張慶森等

摘 要：隨著圍欄類焊接件的焊縫要求越來越高，采用焊接機(jī)器人進(jìn)行自動化焊接越來越受到大家的重視。由于其波形圍欄材料多為厚度3毫米低碳鋼，采用冷彎擠壓加工成型，外形幾何尺寸難于確保統(tǒng)一，且雙邊都需要焊接定位，定位情況復(fù)雜多變，使得精確定位實現(xiàn)起來難度較大，從而影響到了焊接自動化的實現(xiàn)。該文從影響定位精度的因素出發(fā)，分析原因并提出解決方法。試驗證明，該工裝可實現(xiàn)對多種規(guī)格圍欄焊接的精確定位，焊接過程平穩(wěn)，并且實現(xiàn)了采用機(jī)器人進(jìn)行自動化焊接的功能。

關(guān)鍵詞：雙邊定位機(jī)構(gòu) 滑動機(jī)構(gòu) 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 多規(guī)格一體化焊接

中圖分類號：TH112.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（c）-0016-02

焊接是產(chǎn)品制造過程比較重要的環(huán)節(jié)，焊接的精度對產(chǎn)品的力學(xué)性能起決定性作用。

焊接工裝一般包括夾具、生產(chǎn)線、焊接設(shè)備和檢查設(shè)備等。其中夾具的定位和夾緊裝置對工件的焊接精度、焊接質(zhì)量和人機(jī)交互起決定性的作用[1]。

1 焊接現(xiàn)狀

在圍欄焊接中，以本公司為例，由于圍欄規(guī)格多樣，長度從0.5 m到2.5 m不等，手工焊接定位多變，難以控制焊接精度，工件如圖1所示。

由圖1可以看出：工件由一塊圍欄和兩塊端板組成，焊縫分布在兩端且曲線焊縫和直線焊縫交錯。工件橫截面形狀復(fù)雜，且規(guī)格較多，是實現(xiàn)焊接機(jī)器人自動化焊接的難點。工件由于較重移動吃力，雙邊定位使得自動化焊接不易實現(xiàn)。

人工焊接時，存在以下缺陷，工件的裝卸需要二人配合；兩端需要兩個操作人員同時焊接，搬運起來比較笨重，體力消耗比較大；人工焊縫的質(zhì)量難以達(dá)到機(jī)器人焊接的均勻飽滿；焊接廢氣容易危害到呼吸道。

焊接工裝的定位裝置，是保證工件裝夾在正確位置和焊接精度和質(zhì)量的重要組件。

夾具是用于對工件進(jìn)行定位和夾緊的設(shè)備，因此選擇合適夾具數(shù)量和正確的位置，對工件的實現(xiàn)正確定位和約束具有十分重要的作用[2]。

2 焊接定位

目前，夾具設(shè)計和定位基準(zhǔn)方面已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的原理和方法，如封閉性理論和螺旋理論等[3]。這些理論采用運動學(xué)和動力學(xué)等分析夾具的靜態(tài)精度和動態(tài)精度的相關(guān)問題。焊接工裝以最小化關(guān)鍵部位的變形為目的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并開發(fā)相應(yīng)的自動焊接系統(tǒng)等。

2.1 雙邊定位

由于圍欄焊接件產(chǎn)品規(guī)格較多，長度不定。定位時，我們采取一邊固定，另外一邊可以自由滑動的定位裝置，滑動圍欄端板定位裝置如圖2所示。

為了直觀，我們設(shè)計了圍欄端板定位裝置三維圖，如圖3所示。

定位采用平面基準(zhǔn)面作為主基準(zhǔn)面，輔助以曲面基準(zhǔn)面。工件放入工裝后，氣缸拖動端面夾緊移動板，將移動板與地板相應(yīng)的孔中心對正，一端帶螺紋的圓柱銷旋入固定。

定位塊輪廓線與圍欄輪廓線正好吻合，配合兩側(cè)的氣缸頂緊機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)角氣缸的壓緊機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)了工件的力閉合[4]。這樣的端板定位機(jī)構(gòu)每套翻轉(zhuǎn)支架各兩個，其中一個固定在翻轉(zhuǎn)支架上，另外一個在底板上來回滑動。

2.2 滑動定位

（1）氣缸壓緊工件。在機(jī)械定位基礎(chǔ)上采用轉(zhuǎn)角氣缸壓緊工件和頂緊氣缸的頂緊可以形成力閉合，使得工件定位精度大大提高。

（2）由于圍欄焊接件中圍欄的長度多樣，我們在底板按照不同的圍欄長度鉆孔攻絲了不同的螺紋孔，工件定位時，只需要將可以滑動的端板定位件置于相應(yīng)的位置，然后螺紋旋緊固定即可。

3 工作原理

3.1 機(jī)械部分組成

工裝的機(jī)械部分如圖4所示。

為了直觀，我們設(shè)計了圍欄端板定位裝置三維圖，如圖5所示。

由工裝總圖可以看出，定位夾具和輸送機(jī)構(gòu)是連接為一個整體的。雙邊定位夾具，一個固定在輸送機(jī)構(gòu)上，另外一個可以在輸送機(jī)構(gòu)上的底板上來回滑動。下翻轉(zhuǎn)支架的起升，采用剪叉式起升，氣缸頂起。

3.2 機(jī)械部分動作過程

兩翻轉(zhuǎn)支架工裝間的動作：上面的A工裝做來回往復(fù)運動，下面的B工裝可實現(xiàn)來回往復(fù)運動和上下升降運動。齒輪帶動齒條進(jìn)行運動，進(jìn)而實現(xiàn)工裝的翻轉(zhuǎn)動作。

A工裝的焊接動作過程：在操作臺裝卸區(qū)放入工件并定位，裝夾固定后，運動至焊接區(qū)，到位后焊接機(jī)器人開始焊接，A、B兩套工裝上工件的焊接均包括正面焊接和反面焊接兩個部分。

B工裝的焊接動作過程：待A工裝運動至焊接區(qū)并開始焊接后，B工裝運動至裝卸區(qū)，上升至與A工裝齊平的位置，放入工件并定位壓緊，裝夾固定后，B工裝下降至底部，等待A工裝焊接完成。

A、B兩工裝間的配合過程：A工裝上的工件焊接完畢后，氣缸帶動A工裝回退至裝卸區(qū)，同時B工裝也會運動到焊接區(qū)并上升至焊接位置，到位后開始焊接；這時人工卸載A工裝上焊接完成的工件，并裝入新的待焊接件。B工裝上的工件焊接完畢后，工裝下降至底部，然后回退至裝卸區(qū)，待A工裝平移至焊接機(jī)械手一側(cè)后，B工裝再上升至與A工裝齊平穩(wěn)定后，人工卸載工件，至此完成一個工作循環(huán)。

對各主要承重件進(jìn)行Simulation-Xpress受力分析，其安全系數(shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)機(jī)械零件的許用安全系數(shù)要求值，從而保證了工裝的安全運行。

3.3 電氣控制過程

整個動作過程采用三菱PLC作為上位機(jī)控制，磁性開關(guān)將感應(yīng)到的信號和機(jī)器人里面的焊接程序的信號反饋給PLC，PLC根據(jù)提前輸入進(jìn)去的程序?qū)@些信號進(jìn)行運算處理，然后將處理獲得的電信號輸出給電磁閥和中間繼電器；電磁閥和中間繼電器依據(jù)PLC傳過來的電信號分別控制氣缸動作和焊接機(jī)器人動作。

提前輸入PLC里面的程序采用的是步進(jìn)順序控制，可以保證工裝動作按照工藝要求一步步順序進(jìn)行；除此之外，該程序還具備復(fù)位功能，當(dāng)工裝運動到中途位置，需要返回到初始狀態(tài)時，只需要按下復(fù)位鍵，工裝會自動回到初始狀態(tài)。該工裝的復(fù)位鍵是采取的組合鍵，即需要同時按下兩個按鈕才行，這樣可以預(yù)防操作者的誤按而導(dǎo)致的不必要的復(fù)位。

4 生產(chǎn)試驗結(jié)論

經(jīng)試驗驗證，與傳統(tǒng)焊接工藝裝備相比，該設(shè)備具有以下優(yōu)勢。

（1）工裝可以在直線導(dǎo)軌上來回滑動，實現(xiàn)了工裝在平面的運動功能，空壓升降實現(xiàn)了下翻轉(zhuǎn)支架的豎直運動。PLC編程配合人機(jī)交互，實現(xiàn)了工裝的自動往復(fù)和升級動作，實現(xiàn)焊接過程自動化。

（2）相對手工焊接，減少了人與焊接廢氣的接觸。

（3）傳感器檢測信號反饋機(jī)制，配合機(jī)械限位，雙層限位防護(hù)裝置，可以有效的防止夾具體與工裝之間的碰撞。

（4）自動控制與手動控制兩種方式同時存在，調(diào)試、教學(xué)更加方便，便于維護(hù)和檢測工裝的缺陷。

（5）工件的定位采用氣動進(jìn)行壓緊和頂緊，采用液壓對下翻轉(zhuǎn)支架進(jìn)行升降操作，配合電氣控制，機(jī)器人自動焊接。

（6）單人操作。一個人即可獨立完成上下料和工件的焊接操作，上下工件均采用氣動搬運助力臂，大大節(jié)省了操作者的體力。

（7）兩套工裝輪流作業(yè)，極大地提高了工裝的利用效率，減少了不必要的等待時間。

參考文獻(xiàn)

[1] 張姝，王濱，柏久陽，等.高精度焊接變位機(jī)定位系統(tǒng)設(shè)計[J].熱加工工藝，2012（3）：108-109.

[2] 王建，楊銀桂，姜劍宇.旋轉(zhuǎn)定位座焊機(jī)焊接頭設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2010（11）：107-108.

[3] 楊保海，劉慶.基于基準(zhǔn)統(tǒng)一的汽車傳動軸焊接工藝優(yōu)化設(shè)計[J].焊接技術(shù)，2014（12）：38-39.

[4] 劉宗佳.自動化焊接流水線研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2014（8）：29-30.endprint