摘要：簡要介紹在摩托車車架焊接作業(yè)中使用工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)。主要內(nèi)容有總體設(shè)計(jì)思想、焊接工作站的構(gòu)成、變位機(jī)和夾具體的結(jié)構(gòu)等。這種工作站對(duì)其它不同工件的焊接作業(yè)也有參考意義。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；焊接；摩托車
1前言
工業(yè)機(jī)器人不僅能提高生產(chǎn)效率，而且能大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，因而在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。本文通過摩托車焊接的實(shí)例，介紹這種類型工作站的組成及主要技術(shù)。
摩托車車架是由一些散件焊接而成的。某些散件在前期的工序中已焊成某種形狀，在最后的車架總成焊接時(shí)作為一個(gè)零件對(duì)待，車架散件如圖1a所示。這些散件必須在夾具上能夠逐一定位并夾緊，而且夾具與夾具之間不能發(fā)生干涉，又要便于焊接。由此可知，車架用一次定位夾緊是相當(dāng)困難的，應(yīng)當(dāng)將其分塊作業(yè)。
圖1車架構(gòu)成及車架分解方案
(a)車架構(gòu)成示意圖(b)車架分解方案
另外，還要考慮到散件的預(yù)點(diǎn)焊，機(jī)器人的焊接速度，焊縫的焊接時(shí)間分配，起、收弧時(shí)間及夾具間和機(jī)器人與夾具間的作業(yè)干涉問題。經(jīng)過計(jì)算、作圖檢查和規(guī)劃之后，將作業(yè)內(nèi)容分為主管預(yù)點(diǎn)焊、主管完成焊、車架預(yù)點(diǎn)焊、車架完成焊四個(gè)工序，相應(yīng)地要設(shè)立四個(gè)機(jī)器人焊接工作站。
2總體布局
在制作總體方案之前，應(yīng)首先做三件事
(1)夾具體尺寸的估算。分析各散件的定位夾緊方案并留有一定的余地，估算出夾具體的外形及大小，必要時(shí)要用作圖法估算。
(2)確定變位機(jī)的基本形式。工件夾具體應(yīng)當(dāng)能變換位置，使工件各處的焊縫可以適應(yīng)機(jī)器人可能的焊槍姿態(tài)；另外，為充分發(fā)揮機(jī)器人的工作能力，要把工件的裝卸時(shí)間盡可能地與機(jī)器人的工作時(shí)間重合起來，最好設(shè)置兩套夾具裝置能相對(duì)機(jī)器人實(shí)施交換。
(3)按持重和工作空間初選機(jī)器人型號(hào)。
對(duì)于某種工件的具體作業(yè)內(nèi)容，隨著機(jī)器人的使用數(shù)量、工廠的投資、自動(dòng)化程度、操作方式、車間設(shè)備布局、物流方式以及設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平等多種因素的變化，可以形成多套總體設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過認(rèn)真分析研究，反復(fù)對(duì)比，最后優(yōu)選出一套切合實(shí)際的可行方案。對(duì)摩托車車架焊接作業(yè)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，共做出5種方案。從自動(dòng)化程度、成本、生產(chǎn)率及用戶意見出發(fā)，最后選定的總體布局方案如圖2所示。
圖2摩托車車架機(jī)器人焊接生產(chǎn)線總體布局圖
分析車架結(jié)構(gòu)，顯然從主彎管與油箱的結(jié)合部分解是一種較好的方案，如圖1b所示。也就是先把1、2、3、4、5和6號(hào)散件焊成一體，再與7、8、9和10號(hào)散件焊接。
總體布局共設(shè)四個(gè)工作站。第1、3工作站均為機(jī)器人點(diǎn)焊，第2、4工作站為主管組件和車架總成的完成焊。每個(gè)工作站均使用3自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，分兩個(gè)工作位，機(jī)器人在里側(cè)工作位作業(yè)時(shí)，人工可在外側(cè)裝卸及設(shè)置工件。
工作站除了機(jī)器人本體、變位機(jī)和夾具體外，還有焊接電源、保護(hù)氣系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)和控制系統(tǒng)幾部分，其典型配置如圖3所示。焊接電源的正負(fù)極分別通過導(dǎo)線接在焊絲和變位機(jī)機(jī)體上；送絲電機(jī)一般裝在機(jī)器人本體上，絲盤和絲桶則裝在一個(gè)架子上或放于地面；保護(hù)氣管通過專用接頭與送絲機(jī)連接；機(jī)器人控制箱和電控箱聯(lián)合控制整個(gè)工作站的協(xié)調(diào)作業(yè)。
圖3機(jī)器人焊接工作站典型配置
1.碰撞傳感器裝置2.焊槍3.焊槍導(dǎo)管4.送絲裝置5.電機(jī)架
6.導(dǎo)管支架7.接頭8.線管旋轉(zhuǎn)支架9.保護(hù)氣管10.壓力表
11.保護(hù)氣瓶12.送絲管13.控制導(dǎo)線14.空氣開關(guān)15、16.電源線17.焊機(jī)18.顯示器19.示教盒20.機(jī)器人控制柜21.控制柜門22.碰撞傳感器導(dǎo)線23.一體化導(dǎo)線24.接頭25.焊絲盤26.焊絲筒27.焊接正極導(dǎo)線28、29.電源線30.焊接負(fù)極導(dǎo)線31.SK6機(jī)器人32.變位機(jī)
3夾具體及變位機(jī)
圖4是一個(gè)三軸雙支點(diǎn)變位機(jī)，我們分析其具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。H型結(jié)構(gòu)支架裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，可旋轉(zhuǎn)180°，變換兩套夾具體的位置。在H型支架上裝有兩套雙支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)夾具體，可使機(jī)器人相對(duì)于工件找到最佳的作業(yè)位置。在H型支架四角下方的架臺(tái)上裝了四個(gè)氣缸，它們驅(qū)動(dòng)的定位銷及托銷使H型支架準(zhǔn)確定位，并可以防止在操作力等外力的作用下，因H型支架變形而影響機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量。
圖4三軸雙支點(diǎn)變位機(jī)俯視圖
轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示，交流伺服電機(jī)通過RV減速器和齒輪副使主軸帶動(dòng)H型支架旋轉(zhuǎn)，在0°、180°兩個(gè)位置，用接近傳感器、超限開關(guān)和擋塊完成停止位置和出現(xiàn)故障時(shí)的檢測(cè)和定位。主軸的中部有一個(gè)通孔，下端裝有引線和引管支架，導(dǎo)線及軟管通過主軸心部從下至上引到H型支架內(nèi)，分別送到各接線和接管處，引線和引管支架與固定在箱體上的支架之間采用可彎曲的鏈?zhǔn)焦苈繁Ｗo(hù)套。
安裝夾具體的雙支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。夾具體裝在主動(dòng)側(cè)和被動(dòng)側(cè)的接手上，主動(dòng)側(cè)的交流伺服電機(jī)通過RV減速裝置驅(qū)動(dòng)夾具體旋轉(zhuǎn)。被動(dòng)側(cè)的轉(zhuǎn)軸是中空的，旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣活接頭安裝在轉(zhuǎn)軸的尾部，壓縮空氣從尾部引入，從轉(zhuǎn)軸的前端面引出。焊接電源的負(fù)極固連在軸承箱右側(cè)的壓塊上，在彈簧的作用下，壓塊始終與轉(zhuǎn)軸接觸，以保證良好的導(dǎo)電性，并且電流不通過軸承。轉(zhuǎn)軸前端的輪盤是電線的釋放和收集裝置。夾具體旋轉(zhuǎn)的極限位置是通過兩個(gè)
接近開關(guān)檢測(cè)的，如果接近開關(guān)出現(xiàn)故障，主動(dòng)側(cè)接手后部的撞塊會(huì)由死擋塊限位而停轉(zhuǎn)。
安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的夾具體分兩類。1、2工作站為板式夾具體，3、4工作站為框架式夾具體，如圖7所示。雖然結(jié)構(gòu)形式不同，但通過接手可以安裝在結(jié)構(gòu)尺寸相同的轉(zhuǎn)臺(tái)上。每個(gè)夾具體上散件的夾緊均采用氣動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)則隨散件形狀、定位方式和夾緊位置等的差異而有所不同。
圖5轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
圖6雙支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
圖7各工作站夾具體形狀
4結(jié)束語
摩托車車架托焊接機(jī)器人工作站的總體設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)組成以及關(guān)鍵技術(shù)可以用于其它工件種類的焊接作業(yè)中，無論哪種工件，在使用機(jī)器人時(shí)，都必須對(duì)工件毛坯的精度提出較嚴(yán)格的要求，再通過一些針對(duì)工件特點(diǎn)的末端執(zhí)行器、變位機(jī)、夾具體等的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，就能在作業(yè)中引入機(jī)器人，從而大大提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，增加企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)活力。
作者簡介：郗安民(1957-)，男，山西定襄人，北京科技大學(xué)機(jī)電工程研究所，副教授。
作者單位：郗安民（北京科技大學(xué)機(jī)電工程研究所，北京 100083）
劉穎（北京科技大學(xué)機(jī)電工程研究所，北京 100083）
劉鴻飛（北京科技大學(xué)機(jī)電工程研究所，北京 100083）
