鄭 鋆，焦安源

(1.華晨寶馬汽車有限公司 設(shè)備工程部，遼寧 沈陽 110044；2.遼寧科技大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

通常白車身焊裝車間是整車廠自動化程度最高的區(qū)域，需要投入大量的資金，依靠眾多的機器人、工藝設(shè)備(焊槍、鉚槍等)和焊裝夾具實現(xiàn)批量化的白車身生產(chǎn)任務(wù)。當(dāng)白車身車型換代時，大部分焊裝夾具會被拆除報廢，所以有必要依據(jù)模塊化的設(shè)計實現(xiàn)夾具重要部分的重新利舊。原則上僅需在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上經(jīng)少量零部件的制造和結(jié)構(gòu)調(diào)整、更換就可滿足新車型[1]，且這種設(shè)計應(yīng)消除因裝配不同模塊時產(chǎn)生的裝配誤差而導(dǎo)致設(shè)備使用性能降低或壽命減少等問題；同時在高產(chǎn)量的背景下應(yīng)具備讓維修部門實現(xiàn)故障部件模塊化更換或維修的可能?；趥鹘y(tǒng)的設(shè)計思路，翻轉(zhuǎn)臺或變位機的設(shè)計采用整體設(shè)計，即未考慮將可以實現(xiàn)獨立功能的部件單獨設(shè)計。正因這種整體設(shè)計思路，設(shè)計出的變位機不具有可拆分性，不能利舊后重組適應(yīng)新的產(chǎn)品；且在安裝調(diào)試這種大型的整體設(shè)備時，需要投入經(jīng)驗豐富的調(diào)試人員和大量的時間來保證設(shè)備的回轉(zhuǎn)精度、降低轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)阻。為了避免以上問題，本文提出了一種模塊化的翻轉(zhuǎn)臺設(shè)計。

1 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計原則已被蔡業(yè)彬等多人總結(jié)，但基本原則是以獨立功能單元作為模塊，即對已分解的功能單元在結(jié)構(gòu)上盡可能做到獨立化，這樣的模塊易于組合搭配，便于構(gòu)成多種變形產(chǎn)品[2-5]?；谶@一原則，本方案在設(shè)計時將翻轉(zhuǎn)臺劃分為五個獨立模塊單元，分別為驅(qū)動模塊、支撐模塊、轉(zhuǎn)鼓模塊、夾具模塊和配重模塊，如圖1所示。

圖1 模塊化焊裝翻轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊是整套轉(zhuǎn)臺的核心部件，結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含回轉(zhuǎn)軸1、減速電機2、浮動板3、驅(qū)動端支撐軸承4和驅(qū)動端支架5。驅(qū)動模塊與轉(zhuǎn)鼓模塊6依靠銷子和支口定位，方便整體更換。

因白車身側(cè)圍外板件的尺寸在4 m～5 m之間，所以很難保證設(shè)備安裝時驅(qū)動側(cè)與從動側(cè)的兩個軸端具有很小的高度誤差，且與機器人配合時轉(zhuǎn)臺只需保證足夠的重復(fù)精度，所以轉(zhuǎn)臺設(shè)計時在驅(qū)動模塊和支撐模塊上采用調(diào)心滾子軸承，避免裝配誤差導(dǎo)致的雙支點旋轉(zhuǎn)不同軸問題。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是將驅(qū)動電機固定在驅(qū)動端支架上，通過控制裝配誤差使驅(qū)動電機與驅(qū)動端軸承同軸，這樣設(shè)計就需要耗費現(xiàn)場的調(diào)試時間，且需要相應(yīng)的設(shè)備檢測同軸度誤差，結(jié)果往往是可以減少不同軸的誤差，但不能根本消除誤差[6]，最終導(dǎo)致回轉(zhuǎn)軸的三支點現(xiàn)象，即兩軸承支承和電機端支撐。本文對電機采用浮動設(shè)計方法，浮動板結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計成由浮動板2來連接減速電機1，浮動板2與固定端支架用彈簧3連接，彈簧3僅提供電機1旋轉(zhuǎn)時的反向扭矩，并不強制限制減速電機2的位置，且可以適量的隨動。這樣從根本上保證了回轉(zhuǎn)軸的兩支點支撐。

1-回轉(zhuǎn)軸；2-減速電機；3-浮動板；4-調(diào)心輥子軸承；5-支架；6-轉(zhuǎn)鼓模塊圖2 驅(qū)動模塊

1-減速電機；2-浮動板；3-彈簧圖3 浮動板結(jié)構(gòu)

1.2 支撐模塊

支撐模塊是整套系統(tǒng)的從動端，結(jié)構(gòu)如圖4所示，它和轉(zhuǎn)鼓模塊5相連，內(nèi)部包含調(diào)心滾子軸承1、從動軸2、從動端支架3和旋轉(zhuǎn)分配器4。依然考慮到回轉(zhuǎn)時的不同軸誤差，所以選用調(diào)心滾子軸承1，且支撐模塊軸承采用浮動設(shè)計，與驅(qū)動端軸承構(gòu)成固定-浮動的軸端固定方式。同時考慮到線纜旋轉(zhuǎn)時的扭曲，配有旋轉(zhuǎn)分配器4對電纜和氣管進行分別轉(zhuǎn)接，旋轉(zhuǎn)分配器4的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)360°的回轉(zhuǎn)。

1.3 轉(zhuǎn)鼓模塊

轉(zhuǎn)鼓模塊同時與驅(qū)動模塊和支撐模塊相連，并且承載夾具模塊和配重模塊，結(jié)構(gòu)如圖5所示。轉(zhuǎn)鼓模塊需要具有足夠的剛性，且要保證輕量化，所以轉(zhuǎn)鼓模塊設(shè)計成鋼板拼焊的結(jié)構(gòu)，即拼焊組件1，在設(shè)計上與夾具模塊的連接采用定位銷2定位，并加螺栓固定，保證后期夾具的可更換性。轉(zhuǎn)鼓模塊也可設(shè)計成雙面定位銷結(jié)構(gòu)，這樣就可以實現(xiàn)兩套夾具同時安裝。

1.4 夾具模塊和配重模塊

夾具模塊是焊裝夾具的重要組成部分，配合轉(zhuǎn)鼓模塊設(shè)計成相應(yīng)的定位孔結(jié)構(gòu)，保證夾具的后期可更換性。配重模塊目的是將旋轉(zhuǎn)的質(zhì)心調(diào)整到回轉(zhuǎn)軸，減少旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩。配重模塊設(shè)計成若干個單板結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實際情況增減配重板的數(shù)量，以達到所需目的。

1-調(diào)心滾子軸承；2-從動軸；3-從動端支架；4-旋轉(zhuǎn)分配器；5-轉(zhuǎn)鼓模塊圖4 支撐模塊

1-轉(zhuǎn)鼓拼焊組件；2-定位銷圖5 轉(zhuǎn)鼓模塊

2 減速電機的參數(shù)確定

依據(jù)《機械設(shè)計手冊》[7]，減速電機要在要求的運動速度下具有足夠的扭矩和匹配的慣量來保證整套系統(tǒng)啟動、翻轉(zhuǎn)和制動的可靠。對于減速電機的參數(shù)本文使用SolidWorks的Motion模塊進行仿真分析。因側(cè)圍外板夾具具有較大的質(zhì)量m，在安裝到轉(zhuǎn)鼓模塊后會得到較大的轉(zhuǎn)動慣量J，所以為獲得最大的驅(qū)動扭矩來兼容其他白車身單件轉(zhuǎn)臺，選用最大的白車身單件夾具即側(cè)圍外板夾具進行仿真計算。首先確定速度要求，轉(zhuǎn)鼓要求在5 s內(nèi)實現(xiàn)180°的旋轉(zhuǎn)，使用過渡階段采用五次擬合的step5函數(shù)規(guī)劃角位移，參考實際工作狀態(tài)，規(guī)劃的角位移如圖6所示。通過仿真計算可以得到相應(yīng)的運動學(xué)參數(shù)，角速度、角加速度和猝動[8]如圖7所示。

圖6 角位移規(guī)劃

圖7 運動學(xué)參數(shù)

圖8 負(fù)載端扭矩、角位移與時間的關(guān)系

3 結(jié)論

本翻轉(zhuǎn)臺基于模塊化思想進行設(shè)計，充分考慮了因車型換代導(dǎo)致夾具更換的利舊可能。將整個系統(tǒng)設(shè)計成5個模塊，并通過SolidWorks的Motion模塊規(guī)劃了角位移得到相應(yīng)的運動學(xué)參數(shù)，之后又進行了仿真計算，確定了減速電機的扭矩參數(shù)，最終完成整套模塊翻轉(zhuǎn)臺的設(shè)計。本模塊化翻轉(zhuǎn)臺的設(shè)計可以節(jié)省項目的成本，縮短夾具的生產(chǎn)時間，對設(shè)計人員進行柔性工裝的設(shè)計具有一定的參考意義。