小型構件焊接變位機的設計

朱勇泉ZHU Yong-quan；陳浩楠CHEN Hao-nan

（①中航航空高科技股份有限公司，南通 226001；②南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

0 引言

在機械結構中，焊接件被廣泛采用。要保證焊接質量和生產效率，則需要使焊槍準確且快速地找到焊接位置，對于整個結構件的加工非常關鍵。當采用手工焊接方式時，通常使用夾具進行工件的固定，由操作者手持焊槍，尋找焊槍的焊接位置。這種方式存在著很多問題，例如：操作者不安全、增加了工人的勞動強度、焊接效率不高、焊接質量不佳等。當采用自動焊接方式時，通常情況下，焊槍的位置固定不動，必須采用自動的方式移動結構件，變換焊接位，降低工人的勞動強度，增加安全保障，提高焊接的準確性，提高工件的焊接質量。即便使用焊接機器人時，雖然焊槍的位置可以移動，但也會因焊縫的位置特殊而產生焊槍干涉的情況，此時仍然需要使用焊接變位器進行結構件的位置變換，使焊槍便捷地找到焊縫位置。

綜上所述，變位機是專用焊接輔助設備，在焊接過程中用于使工件得到理想的加工位置，提高焊接質量，減少焊槍的移動，提高焊接效率。尤其在焊接機器人被日益廣泛應用的情況下，焊接變位機的開發，可與工業焊接機器人配套使用，與控制系統相連，實現聯動操作，組成自動焊接中心，實現焊接自動化和無人化。

按照運動軸的數量分類，變位機有單軸翻轉變位機、雙軸變位機、三軸變位機等。

運動軸的直線或回轉運動由電動機或液壓傳動裝置為動力，改變了傳統的手工搬運焊件的方法，從而節省了人力，提高了生產效率和焊件的質量。

1 小型結構件的結構特點以及變位機的功能要求

1.1 小型結構件的結構特點分析

小型焊接件的結構千差萬別，其焊縫的位置呈現出多樣性的特點，其中，圖1 和圖2 為兩個典型焊接件實例。圖1 的焊縫位于焊接件內側，焊縫形狀為直線。這類焊接件在不采用變位機的情況下，由于焊接件的尺寸和焊縫位置的限制，在焊接時隨著焊縫位置的前移，需要改變焊槍相對于焊接件的角度，否則焊槍與焊接件之間可能會產生干涉，使焊槍無法達到指定位置。而焊槍與焊接件的相對角度的改變，若使用變位機將焊接件傾斜，可使焊槍方便地找到需要焊接的位置，當焊槍固定時，采用變位機使焊接件傾斜成為了必然。圖2 的焊縫形狀為圓形，焊接時，焊槍需要相對于焊接件運動一周，且焊接姿態保持不變。這一情況下，若焊接件固定不動，則焊槍需要做繞焊縫的圓周空間運動，其夾持焊槍的機構較為復雜，即便在使用焊接機器人時，其機器人運動程序也較為復雜；若焊接時使用變位機，使焊接件繞焊縫中心點做旋轉運動，可在焊槍固定不動的情況下完成焊接工作。

圖1 焊接件實例1

圖2 焊接件實例2

1.2 小型結構件的功能要求

根據小型焊接件的結構特點分析，設計了一款能使工件進行傾斜和旋轉的座式焊接變位機。此變位機雖然不能解決所有小型焊接件的焊接位置問題，但可以作為一種焊接輔助設備，解決較多場合下的結構件焊接便捷性問題。

1.3 焊接變位機的主要技術參數

工件可以傾斜45°、工作臺回轉與傾斜的速度與焊接時焊槍的移動速度相匹配。因而，變位機的主要技術參數確定為：

①工作臺回轉角度為0°～360°。

焊接件安裝在工作臺上。當焊縫為圖2 所示的圓周形狀時，工作臺需要回轉一周，即360°。當焊接件有多條焊縫時，通過工作臺的旋轉，也可以將其背面的焊縫旋轉到焊槍的正面。

②工作臺回轉角速度為0～0.4r/min。

根據焊接工藝參數，焊接時焊槍與焊接件之間的相對移動速度較慢，一般為0.15m/min。設小型焊接件圓形焊縫的最大直徑為120mm，則焊接件的旋轉速度為0.4r/min。

③工作臺傾斜角度為0°～140°。

圖1 所示的焊接件焊縫處于上方焊接板的下方，焊槍的位置需要向上傾斜，與常規方向相反。若將焊接件傾斜135°，則焊縫變為焊接板的上方，此時焊槍的位置向下傾斜，較為合理。根據以上分析，并將傾斜角度范圍略做擴大，取變位機的工作臺傾斜角度為0°～140°。

④工作臺傾斜角速度為0～0.6r/min。

同理，按照工作臺回轉角速度值的確定過程分析，并考慮到將焊接件傾斜時，可將傾斜速度適當增加，以減少傾斜時間，提高加工效率，故確定工作臺傾斜角速度為0～0.6r/min。

2 變位機結構設計

在設計變位機時，需要按照主要設計參數，滿足可以將工件進行傾斜和旋轉的基本要求。同時，在變位機的工作過程中，必須添加反行程的自鎖式驅動，用來防止突然斷電時，由于變位機自身的結構和焊接件自身重量等原因，使運動件產生運動，而發生事故。

2.1 變位機的結構形式選擇

焊接變位機根據其結構形式，可以分為三類：

①伸臂式焊接變位機。伸臂的一部分安裝在一個旋轉平臺上，它通常與該旋轉軸線形成一個特定的旋轉角度，使工作臺上的旋轉軸線位置發生變化，從而使得位移范圍變大，對工作的適應性更強，但總體穩定性會下降，常用于人工焊接。

②座式焊接變位機。工作臺連接于旋轉軸，由旋轉軸支承于底座。這種結構具有較高穩定性，便于運輸，常見于0.5 噸以下小型焊接件的變位。

③雙座式焊接變位機。該結構的框架為“U”字形，“U”型框架繞著在水平方向的一根軸以一定的速度轉動。這種結構被廣泛應用于重型焊接變位機。

綜合以上三種焊接變位機的結構特點，本設計采用座式焊接變位機。

2.2 變位機機械結構設計

針對小型焊接結構件的特點，設計的可使焊接件進行傾斜和旋轉的變位機機械結構如圖3 所示。

圖3 小型座式焊接變位機結構示意圖

該變位機由扇形齒輪使工作臺傾斜，由工作臺的旋轉使工件旋轉。

2.3 工作臺回轉機構設計

工作臺的回轉角度設計參數為0°～360°、回轉角速度設計參數為0～0.4r/min。該回轉機構選擇90SZ60 直流伺服電機，其額定轉速為1500r/min，額定扭矩為0.83N·m。電機運行在額定轉速時，工作臺以最高回轉速度0.4r/min運行，當工作臺需要以低于0.4r/min 的速度運行時，可以通過直流伺服電機的控制電路，進行在0～1500r/min 范圍內的無極調速，降低電機的轉速，從而滿足轉臺轉速為0～0.4r/min 的設計要求。

由于電機以1500r/min 的額定轉速運行時，轉臺的轉速為0.4r/min，所以，需要在電機與工作臺之間采用較大的傳動比進行降速。其結構設計如圖4 所示。

圖4 焊接變位機工作臺回轉機構

該回轉機構有兩級蝸輪蝸桿傳動。選用直流電機驅動，采用具有緩沖吸震的V 型帶，帶動蝸輪蝸桿傳動。由于蝸輪蝸桿傳動具有反行程的自鎖性，起到了安全保護作用。同時，兩級渦輪蝸桿傳動產生了較大的總傳動比，使工作臺以較低回轉速度在0°～360°范圍內回轉。

2.3.1 傳動方案

焊接變位機的回轉機構通過電機和V 型帶傳動，使得第一級蝸輪蝸桿軸4 進行轉動，驅動第一級渦輪5 旋轉；第一級蝸輪的軸心為第二級蝸輪蝸桿機構的蝸桿6，通過此蝸桿驅動第二級渦輪7 旋轉，最后使得工作臺8 進行回轉。

2.3.2 傳動比分配

電動機額定轉速為nm=1500r/min，此時工作臺回轉所要求的設計角速度為nw=0.4r/min，由此可得傳動比

回轉機構中V 型傳動帶的傳動比設計為ib=3，第一級蝸輪蝸桿傳動比設計為i1=35，第二級蝸輪蝸桿傳動比設計為i2=35，則總傳動比為3650，總傳動比略小于理論傳動比，符合實際要求。

表1 回轉機構運動和動力參數結果

2.4 工作臺傾斜機構

工作臺傾斜機構采用扇形齒輪進行傳動，其結構如圖5 所示。

圖5 工作臺傾斜機構

2.4.1 傳動方案

焊接變位機傾斜機構由帶減速的直流減速電機1 驅動，通過蝸輪蝸桿減速器3 以及由減速器輸出軸驅動的齒輪4、中間齒輪5 驅動扇形齒輪6，實現工作臺傾斜的目的。選用的微型行星齒輪減速電機型號為J90ZYT（SZ）51PX16A1 ，其額定功率為80W，電機額定轉速為1500r/min，減速比i1=16。減速器選用蝸輪蝸桿減速器，保證反行程的自鎖性。扇形齒輪中心角取160°，使工作臺傾斜角度為0°～140°。

2.4.2 傳動比分配

當電機以額定轉速運行時，傾斜機構所要求的角速度設計參數為0.6r/min，由此可得設計時，選擇的直流減速電機的減速比i1=16，諧波齒輪減速器的傳動比i2=50，減速器驅動的齒輪4 與中間齒輪5 之間的傳動比i3=3，中間齒輪5 與扇形齒輪6 之間的傳動比i4=1，總減速傳動比為2400，略小于理論傳動比，可滿足設計要求。

表2 傾斜機構運動和動力參數

3 機座的設計

在焊機變位機上，機座作為支承部件，設計要求是：

①具有良好的工藝性能，易于制作，所需的材料更少，并且成本更低；

②必須具有很好的剛度和耐震能力；

③構架在溫度較高時不產生較大的形變，升溫時內部存在的應力不會過大；

④便于安裝及搬運。

設計機座時，由于機座的整體尺寸偏大。若采用鑄造結構件，加工起來較為復雜，且加工的成本大大提高，容易產生熱變形及內部應力。因此，采用焊接式的基座結構，通過焊接的方法設計出變位機機座。

4 結論

針對小型焊接件，設計出來兩軸旋轉的座式焊接變位機，可以滿足常見結構件的焊接，達到了設計要求，為焊接變位機的制造提供了參考。