■ 李俊超

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1. 概述

焊接變位機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工件翻轉(zhuǎn)變位，將工件上的各道焊縫位置轉(zhuǎn)動到最佳姿態(tài)來配合焊接機器人或者焊接專機完成焊接過程。變位機除了少數(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)變位機是根據(jù)實際工況設(shè)計的一個操作方便、可靠性高的設(shè)備，并基于實際使用經(jīng)驗總結(jié)出了一套科學(xué)實用的此類焊接變位機設(shè)計方法和使用經(jīng)驗。

2. 焊接變位機的設(shè)計

（1）設(shè)備概述 設(shè)備主要由支撐臺面、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)備提供動力，用于設(shè)備各個位置的翻轉(zhuǎn)和支撐臺面的鎖緊。

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，才可以進行下一步動作。

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

第一，翻轉(zhuǎn)液壓缸的支撐方式：此支撐方式采用交叉布置，并且通過支撐臺面進行剛性連接，液壓缸的另一端連接在底座上。在工作時一個液壓缸伸出，另一個液壓缸收縮的，這樣可以避免液壓缸同時伸出和收縮。

首先，可以增強液壓缸的穩(wěn)定性，因為同時伸出時，液壓缸就形成的一個細長桿的模型。穩(wěn)定性很差，設(shè)備容易出現(xiàn)晃動。而此設(shè)計方式為一個收縮，一個伸出是兩個液壓缸交替承受設(shè)備的壓力，這樣有效避免了危險點的出現(xiàn)。

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

最后，此連接方式增大了支撐的范圍，且采用對稱連接方式，有效地增大了設(shè)備的整體剛性，對設(shè)備的底座，加大了設(shè)備的受力面積，減小對地面的壓力，如圖2所示。對支撐臺面，是對稱支撐臺面的負載，這樣可以有效地均勻支撐負載，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. 支撐臺面 5. 定位光電傳感器6. 鎖銷液壓缸 7. 底座 8. 機械極限限位 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，支撐臺面的設(shè)計：采用型材和板材焊接成箱式結(jié)構(gòu)，中間加縱肋和并進行去應(yīng)力處理。使用SolidWorks建立支撐臺面的三維模型，使用SolidWorks自帶軟件Simulation進行分析。只要對位置為0°、45°的工況下，進行受力分析即可。支撐臺面材料選取普通碳鋼，在0°時只受工件的重力，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)支撐軸和滑動軸承間的接觸面上，定義鉸鏈約束。劃分網(wǎng)格和進行分析運算。已知工件和工裝的重量為40t，臺面受力的應(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°時為52MPa，45°時為108 MPa。變形值為0°時為0.22mm，45°時為3.16mm。

最大應(yīng)力和變形發(fā)生在45°時，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)計要求。

在有限元分析和試驗中，臺面的剛度和強度都符合設(shè)計要求。臺面的應(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個位置使用5個光電開關(guān)進行定位。定位完成后使用兩個液壓缸推進定位銷在設(shè)備兩側(cè)進行固定，同時每個液壓缸使用兩個光電開關(guān)進行鎖銷液壓缸的位置的判定，進行鎖緊和拔出，如圖8所示。

3. 變位機應(yīng)用效果

（1）提高了焊接質(zhì)量穩(wěn)定性 焊接電流、焊接時間和焊接姿態(tài)等對焊接結(jié)果起決定作用，采用變位機輔助進行自動化焊接保證每次焊接時焊點參數(shù)完全一致，焊接時每個焊點焊接姿態(tài)都是固定的，焊點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，同時也降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊點質(zhì)量是穩(wěn)定的。

（2）改善工人的勞動條件 采用變位機輔助焊接，工人只需裝卸工件，遠離了焊接飛濺，工人不再搬運笨重的手工焊鉗，減輕了工人的勞動強度。

（3）提高勞動生產(chǎn)率 自動化系統(tǒng)可以24h連續(xù)生產(chǎn)，每臺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)手動焊接時，由人工操作焊鉗焊接，焊鉗與夾具的磕碰是不可避免的，長時間會造成夾具的變形，影響夾具的精度，同時減少了焊鉗和夾具的使用壽命；而采用變位機輔助的自動化焊接時，焊鉗與夾具的碰撞是不允許的，因此設(shè)備維護費用很低，延長了使用壽命。

圖3 支撐臺面連接示意

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)場的實際應(yīng)用對比來看，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

（1）當(dāng)設(shè)備達到45°或者-45°時設(shè)備只能朝向0°的旋轉(zhuǎn)位置運行，不能再向其反方向運行。

（2）為消除慣性誤差，當(dāng)翻轉(zhuǎn)當(dāng)某個位置時需要停止3s，然后在進行鎖緊液壓缸的動作，且鎖緊液壓缸采用手動或者自動的兩種運動方式。

（3）設(shè)置互鎖控制方式，必須當(dāng)鎖緊液壓缸完全拔出時，支撐臺面才能進行動作。

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)變位機在設(shè)計過程中一些關(guān)鍵點的設(shè)計過程， 強調(diào)了設(shè)備穩(wěn)定性，強度，剛度和定位方式的的重要性，并結(jié)合實際經(jīng)驗，提出切實有效地解決方法。從安裝維護角度考慮設(shè)備上設(shè)計了吊裝孔和吊環(huán)螺釘，底座采用地腳螺栓預(yù)埋的方式進行固定，大大提高設(shè)備的穩(wěn)定性。同時，提出和強調(diào)傳統(tǒng)與現(xiàn)代結(jié)合的設(shè)計理念，將理論知識、實際經(jīng)驗、三維設(shè)計及有限元仿真等方法有機結(jié)合，取長補短，達到最優(yōu)化設(shè)計，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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