機(jī)械手快換盤

機(jī)械手快換裝置的快換盤采用機(jī)器人側(cè)1 套，工具側(cè)2 套?？鞊Q盤參數(shù)如表2 所示，通過負(fù)載可知此款快換盤可以在懸臂1m 的位置，負(fù)載44.2kg 的重量，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 快換盤參數(shù)

2.4 浮動頭

焊接中需要壓緊工件和螺母，為了保證機(jī)械手的抓取是柔性而非剛性，要求機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是柔性連接，所以需要增加浮動頭功能，實(shí)現(xiàn)工件及抓手之間即無相對位移，又保證機(jī)械手和機(jī)器人之間是柔性連接，浮動頭型號為AGE-S-XYZ-160-0，通過型號表3 可知浮動頭在豎直和水平方向可以分別滿足60kg 和40kg 的負(fù)載，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 浮動頭參數(shù)

2.5 控制接口和定義說明

為了滿足自動化沖壓整線協(xié)調(diào)的需要，機(jī)器人和總線模塊通訊定義如表4 所示。同時焊接機(jī)械手和機(jī)器人之間必須做絕緣處理，防止極大的焊接電流通過焊接機(jī)械手傳遞給焊接機(jī)器人，造成機(jī)器人控制主板和電路的損壞[7]。

表4 接口號及其定義

3 焊接機(jī)械手自動存放

3.1 機(jī)械手存放庫

焊機(jī)機(jī)械手主要通過兩個銷軸定位在自動快換存放庫上，其中一個銷軸完全約束，另一個銷軸對應(yīng)輔助定位座在X 方向上為腰型銷孔，使輔助銷軸可以存在位移，防止焊接機(jī)械手固定時因過定位卡死。銷軸直徑設(shè)計(jì)為?15mm，固定座的腰型槽長度為22mm，左右間隙總和通常為銷軸直徑的50%。焊接機(jī)械手通過自身重力G 將豎直方向固定約束在快換存放庫上，這樣就可以節(jié)省一套機(jī)械手存放自動鎖緊裝置，在保證快換效果的情況下，降低設(shè)備成本。同時銷軸孔提供給焊接機(jī)械手一個F1的反作用力，輔助托架承擔(dān)了焊接機(jī)械手一部分重量，同時提供給焊接機(jī)械手一個大小相等的F2反作用力，用于平衡焊接機(jī)械手的重量，使其平穩(wěn)地放在焊接快換自動存放庫。如圖2 所示。

圖2 機(jī)械手存放定位

存放庫原理如圖3 所示。當(dāng)焊接機(jī)械手放到快換庫并完成更換焊接機(jī)械手動作以后，旋轉(zhuǎn)氣缸會驅(qū)動防塵蓋板蓋住焊接機(jī)械手的快換盤，防止焊接灰渣掉落在快換盤上導(dǎo)致自動更換的故障。焊接機(jī)械手更換完成之后會有傳感器進(jìn)行檢測反饋給系統(tǒng)，同時快換盤本體也有檢測開關(guān)，可以檢測快換盤是否吸合，保證快換動作的有序性和準(zhǔn)確性[8-9]。

圖3 存放庫原理圖

3.2 機(jī)械手存放庫總線模塊

為滿足與總線的通訊，完成整個系統(tǒng)控制過程，機(jī)械手存放庫總線接口模塊接口號和定義說明如表5 所示[10]。

表5 總線模塊接口號和定義說明

4 結(jié)語

（1）根據(jù)自動化焊機(jī)焊接和螺母輸送空間動作要求，設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的自動化沖壓焊接機(jī)械手，滿足了自動化沖壓焊接動作和質(zhì)量要求。

（2）列出了焊接機(jī)械手及其自動化存放庫的總線模塊接口號和定義說明，方便與機(jī)器人等總線的自動化對接控制。

（3）設(shè)計(jì)了一種焊接機(jī)械手自動更換存放庫，可以根據(jù)不同產(chǎn)品快速更換和存放多套焊接機(jī)械手，減少換產(chǎn)時間，提高焊接機(jī)械手兼容性。