大噸位焊接翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的設(shè)計(jì)

■ 李俊超

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1. 概述

焊接變位機(jī)作為一種常用的焊接輔助設(shè)備，是一套完整的焊接系統(tǒng)中重要組成部分。在焊接系統(tǒng)中，用于裝夾工件并帶動(dòng)工件翻轉(zhuǎn)變位，將工件上的各道焊縫位置轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳姿態(tài)來配合焊接機(jī)器人或者焊接專機(jī)完成焊接過程。變位機(jī)除了少數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)品形式出現(xiàn)外，大多為非標(biāo)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)類型也呈多樣化存在。所以此焊接翻轉(zhuǎn)變位機(jī)是根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)的一個(gè)操作方便、可靠性高的設(shè)備，并基于實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了一套科學(xué)實(shí)用的此類焊接變位機(jī)設(shè)計(jì)方法和使用經(jīng)驗(yàn)。

2. 焊接變位機(jī)的設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備概述 設(shè)備主要由支撐臺(tái)面、底座、翻轉(zhuǎn)液壓缸、鎖銷液壓缸、定位光電傳感器及鎖緊位置傳感器等部分組成。支撐臺(tái)面由型材和板材焊接而成，用于支撐40t工件及夾持工件的工裝。底座也采用型材和板材焊接而成，主要起設(shè)備的支撐作用，連接液壓缸和支撐臺(tái)面，翻轉(zhuǎn)液壓缸和鎖銷液壓缸均為定制產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能優(yōu)良。主要為設(shè)備提供動(dòng)力，用于設(shè)備各個(gè)位置的翻轉(zhuǎn)和支撐臺(tái)面的鎖緊。

在此設(shè)備中，定位光電傳感器主要是利用比例放大的方式進(jìn)行定位，鎖緊位置傳感器用于判斷鎖銷是否完全鎖緊或者拔出。只要當(dāng)單側(cè)的兩個(gè)鎖緊位置傳感器都感應(yīng)到感應(yīng)物或者都感應(yīng)不到感應(yīng)物時(shí)，才可以進(jìn)行下一步動(dòng)作。

（2）設(shè)備的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)際設(shè)備的工作狀況（見圖1），采用翻轉(zhuǎn)液壓缸交叉布置，支撐臺(tái)面在翻轉(zhuǎn)過程中需準(zhǔn)確，穩(wěn)定的到達(dá)并停止在0°、±30°、±45°5個(gè)位置上，并在到達(dá)位置后使用鎖銷進(jìn)行鎖緊。同時(shí)保證支撐臺(tái)面可以承受45t的工件及工裝，且臺(tái)面不變形，其強(qiáng)度、剛度均符合要求。本文從這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行闡述。

第一，翻轉(zhuǎn)液壓缸的支撐方式：此支撐方式采用交叉布置，并且通過支撐臺(tái)面進(jìn)行剛性連接，液壓缸的另一端連接在底座上。在工作時(shí)一個(gè)液壓缸伸出，另一個(gè)液壓缸收縮的，這樣可以避免液壓缸同時(shí)伸出和收縮。

首先，可以增強(qiáng)液壓缸的穩(wěn)定性，因?yàn)橥瑫r(shí)伸出時(shí)，液壓缸就形成的一個(gè)細(xì)長桿的模型。穩(wěn)定性很差，設(shè)備容易出現(xiàn)晃動(dòng)。而此設(shè)計(jì)方式為一個(gè)收縮，一個(gè)伸出是兩個(gè)液壓缸交替承受設(shè)備的壓力，這樣有效避免了危險(xiǎn)點(diǎn)的出現(xiàn)。

其次，可以避免在液壓缸運(yùn)行過程中兩個(gè)液壓缸同時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)。可以在極限位置時(shí)，一個(gè)液壓缸桿伸出，另一個(gè)收縮。

最后，此連接方式增大了支撐的范圍，且采用對(duì)稱連接方式，有效地增大了設(shè)備的整體剛性，對(duì)設(shè)備的底座，加大了設(shè)備的受力面積，減小對(duì)地面的壓力，如圖2所示。對(duì)支撐臺(tái)面，是對(duì)稱支撐臺(tái)面的負(fù)載，這樣可以有效地均勻支撐負(fù)載，如圖3所示。

圖1 設(shè)備整體示意1. 地腳螺栓 2. 底座吊裝孔 3. 吊環(huán)螺釘 4. 支撐臺(tái)面 5. 定位光電傳感器6. 鎖銷液壓缸 7. 底座 8. 機(jī)械極限限位 9. 鎖緊位置傳感器 10. 翻轉(zhuǎn)液壓缸

圖2 底座連接示意

第二，支撐臺(tái)面的設(shè)計(jì)：采用型材和板材焊接成箱式結(jié)構(gòu)，中間加縱肋和并進(jìn)行去應(yīng)力處理。使用SolidWorks建立支撐臺(tái)面的三維模型，使用SolidWorks自帶軟件Simulation進(jìn)行分析。只要對(duì)位置為0°、45°的工況下，進(jìn)行受力分析即可。支撐臺(tái)面材料選取普通碳鋼，在0°時(shí)只受工件的重力，45°所受力為工件的重力和一端擋塊的阻力。支撐臺(tái)面通過旋轉(zhuǎn)支撐軸連接在底座上，在旋轉(zhuǎn)支撐軸和滑動(dòng)軸承間的接觸面上，定義鉸鏈約束。劃分網(wǎng)格和進(jìn)行分析運(yùn)算。已知工件和工裝的重量為40t，臺(tái)面受力的應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果如圖4～圖5所示。

從圖中可以看出，應(yīng)力值為0°時(shí)為52MPa，45°時(shí)為108 MPa。變形值為0°時(shí)為0.22mm，45°時(shí)為3.16mm。

最大應(yīng)力和變形發(fā)生在45°時(shí)，其數(shù)值為108MPa。最大位移為3.16mm，變形比率為3.16/2500=1/1264，符合設(shè)計(jì)要求。

在有限元分析和試驗(yàn)中，臺(tái)面的剛度和強(qiáng)度都符合設(shè)計(jì)要求。臺(tái)面的應(yīng)力、應(yīng)變均具有良好的安全系數(shù)，應(yīng)用效果良好。

第三，轉(zhuǎn)角度的定位：此設(shè)備要求在0°、±30°、±45°5個(gè)位置使用5個(gè)光電開關(guān)進(jìn)行定位。定位完成后使用兩個(gè)液壓缸推進(jìn)定位銷在設(shè)備兩側(cè)進(jìn)行固定，同時(shí)每個(gè)液壓缸使用兩個(gè)光電開關(guān)進(jìn)行鎖銷液壓缸的位置的判定，進(jìn)行鎖緊和拔出，如圖8所示。

3. 變位機(jī)應(yīng)用效果

（1）提高了焊接質(zhì)量穩(wěn)定性 焊接電流、焊接時(shí)間和焊接姿態(tài)等對(duì)焊接結(jié)果起決定作用，采用變位機(jī)輔助進(jìn)行自動(dòng)化焊接保證每次焊接時(shí)焊點(diǎn)參數(shù)完全一致，焊接時(shí)每個(gè)焊點(diǎn)焊接姿態(tài)都是固定的，焊點(diǎn)位置也是精確定位的，可以極大提高和穩(wěn)定焊接產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，因此焊點(diǎn)質(zhì)量是穩(wěn)定的。

（2）改善工人的勞動(dòng)條件 采用變位機(jī)輔助焊接，工人只需裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接飛濺，工人不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 自動(dòng)化系統(tǒng)可以24h連續(xù)生產(chǎn)，每臺(tái)工作站配備一名操作工人即可， 減少了人力成本。

（4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量 工件的生產(chǎn)節(jié)拍是由程序編制，因此焊接件的生產(chǎn)周期固定，很容易根據(jù)需求量編制生產(chǎn)計(jì)劃。

（5）避免焊鉗和夾具碰撞，增加了設(shè)備的使用壽命 常規(guī)手動(dòng)焊接時(shí)，由人工操作焊鉗焊接，焊鉗與夾具的磕碰是不可避免的，長時(shí)間會(huì)造成夾具的變形，影響夾具的精度，同時(shí)減少了焊鉗和夾具的使用壽命；而采用變位機(jī)輔助的自動(dòng)化焊接時(shí)，焊鉗與夾具的碰撞是不允許的，因此設(shè)備維護(hù)費(fèi)用很低，延長了使用壽命。

圖3 支撐臺(tái)面連接示意

圖4 0°應(yīng)力分析

圖5 45°應(yīng)力分析

此設(shè)備根據(jù)客戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用對(duì)比來看，大大提高了生產(chǎn)效率，客戶在其中國、巴西、南非等生產(chǎn)制造廠推廣使用。

4. 使用的注意事項(xiàng)

（1）當(dāng)設(shè)備達(dá)到45°或者-45°時(shí)設(shè)備只能朝向0°的旋轉(zhuǎn)位置運(yùn)行，不能再向其反方向運(yùn)行。

（2）為消除慣性誤差，當(dāng)翻轉(zhuǎn)當(dāng)某個(gè)位置時(shí)需要停止3s，然后在進(jìn)行鎖緊液壓缸的動(dòng)作，且鎖緊液壓缸采用手動(dòng)或者自動(dòng)的兩種運(yùn)動(dòng)方式。

（3）設(shè)置互鎖控制方式，必須當(dāng)鎖緊液壓缸完全拔出時(shí)，支撐臺(tái)面才能進(jìn)行動(dòng)作。

圖6 0°應(yīng)變分析

圖7 45°應(yīng)變分析

圖8 設(shè)備定位角度示意

5. 結(jié)語

分析了此焊接翻轉(zhuǎn)變位機(jī)在設(shè)計(jì)過程中一些關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)過程， 強(qiáng)調(diào)了設(shè)備穩(wěn)定性，強(qiáng)度，剛度和定位方式的的重要性，并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出切實(shí)有效地解決方法。從安裝維護(hù)角度考慮設(shè)備上設(shè)計(jì)了吊裝孔和吊環(huán)螺釘，底座采用地腳螺栓預(yù)埋的方式進(jìn)行固定，大大提高設(shè)備的穩(wěn)定性。同時(shí)，提出和強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)與現(xiàn)代結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，將理論知識(shí)、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、三維設(shè)計(jì)及有限元仿真等方法有機(jī)結(jié)合，取長補(bǔ)短，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備性能。設(shè)備在客戶的使用中提高了生產(chǎn)效率。

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