適用多種橋殼焊接的三軸翻轉變位機設計與應用

李素萍

摘要：焊接變位機是焊接機器人工作站的重要組成部分，以多種橋殼產品焊接項目為例，概述三軸翻轉變位機在機器人焊接工作站中的典型設計思路和應用實例，包括三軸翻轉變位機的主要結構設計、技術參數和工作原理。重點分析三軸翻轉變位機的工作原理與功能實現。經實踐證明，此三軸翻轉變位機焊接效果好，自動化程度高，人工操作靈活方便，確保了橋殼焊接質量并滿足了焊接要求，對后續項目具有重要的借鑒價值。

關鍵詞：機器人焊接工作站;三軸翻轉變位機;設計思路;結構分析;技術參數

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0013-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.03

0 ? ?前言

為了提高生產效率和產品質量、降低生產成本，機器人大量應用于生產現場。為充分發揮機器人的功效，其通常與各種焊接變位機組合使用，實現高效、優質的焊接生產。目前，焊接變位機已成為焊接機器人工作站不可缺少的組成部分。如何優化變位機結構設計和實現多功能，是焊接工作站優化的一個重要方向。

1 三軸翻轉變位機設計思路

機器人橋殼焊接系統工作站可實現多種汽車橋殼產品的共線機器人自動焊接，由機器人、三軸翻轉變位機、上下料設備、PLC控制柜、機器人控制柜、焊機、公共底座、安全欄等組成[1]，如圖1、圖2所示。

焊接產品是橋殼的墊壓板、減震器支架和附件，滿足橋殼產品長度尺寸范圍：1 400～2 300 mm （橋殼單側長度700～1 150 mm）。換產要求：單人換產時間≤5 min，換產內容為卡盤夾爪。加工節拍 ≤360 s/件（不含上、下料時間）。正常生產過程中工裝定位的重復定位精度≤0.15 mm。翻轉機構到位后有定位機構，保證正常生產過程的定位精度小于0.2 mm。三軸翻轉變位機是保證定位精度的核心部件，主要設計思路如下[2-3]：

三軸翻轉變位機由伺服電機和RV減速機驅動控制，第一軸的翻轉實現夾具A/B側的換位，使兩個夾具在機器人作業工位和人工工位之間切換，兩套工裝夾具的工作順序是A側機器人焊接的同時B側是人工裝件。第二軸/第三軸的自身翻轉實現夾具自動翻轉，滿足工件焊接要求。

變位機第二軸/第三軸的主動單元設計帶氣動卡盤，夾住工件軸頭位置，卡盤夾緊力大，能夠夾持一端加工過的軸，工件不會發生相對滑動。卡盤直徑行程14 mm，不同直徑規格的軸頭，需更換卡盤上面的定位塊，以適應多種不同軸頭直徑的橋殼產品。焊后取件依靠伺服電機驅動梯形絲杠，自動退位遠離工件，工件自動放置在上下料裝置。從動單元采用氣缸推動頂尖定位工件軸心位置，同時頂尖自身能夠旋轉，滿足工件回轉要求，跟隨主動單元回轉，實現工件焊接功能要求。不同長度工件換產時，依靠人工轉動搖輪調整，插銷定位[1]。主動單元和從動單元均采用滑軌前后移動，采用拖鏈來布置線纜與氣路，實現多種長度不同的橋殼生產。此三軸翻轉變位機的設計結構提高了整個工作站的工作效率。

2 三軸翻轉變位機結構設計與功能實現

三軸翻轉變位機結構主要由6大部分組成，分別是首箱、尾箱、旋轉機架、驅動單元、從動單元、底座（可設計獨立底座，也可放置在工作站公共底座上）。結構形式如圖3所示。

2.1 技術參數確定

根據三軸翻轉變位機的主要技術性能和控制系統要求，變位機伺服電機與焊接機器人伺服選用相同的品牌，為YASKAWA機器人。依據經驗初步選定常用外部軸伺服電機和RV減速機。第一軸選用3.7 kW驅動伺服電機和減速機，第二軸/第三軸選用1.3 kW驅動伺服電機，然后計算變位機承載能力。

以第二軸/第三軸為例，電機額定輸出扭矩8.34 N·m，減速比156.78，故組合輸出額定扭矩為：

T=8.34×156.78×0.95=1 242.2 N·m。又因減速機額

定輸出扭矩1 111 N·m<1 242.2 N·m，所以額定輸出

扭矩為1 111 N·m。按照相同原理設計變位機的許用轉動慣量和額定輸出轉速。

三軸翻轉變位機技術參數如表1、表2所示。

2.2 驅動單元結構設計

夾緊工件采用氣動卡盤結構，氣動卡盤連桿與氣缸桿浮動連接。卡盤需要0～360°旋轉，氣動卡盤連桿外加軸承可實現旋轉功能，氣動卡盤后側設計齒輪與伺服電機減速機輸出齒輪嚙合，實現工件自動回轉功能，工件焊接完成后，上下料裝置頂升到位，氣動卡盤松開，伺服電機帶動梯形絲杠后撤，定位的卡爪脫離工件，上下料裝置運送焊后工件到工作站外，取件。驅動單元結構設計如圖4所示。

2.3 從動單元結構設計

從動單元結構組件中選用自制生產的頂尖，長行程氣缸推進頂尖夾緊工件到位后，隨驅動單元氣動卡盤夾緊工件，并帶動工件一起旋轉。頂尖座后側與氣缸浮動連接，外側加軸承實現旋轉。既實現了頂尖的前進與后退功能，又實現了頂尖的旋轉功能[4]。為滿足生產工件長度不一致的要求，換產時，依靠人工手動轉動手輪，帶動絲杠調整到合適位置后，手動插銷鎖住固定到位。

從動單元結構設計如圖5所示。

3 三軸變位機的應用效果

三軸翻轉變位機滿足客戶生產節拍要求，第二、三軸翻轉180°用時3～3.5 s，第一軸翻轉180°用時8.5～9 s。重復定位精度±0.1 mm，每個軸的動作范圍±180°。此焊接工作站依托三軸翻轉變位機的幫助實現了自動化操作，滿足設計和使用要求，設備操作安全方便，減輕了工人勞動強度，提高了工作效率。工件上料后，一鍵式全自動焊接，大大降低了操作難度，為企業創造了良好的經濟效益[5]。

4 結論

安川首鋼公司首次為適用多種橋殼產品焊接研發了一種三軸變位機，其重復定位精度高，充分保證焊接產品質量。易操作，自動上下料，性能安全可靠，較大程度上節約了人力勞動。為機器人焊接工作站工程提供強有力的保證。

參考文獻：

成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

許文清. 機器人焊接系統中變位機的設計[J]. 焊接設備與材料，2004，33（3）：44-45.

周明遠，李英偉，楊永家.管道筒體對接環縫全自動焊接設備設計與應用，[J].電焊機，2020，50（12）：43-47.

李洪.實用機床設計手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1999.

葛福華，李詳忠，朱峰.大型構件焊接變位機的設計與應用[J].電焊機，2003，33（11）：38-39.