李素萍，劉 冰，馬 永，高宏偉

安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京 100176

0 前言

我國(guó)正處于智能制造的高速發(fā)展期，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為充分發(fā)揮機(jī)器人的功效，其通常各種焊接變位機(jī)組合使用，從而實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接生產(chǎn)[1-2]。變位機(jī)作為機(jī)器人焊接生產(chǎn)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(zhuǎn)（平移）至最佳的焊接位置。在焊接作業(yè)之前和焊接過(guò)程中，變位機(jī)通過(guò)夾具裝卡和定位被焊工件，對(duì)工件的不同要求決定了變位機(jī)的負(fù)載能力及其運(yùn)動(dòng)方式。

焊接變位機(jī)按焊接工件不同的形狀和焊縫的布置，結(jié)構(gòu)和形式多樣化。按電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸可分為單軸變位機(jī)、雙軸變位機(jī)、三軸變位機(jī)、五軸變位機(jī)。單軸變位機(jī)主要包括首尾箱式、懸臂式、轉(zhuǎn)臺(tái)；雙軸變位機(jī)主要包括雙軸機(jī)、L型變位機(jī)、C型變位機(jī)；三軸變位機(jī)主要包括三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)、三軸水平回轉(zhuǎn)變位機(jī)，每個(gè)類型的變位機(jī)均包含輕載和重載。

在國(guó)內(nèi)機(jī)器人快速產(chǎn)業(yè)化的背景下，變位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化已成為縮短整個(gè)機(jī)器人焊接工作站加工周期的重要手段和發(fā)展趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)型的機(jī)器人焊接變位機(jī)不僅具有符合機(jī)器人工作站要求的技術(shù)特性，而且制造成本比專用機(jī)器人焊接變位機(jī)低，供貨及時(shí)，大大簡(jiǎn)化了機(jī)器人系統(tǒng)的集成技術(shù)，縮短了構(gòu)建機(jī)器人工作站的周期。根據(jù)工件的特點(diǎn)和加工任務(wù)的不同要求、重物的高度和工位數(shù)量，通過(guò)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(jī)器人有限公司的三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)為例重點(diǎn)介紹。

1 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)基本構(gòu)成

三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)是由三個(gè)驅(qū)動(dòng)單元軸組成，通過(guò)第一軸（簡(jiǎn)稱S1）的翻轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具A/B側(cè)的變換位置，第二軸/第三軸（簡(jiǎn)稱S2/S3）通過(guò)自身翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾具的轉(zhuǎn)動(dòng)。三個(gè)軸均有伺服電機(jī)和RV減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，第一軸用來(lái)控制兩個(gè)夾具在機(jī)器人作業(yè)工位和人工裝件工位之間切換。變位機(jī)工作時(shí)，A側(cè)機(jī)器人焊接的同時(shí)，B側(cè)人工同時(shí)裝件，以滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求和提高工作效率。三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)協(xié)助整個(gè)工作站運(yùn)轉(zhuǎn)，工件焊接質(zhì)量和工作效率大大提高。其結(jié)構(gòu)主要由首箱、尾箱、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、驅(qū)動(dòng)單元、從動(dòng)單元、底座六部分組成。底座設(shè)置為可選項(xiàng)，假如工作站里有公共底座，三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)選型時(shí)，可不選底座部分，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[5]。

圖1 三軸垂直翻轉(zhuǎn)變位機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-axis vertical turning positioner

2 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的承載能力和負(fù)載核算

2.1 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)承載能力

三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)有兩個(gè)帶動(dòng)夾具翻轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸和一個(gè)改變夾具位置的翻轉(zhuǎn)軸。其中，改變夾具位置的翻轉(zhuǎn)軸（簡(jiǎn)稱S1）驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)選用安川電機(jī)3.7 kW減速機(jī)型號(hào)RV-450E系列；兩個(gè)帶動(dòng)夾具翻轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)軸（簡(jiǎn)稱S2/S3）選用安川伺服電機(jī)1.3 kW和減速機(jī)型號(hào)RV-140E系列。選定伺服電機(jī)和減速機(jī)型號(hào)后，進(jìn)行變位機(jī)承載能力計(jì)算[6]。具體參數(shù)如表1、表2所示。

表1 翻轉(zhuǎn)軸S1的性能參數(shù)

表2 翻轉(zhuǎn)軸S2、S3的性能參數(shù)

2.2 負(fù)載的核算

在S2/S3軸的額定承載能力情況下，估算負(fù)載的重量、半徑、長(zhǎng)度等參數(shù)，以便給出使用參考數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際機(jī)器人焊接系統(tǒng)工作站中焊接工件的大小，通常預(yù)估負(fù)載半徑R、負(fù)載長(zhǎng)度L、負(fù)載重量G、負(fù)載偏心量d等變量的值，進(jìn)行負(fù)載扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。負(fù)載扭矩T=G×d，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ'＝JZC＋M×d2。還要進(jìn)行啟動(dòng)扭矩的計(jì)算，啟動(dòng)扭矩M=JZ'×β＝（JZC＋md2）×β（β是旋轉(zhuǎn)軸的角加速度）。

將負(fù)載的計(jì)算數(shù)據(jù)與三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)性能參數(shù)對(duì)比，要求負(fù)載的扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、節(jié)拍要求等數(shù)據(jù)均滿足三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)性能參數(shù)。

3 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

在變位機(jī)的設(shè)計(jì)中引入模塊化的概念，屬于廣義的模塊化設(shè)計(jì)，是以傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)基本理論為基礎(chǔ)，引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)和變量化分析方法，通過(guò)對(duì)一系列產(chǎn)品進(jìn)行功能分析并結(jié)合其在設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)中的特點(diǎn)，劃分并構(gòu)造具有更大適應(yīng)性的廣義模塊和廣義產(chǎn)品平臺(tái)，通過(guò)廣義模塊的組合或廣義產(chǎn)品平臺(tái)的衍生實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)[7]。

3.1 模塊的組成

按照各組成部分的功能和結(jié)構(gòu)把變位機(jī)拆分成：驅(qū)動(dòng)單元、從動(dòng)單元、旋轉(zhuǎn)機(jī)架、底座、首箱、尾箱等模塊，每個(gè)模塊有統(tǒng)一的安裝尺寸，但是每個(gè)模塊有不同的結(jié)構(gòu)尺寸，這樣經(jīng)過(guò)組合，設(shè)計(jì)出多種類型、滿足多種焊接夾具的需要、適應(yīng)更廣泛的機(jī)器人焊接變位機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)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(qū)動(dòng)單元和從動(dòng)單元的高度以?shī)A具半徑而定，旋轉(zhuǎn)機(jī)架和底座的長(zhǎng)度根據(jù)夾具跨距而定，首箱單元和尾箱單元的高度以?shī)A具半徑而定。經(jīng)過(guò)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，組合成不同型號(hào)的三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)，滿足項(xiàng)目需求。標(biāo)準(zhǔn)化工作完成后，不但節(jié)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(jī)的供貨周期。模塊化構(gòu)成示意如圖2所示。

圖2 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)模塊構(gòu)成Fig.2 Module composition of three-axis reversing positioner

3.2 結(jié)構(gòu)模塊的參數(shù)化

三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的模塊中，以驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)為例，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)歸納出夾具半徑由600 mm和800 mm兩種規(guī)格，足以滿足需求。驅(qū)動(dòng)單元焊接箱體的高度出現(xiàn)了兩個(gè)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(biāo)注參數(shù)化尺寸L，不同的規(guī)格選用對(duì)應(yīng)的L值。以此類推，各個(gè)模塊均可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，如圖3所示。

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

3.3 電纜的標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)變位機(jī)的機(jī)型，每個(gè)機(jī)型對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)出配套電纜，電纜圖紙存檔，設(shè)計(jì)出電纜選型單，以供項(xiàng)目選型使用。

4 三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化下圖流程

整套三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)中，每個(gè)模塊的圖紙可單獨(dú)存檔，亦可整套存檔。圖紙和采購(gòu)單等相關(guān)文檔下發(fā)到資料室后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖紙存檔，然后復(fù)印圖紙和采購(gòu)單等相關(guān)文檔下發(fā)到各部門，如圖4所示。當(dāng)根據(jù)項(xiàng)目需求確定三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)型號(hào)后，直接體現(xiàn)在系統(tǒng)總目錄里。采購(gòu)科室接收到系統(tǒng)總目錄后，直接進(jìn)行機(jī)械加工和外購(gòu)件采購(gòu)。變位機(jī)加工組裝完成后，進(jìn)行電氣元件安裝和變位機(jī)功能調(diào)試，如圖5所示，達(dá)到三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)出廠要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)圖紙存檔流程Fig.4 Archiving process of standard drawings

圖5 標(biāo)準(zhǔn)變位機(jī)下發(fā)流程Fig.5 Distribution process of standard positioner

5 結(jié)論及展望

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)三軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊化，電纜模塊化設(shè)計(jì)。推出一系列標(biāo)準(zhǔn)變位機(jī)，滿足項(xiàng)目需求，節(jié)約了大量的人力設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計(jì)與生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。充分發(fā)揮機(jī)器人的功效，實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)的焊接生產(chǎn)。根據(jù)常用變位機(jī)的機(jī)型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，形成公司標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，更快的將焊接工作站和焊接生產(chǎn)線提供給客戶。