機器人焊接系統中三軸變位機的標準化設計

李素萍，劉 冰，馬 永，高宏偉

安川首鋼機器人有限公司，北京 100176

0 前言

我國正處于智能制造的高速發展期，機器人的應用越來越廣泛，為充分發揮機器人的功效，其通常各種焊接變位機組合使用，從而實現高效、優質的焊接生產[1-2]。變位機作為機器人焊接生產線和柔性焊接加工單元的重要組成部分，其作用是將被焊工件旋轉（平移）至最佳的焊接位置。在焊接作業之前和焊接過程中，變位機通過夾具裝卡和定位被焊工件，對工件的不同要求決定了變位機的負載能力及其運動方式。

焊接變位機按焊接工件不同的形狀和焊縫的布置，結構和形式多樣化。按電機驅動軸可分為單軸變位機、雙軸變位機、三軸變位機、五軸變位機。單軸變位機主要包括首尾箱式、懸臂式、轉臺；雙軸變位機主要包括雙軸機、L型變位機、C型變位機；三軸變位機主要包括三軸垂直翻轉變位機、三軸水平回轉變位機，每個類型的變位機均包含輕載和重載。

在國內機器人快速產業化的背景下，變位機的標準化已成為縮短整個機器人焊接工作站加工周期的重要手段和發展趨勢。標準型的機器人焊接變位機不僅具有符合機器人工作站要求的技術特性，而且制造成本比專用機器人焊接變位機低，供貨及時，大大簡化了機器人系統的集成技術，縮短了構建機器人工作站的周期。根據工件的特點和加工任務的不同要求、重物的高度和工位數量，通過模塊化的組合可以按需提供客戶專用的定位裝置[3-4]。本文以安川首鋼機器人有限公司的三軸垂直翻轉變位機為例重點介紹。

1 三軸翻轉變位機基本構成

三軸翻轉變位機是由三個驅動單元軸組成，通過第一軸（簡稱S1）的翻轉來實現夾具A/B側的變換位置，第二軸/第三軸（簡稱S2/S3）通過自身翻轉實現夾具的轉動。三個軸均有伺服電機和RV減速機驅動，第一軸用來控制兩個夾具在機器人作業工位和人工裝件工位之間切換。變位機工作時，A側機器人焊接的同時，B側人工同時裝件，以滿足生產節拍要求和提高工作效率。三軸翻轉變位機協助整個工作站運轉，工件焊接質量和工作效率大大提高。其結構主要由首箱、尾箱、旋轉機架、驅動單元、從動單元、底座六部分組成。底座設置為可選項，假如工作站里有公共底座，三軸翻轉變位機選型時，可不選底座部分，結構形式如圖1所示[5]。

圖1 三軸垂直翻轉變位機結構Fig.1 Structure of three-axis vertical turning positioner

2 三軸翻轉變位機的承載能力和負載核算

2.1 三軸翻轉變位機承載能力

三軸翻轉變位機有兩個帶動夾具翻轉的回轉軸和一個改變夾具位置的翻轉軸。其中，改變夾具位置的翻轉軸（簡稱S1）驅動伺服電機選用安川電機3.7 kW減速機型號RV-450E系列；兩個帶動夾具翻轉的回轉軸（簡稱S2/S3）選用安川伺服電機1.3 kW和減速機型號RV-140E系列。選定伺服電機和減速機型號后，進行變位機承載能力計算[6]。具體參數如表1、表2所示。

表1 翻轉軸S1的性能參數

表2 翻轉軸S2、S3的性能參數

2.2 負載的核算

在S2/S3軸的額定承載能力情況下，估算負載的重量、半徑、長度等參數，以便給出使用參考數據。根據實際機器人焊接系統工作站中焊接工件的大小，通常預估負載半徑R、負載長度L、負載重量G、負載偏心量d等變量的值，進行負載扭矩和轉動慣量的計算。負載扭矩T=G×d，負載轉動慣量JZ'＝JZC＋M×d2。還要進行啟動扭矩的計算，啟動扭矩M=JZ'×β＝（JZC＋md2）×β（β是旋轉軸的角加速度）。

將負載的計算數據與三軸翻轉變位機性能參數對比，要求負載的扭矩、轉動慣量、節拍要求等數據均滿足三軸翻轉變位機性能參數。

3 三軸翻轉變位機的結構標準化

在變位機的設計中引入模塊化的概念，屬于廣義的模塊化設計，是以傳統模塊化設計基本理論為基礎，引入參數化設計和變量化分析方法，通過對一系列產品進行功能分析并結合其在設計、制造、維護中的特點，劃分并構造具有更大適應性的廣義模塊和廣義產品平臺，通過廣義模塊的組合或廣義產品平臺的衍生實現產品的快速設計[7]。

3.1 模塊的組成

按照各組成部分的功能和結構把變位機拆分成：驅動單元、從動單元、旋轉機架、底座、首箱、尾箱等模塊，每個模塊有統一的安裝尺寸，但是每個模塊有不同的結構尺寸，這樣經過組合，設計出多種類型、滿足多種焊接夾具的需要、適應更廣泛的機器人焊接變位機。標準三軸翻轉變位機適合焊接夾具半徑600 mm和800 mm，夾具跨距2 000 mm、2 500 mm、3 000 mm、3 500 mm。驅動單元和從動單元的高度以夾具半徑而定，旋轉機架和底座的長度根據夾具跨距而定，首箱單元和尾箱單元的高度以夾具半徑而定。經過各個模塊的設計，組合成不同型號的三軸翻轉變位機，滿足項目需求。標準化工作完成后，不但節約大量的人力物力，而且提高了工作效率，很大程度上縮短了焊接變位機的供貨周期。模塊化構成示意如圖2所示。

圖2 三軸翻轉變位機模塊構成Fig.2 Module composition of three-axis reversing positioner

3.2 結構模塊的參數化

三軸翻轉變位機的模塊中，以驅動單元設計為例，根據項目設計經驗歸納出夾具半徑由600 mm和800 mm兩種規格，足以滿足需求。驅動單元焊接箱體的高度出現了兩個尺寸。只需要出一套圖紙，即可滿足不同尺寸加工圖紙要求，高度標注參數化尺寸L，不同的規格選用對應的L值。以此類推，各個模塊均可以進行參數化設計，如圖3所示。

圖3 首箱體單元參數化示意圖Fig.3 Parameterization diagram of the first box unit

3.3 電纜的標準化

根據變位機的機型，每個機型對應設計出配套電纜，電纜圖紙存檔，設計出電纜選型單，以供項目選型使用。

4 三軸翻轉變位機的標準化下圖流程

整套三軸翻轉變位機中，每個模塊的圖紙可單獨存檔，亦可整套存檔。圖紙和采購單等相關文檔下發到資料室后，進行標準圖紙存檔，然后復印圖紙和采購單等相關文檔下發到各部門，如圖4所示。當根據項目需求確定三軸翻轉變位機型號后，直接體現在系統總目錄里。采購科室接收到系統總目錄后，直接進行機械加工和外購件采購。變位機加工組裝完成后，進行電氣元件安裝和變位機功能調試，如圖5所示，達到三軸翻轉變位機出廠要求。

圖4 標準圖紙存檔流程Fig.4 Archiving process of standard drawings

圖5 標準變位機下發流程Fig.5 Distribution process of standard positioner

5 結論及展望

通過對標準三軸翻轉變位機的結構設計進行模塊化，電纜模塊化設計。推出一系列標準變位機，滿足項目需求，節約了大量的人力設計成本和生產成本，縮短設計與生產周期，提高了生產效率和產品質量、降低成本。充分發揮機器人的功效，實現高效、優質的焊接生產。根據常用變位機的機型和結構進行標準化設計，形成公司標準設備，更快的將焊接工作站和焊接生產線提供給客戶。