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(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

0 引言

在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，焊接件被廣泛采用。要保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，則需要使焊槍準(zhǔn)確且快速地找到焊接位置，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)件的加工非常關(guān)鍵。當(dāng)采用手工焊接方式時(shí)，通常使用夾具進(jìn)行工件的固定，由操作者手持焊槍?zhuān)瑢ふ液笜尩暮附游恢?。這種方式存在著很多問(wèn)題，例如：操作者不安全、增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、焊接效率不高、焊接質(zhì)量不佳等。當(dāng)采用自動(dòng)焊接方式時(shí)，通常情況下，焊槍的位置固定不動(dòng)，必須采用自動(dòng)的方式移動(dòng)結(jié)構(gòu)件，變換焊接位，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加安全保障，提高焊接的準(zhǔn)確性，提高工件的焊接質(zhì)量。即便使用焊接機(jī)器人時(shí)，雖然焊槍的位置可以移動(dòng)，但也會(huì)因焊縫的位置特殊而產(chǎn)生焊槍干涉的情況，此時(shí)仍然需要使用焊接變位器進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jī)是專(zhuān)用焊接輔助設(shè)備，在焊接過(guò)程中用于使工件得到理想的加工位置，提高焊接質(zhì)量，減少焊槍的移動(dòng)，提高焊接效率。尤其在焊接機(jī)器人被日益廣泛應(yīng)用的情況下，焊接變位機(jī)的開(kāi)發(fā)，可與工業(yè)焊接機(jī)器人配套使用，與控制系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)操作，組成自動(dòng)焊接中心，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化和無(wú)人化。

按照運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量分類(lèi)，變位機(jī)有單軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)、雙軸變位機(jī)、三軸變位機(jī)等。

運(yùn)動(dòng)軸的直線(xiàn)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)或液壓傳動(dòng)裝置為動(dòng)力，改變了傳統(tǒng)的手工搬運(yùn)焊件的方法，從而節(jié)省了人力，提高了生產(chǎn)效率和焊件的質(zhì)量。

1 小型結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及變位機(jī)的功能要求

1.1 小型結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

小型焊接件的結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，其焊縫的位置呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)，其中，圖1 和圖2 為兩個(gè)典型焊接件實(shí)例。圖1 的焊縫位于焊接件內(nèi)側(cè)，焊縫形狀為直線(xiàn)。這類(lèi)焊接件在不采用變位機(jī)的情況下，由于焊接件的尺寸和焊縫位置的限制，在焊接時(shí)隨著焊縫位置的前移，需要改變焊槍相對(duì)于焊接件的角度，否則焊槍與焊接件之間可能會(huì)產(chǎn)生干涉，使焊槍無(wú)法達(dá)到指定位置。而焊槍與焊接件的相對(duì)角度的改變，若使用變位機(jī)將焊接件傾斜，可使焊槍方便地找到需要焊接的位置，當(dāng)焊槍固定時(shí)，采用變位機(jī)使焊接件傾斜成為了必然。圖2 的焊縫形狀為圓形，焊接時(shí)，焊槍需要相對(duì)于焊接件運(yùn)動(dòng)一周，且焊接姿態(tài)保持不變。這一情況下，若焊接件固定不動(dòng)，則焊槍需要做繞焊縫的圓周空間運(yùn)動(dòng)，其夾持焊槍的機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，即便在使用焊接機(jī)器人時(shí)，其機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序也較為復(fù)雜；若焊接時(shí)使用變位機(jī)，使焊接件繞焊縫中心點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可在焊槍固定不動(dòng)的情況下完成焊接工作。

圖1 焊接件實(shí)例1

圖2 焊接件實(shí)例2

1.2 小型結(jié)構(gòu)件的功能要求

根據(jù)小型焊接件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)了一款能使工件進(jìn)行傾斜和旋轉(zhuǎn)的座式焊接變位機(jī)。此變位機(jī)雖然不能解決所有小型焊接件的焊接位置問(wèn)題，但可以作為一種焊接輔助設(shè)備，解決較多場(chǎng)合下的結(jié)構(gòu)件焊接便捷性問(wèn)題。

1.3 焊接變位機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

工件可以?xún)A斜45°、工作臺(tái)回轉(zhuǎn)與傾斜的速度與焊接時(shí)焊槍的移動(dòng)速度相匹配。因而，變位機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)確定為：

①工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角度為0°～360°。

焊接件安裝在工作臺(tái)上。當(dāng)焊縫為圖2 所示的圓周形狀時(shí)，工作臺(tái)需要回轉(zhuǎn)一周，即360°。當(dāng)焊接件有多條焊縫時(shí)，通過(guò)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，也可以將其背面的焊縫旋轉(zhuǎn)到焊槍的正面。

②工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角速度為0～0.4r/min。

根據(jù)焊接工藝參數(shù)，焊接時(shí)焊槍與焊接件之間的相對(duì)移動(dòng)速度較慢，一般為0.15m/min。設(shè)小型焊接件圓形焊縫的最大直徑為120mm，則焊接件的旋轉(zhuǎn)速度為0.4r/min。

③工作臺(tái)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(guī)方向相反。若將焊接件傾斜135°，則焊縫變?yōu)楹附影宓纳戏?，此時(shí)焊槍的位置向下傾斜，較為合理。根據(jù)以上分析，并將傾斜角度范圍略做擴(kuò)大，取變位機(jī)的工作臺(tái)傾斜角度為0°～140°。

④工作臺(tái)傾斜角速度為0～0.6r/min。

同理，按照工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角速度值的確定過(guò)程分析，并考慮到將焊接件傾斜時(shí)，可將傾斜速度適當(dāng)增加，以減少傾斜時(shí)間，提高加工效率，故確定工作臺(tái)傾斜角速度為0～0.6r/min。

2 變位機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)變位機(jī)時(shí)，需要按照主要設(shè)計(jì)參數(shù)，滿(mǎn)足可以將工件進(jìn)行傾斜和旋轉(zhuǎn)的基本要求。同時(shí)，在變位機(jī)的工作過(guò)程中，必須添加反行程的自鎖式驅(qū)動(dòng)，用來(lái)防止突然斷電時(shí)，由于變位機(jī)自身的結(jié)構(gòu)和焊接件自身重量等原因，使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，而發(fā)生事故。

2.1 變位機(jī)的結(jié)構(gòu)形式選擇

焊接變位機(jī)根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式，可以分為三類(lèi)：

①伸臂式焊接變位機(jī)。伸臂的一部分安裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，它通常與該旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)形成一個(gè)特定的旋轉(zhuǎn)角度，使工作臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)位置發(fā)生變化，從而使得位移范圍變大，對(duì)工作的適應(yīng)性更強(qiáng)，但總體穩(wěn)定性會(huì)下降，常用于人工焊接。

②座式焊接變位機(jī)。工作臺(tái)連接于旋轉(zhuǎn)軸，由旋轉(zhuǎn)軸支承于底座。這種結(jié)構(gòu)具有較高穩(wěn)定性，便于運(yùn)輸，常見(jiàn)于0.5 噸以下小型焊接件的變位。

③雙座式焊接變位機(jī)。該結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于重型焊接變位機(jī)。

綜合以上三種焊接變位機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用座式焊接變位機(jī)。

2.2 變位機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)小型焊接結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的可使焊接件進(jìn)行傾斜和旋轉(zhuǎn)的變位機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 小型座式焊接變位機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該變位機(jī)由扇形齒輪使工作臺(tái)傾斜，由工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)使工件旋轉(zhuǎn)。

2.3 工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)參數(shù)為0°～360°、回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)參數(shù)為0～0.4r/min。該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選擇90SZ60 直流伺服電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定扭矩為0.83N·m。電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，工作臺(tái)以最高回轉(zhuǎn)速度0.4r/min運(yùn)行，當(dāng)工作臺(tái)需要以低于0.4r/min 的速度運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)直流伺服電機(jī)的控制電路，進(jìn)行在0～1500r/min 范圍內(nèi)的無(wú)極調(diào)速，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而滿(mǎn)足轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為0～0.4r/min 的設(shè)計(jì)要求。

由于電機(jī)以1500r/min 的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為0.4r/min，所以，需要在電機(jī)與工作臺(tái)之間采用較大的傳動(dòng)比進(jìn)行降速。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 焊接變位機(jī)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有兩級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)。選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用具有緩沖吸震的V 型帶，帶動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)。由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有反行程的自鎖性，起到了安全保護(hù)作用。同時(shí)，兩級(jí)渦輪蝸桿傳動(dòng)產(chǎn)生了較大的總傳動(dòng)比，使工作臺(tái)以較低回轉(zhuǎn)速度在0°～360°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)。

2.3.1 傳動(dòng)方案

焊接變位機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)電機(jī)和V 型帶傳動(dòng)，使得第一級(jí)蝸輪蝸桿軸4 進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)第一級(jí)渦輪5 旋轉(zhuǎn)；第一級(jí)蝸輪的軸心為第二級(jí)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的蝸桿6，通過(guò)此蝸桿驅(qū)動(dòng)第二級(jí)渦輪7 旋轉(zhuǎn)，最后使得工作臺(tái)8 進(jìn)行回轉(zhuǎn)。

2.3.2 傳動(dòng)比分配

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nm=1500r/min，此時(shí)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)所要求的設(shè)計(jì)角速度為nw=0.4r/min，由此可得傳動(dòng)比

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中V 型傳動(dòng)帶的傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為ib=3，第一級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為i1=35，第二級(jí)蝸輪蝸桿傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為i2=35，則總傳動(dòng)比為3650，總傳動(dòng)比略小于理論傳動(dòng)比，符合實(shí)際要求。

表1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)結(jié)果

2.4 工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)

工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)采用扇形齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 工作臺(tái)傾斜機(jī)構(gòu)

2.4.1 傳動(dòng)方案

焊接變位機(jī)傾斜機(jī)構(gòu)由帶減速的直流減速電機(jī)1 驅(qū)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿減速器3 以及由減速器輸出軸驅(qū)動(dòng)的齒輪4、中間齒輪5 驅(qū)動(dòng)扇形齒輪6，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)傾斜的目的。選用的微型行星齒輪減速電機(jī)型號(hào)為J90ZYT（SZ）51PX16A1 ，其額定功率為80W，電機(jī)額定轉(zhuǎn)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(tái)傾斜角度為0°～140°。

2.4.2 傳動(dòng)比分配

當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，傾斜機(jī)構(gòu)所要求的角速度設(shè)計(jì)參數(shù)為0.6r/min，由此可得設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的直流減速電機(jī)的減速比i1=16，諧波齒輪減速器的傳動(dòng)比i2=50，減速器驅(qū)動(dòng)的齒輪4 與中間齒輪5 之間的傳動(dòng)比i3=3，中間齒輪5 與扇形齒輪6 之間的傳動(dòng)比i4=1，總減速傳動(dòng)比為2400，略小于理論傳動(dòng)比，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 傾斜機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)

3 機(jī)座的設(shè)計(jì)

在焊機(jī)變位機(jī)上，機(jī)座作為支承部件，設(shè)計(jì)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(gòu)架在溫度較高時(shí)不產(chǎn)生較大的形變，升溫時(shí)內(nèi)部存在的應(yīng)力不會(huì)過(guò)大；

④便于安裝及搬運(yùn)。

設(shè)計(jì)機(jī)座時(shí)，由于機(jī)座的整體尺寸偏大。若采用鑄造結(jié)構(gòu)件，加工起來(lái)較為復(fù)雜，且加工的成本大大提高，容易產(chǎn)生熱變形及內(nèi)部應(yīng)力。因此，采用焊接式的基座結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接的方法設(shè)計(jì)出變位機(jī)機(jī)座。

4 結(jié)論

針對(duì)小型焊接件，設(shè)計(jì)出來(lái)兩軸旋轉(zhuǎn)的座式焊接變位機(jī)，可以滿(mǎn)足常見(jiàn)結(jié)構(gòu)件的焊接，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為焊接變位機(jī)的制造提供了參考。