焊接變位機關鍵參數的校核及設計

廖小吉，樊啟永

（1.唐山工業職業技術學院,河北唐山063020；2.唐山松下產業機器有限公司，河北唐山063020）

焊接變位機關鍵參數的校核及設計

廖小吉1，樊啟永2

（1.唐山工業職業技術學院,河北唐山063020；2.唐山松下產業機器有限公司，河北唐山063020）

以理論計算為基礎，結合實際工廠中使用的經驗數據，并借助現代的設計工具，分析校核了焊接變位機設計中的幾個關鍵參數，詳細論述了焊接變位機的設計方法。以焊接行業常用的典型非標變位機為例，概述其設計流程，分析計算其幾個關鍵的設計參數諸如負載率相關的扭矩、轉動慣量、慣性扭矩等以及強度相關的應力、應變等，并基于實際使用經驗總結出一套科學實用的焊接變位機設計方法和理念。

焊接變位機；負載率；轉動慣量；慣性扭矩；ANSYS

0　前言

焊接變位機作為一種焊接輔助設備，是一套完整的焊接系統中除了焊接機器人部件外的重要組成部分。變位機除了少數以標準品形式出現外，大多為非標設備，其結構類型也呈多樣化存在。但無論基于何種方式進行的分類結構，如單持單軸、單持雙軸、雙持單軸、雙持雙軸以及L型、U型等結構，其基本結構構成存在一致性，同樣，各關鍵參數的設計校核也一致。此外，合理的設計方法在變位機的設計過程中也應給與高度重視，設計合理是保證設計質量、提升設計速度、避免和減少設計失誤和浪費的基礎，某種程度上直接決定著設計的成敗。

1　焊接變位機

國內焊接變位機已經不再是一個年輕的產品，但對其并沒有一個標準的定義，結合多年的理論研究及實踐應用，對其做如下概述：在一個焊接系統中，用于裝夾工件并帶動工件翻轉變位，將工件上的各道焊縫位置轉動到最佳姿態來配合焊接機器人作業的設備。也就是說，把工件裝夾在一個設備上，進行施焊作業。焊件待焊焊縫的初始位置，可能處于空間任一方位，即使機器人可以多角度變位，但大多焊縫位置或姿態并不利于機器人焊接。通過回轉變位運動后，使任一方位的待焊焊縫，變為船形焊、平焊或角焊施焊作業，完成這個功能的設備稱焊接變位機。它改變了可能需要立焊、仰焊等難以保證焊接質量的施焊操作。提高了焊接質量、焊接生產率和生產過程的安全性。

一般說來，生產焊接機器人的廠家，大都生產機器人配套的焊接變位機，但以焊接變位機為主導產品的企業，并不多見。相對來說，焊接變位機在國外發展比較早，如德國的CLOOS、SEVERT、奧地利的IGM、日本的PANASONIC、美國的AROSON公司等，這些公司生產的焊接變位機形式多樣且承載從幾公斤到上千噸不等，比較成熟[1]。

相對來說，焊接變位機在國內起步較晚。20世紀80年代初期我國生產的焊接裝備大多是較簡單的焊接操作機、滾輪架、變位機、翻轉機和回轉平臺等，成套性較差、自動化程度低，只能算作機械化的焊接設備。經過多年的發展，目前焊接變位機已系列化生產，承載能力達上百噸的設備也較為常見，每年都有各種汽車、機車、工程機械部件焊接用大、中型單面回轉或雙面回轉翻轉機投運。現在我國生產焊接變位機的廠家也越來越多，已有一定規模。不管是民營國營企業還是合資企業，他們生產的變位機在國內占有較大市場。目前來看，國內焊接變位機的發展空間還很大，主要向精密化、大型化、功能多樣化、智能化和集成化方向發展[2]。

2　焊接變位機的設計計算

2.1設計流程

焊接變位機作為一種非標產品，其設計具有較大的靈活性，主要設計依據是焊接工件及焊縫的形狀特征信息，在設計過程中還需綜合考慮多方面的因素，如工件的焊接方法及其工藝規范等[3]。作為傳統的非標設備一般遵循的流程如圖1所示。

圖1　設計流程框圖Fig.1Design flow chart

此流程適用于大多非標設備的設計，但實際應用時不可能完全拘泥于此，這也是后續需要論證的設計方法問題。

2.2設計計算

圖2為一種典型的雙持雙軸變位機結構，本研究暫不考慮其水平回轉，只針對其垂直回轉進行設計計算，對其一些關鍵參數給與校核并闡述其設計過程，提出設計中的一些容易忽視的問題點。

圖2　典型焊接變位機結構Fig.2Structure of the typical welding positioner

此結構為一種典型的雙持雙軸變位機結構，伺服電機直連減速機，再通過二級齒輪減速機構，經由機架、軸承固定連接大回轉結構，整個回轉結構由M1～M7七部分組成，分別為配重1、2，托架3、4，工件5，水平回轉軸6及工作臺7。整個回轉結構借助三維設計軟件Pro/E完成造型，通過設定回轉中心坐標等操作，可自動計算生成整個回轉機構的質量屬性：總質量M=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7=6 586 kg，質心位置即偏心距L=0.054 m。

根據工件外形尺寸及質量，基于經驗選定電機、減速機型號并確定大小齒輪參數：

電機為3.5 kW伺服電機。

減速機為住友F2C系列F2C-T555-171（減速比i=171）。

大小齒輪為齒數比114∶62。

電機輸出額定扭矩

T1=Ti1i2=16.6×171×114/62=5 219 N·m

工作系統扭矩

T2=MLg=6 586×0.054×9.8＝3 485 N·m

負載率

η=T2/T1=3 485/5 219=67％

此負載率為變位機設計時的一個硬性參數，必須在許用范圍內。根據實際使用經驗，此值需要賦予一個安全系數，即并不是算出來的負載率在100％之內就滿足使用，一般而言，對于較小電機系統（2 kW以內），負載率一般不要超過70％，大些的電機（3.5 kW以上）可以適當提高，一般不超過100％。

變位結構設計中的另一個重要參數即慣性扭矩，除了系統運轉時所承受的額定扭矩外，系統在啟動和停止時，整個回轉機構的自身質量慣性會對電機、減速機等系統元件產生一個慣性沖擊，稱之為慣性扭矩或者慣性力矩。慣性扭矩是在系統設計時很容易被忽視的一個校核參數。此時，需要電機、減速機等系統主要元件在滿足負載率的前提下還要能承受系統的慣性扭矩，在此對電機進行校核：

系統額定扭矩

整個回轉機構轉動慣量

通過查閱相關參數表得到電機、減速機自身轉動慣量，通過計算得到大小齒輪自身轉動慣量，通過不同減速級換算到電機軸上的等價轉動慣量，加之計算得到的回轉機構轉動慣量，得出總的轉動慣量I，如表1所示。

表1　電機軸等價轉動慣量表Tab.1Equal moment of inertia table of motor shaft

角加速度

此處加速時間設定為0.5 s，在一些較大變位結構中此時間值可設置大一些，這樣可以降低系統對電機、減速機等元件的慣性沖擊。如在一些厚板變位結構中可以將啟動或停止時間設定為1 s，此設定在控制器中完成。

圖3展示了變位機在啟動-運轉-停止的整個過程中，系統電機速度、扭矩隨時間變化的情況。

圖3　變位機扭矩變化示意Fig.3Torque changes of the positioner

慣性扭矩

電機所承受最大扭矩

獲得的結論：系統的額定扭矩13.6 N·m≤電機額定扭矩16.6 N·m；系統的最大扭矩15.28 N·m≤電機最大扭矩50 N·m。滿足使用要求。

在校核電機承載力的過程中，除需要考慮回轉機構，即工件和夾具平臺的轉動慣量外，電機、減速機及大小齒輪等系統元件的轉動慣量也不容忽視。在計算實例中并未體現出系統慣性扭矩對電機承載能力有多大的影響，但節構稍加變動，將極大體現出慣性扭矩校核的重要性。

從表1可以看出，電機、減速機自身質量轉動慣量對電機扭矩影響占比較大，小齒輪之后包含小齒輪由于存在一個減速比平方的因子，而使轉換到電機軸上的轉動慣量都相對較小。假設一：如果改用一個自身質量慣量較大的減速機，如帝人RD系列減速機，其自身質量慣量將提升一個數量級，達到現在數值的10～20倍，慣性對系統的影響將會明顯加大；假設二，如果本結構采用的是電機直連齒輪結構再連接減速機，則齒輪結構對電機軸的等價轉動慣量將是一個很大的數值，慣性力矩變大，導致系統啟動或停止時電機的最大扭矩大幅提升，很有可能超出電機的最大扭矩值，可見慣性扭矩校核的重要性。

依據同樣的思路需要對減速機、軸承等關鍵件負載相關參數進行校核。

基于具體實例完整的論述了焊接變位機在設計過程中一些關鍵參數的設計計算過程，通過思路轉換強調了慣性扭矩校核的重要性，并結合實際經驗提出電機負載相關的安全系數參考值及變位機啟動停止時間的經驗值。

3　焊接變位機設計方法

3.1設計方法分類

各種機械從構思到產品化都要經過設計和制造兩個階段，機械設計是機械產品產生的重要步驟，合理的設計方法是保證設計質量、提升設計速度、避免和減少設計失誤的基礎。設計方法又可分為傳統設計和現代設計兩大類[4]：

傳統設計：以經驗為基礎，利用長期的設計實踐和理論計算而形成的經驗、公式、圖表、設計手冊等作為設計的依據，通過經驗公式近似系數或類比方法進行設計。

現代設計：是傳統設計的延伸和發展，并深入、豐富和完善，以滿足市場產品的質量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優為目的，以計算機輔助設計技術為主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術為手段，研究、改進、創造產品和工藝等活動過程所用到的技術和知識群體的總稱。

3.2設計方法論證

本研究提出和強調傳統與現代結合的設計理念，既不過渡摒棄傳統設計方法，也不過分依賴現代設計手段，而是將兩者有機結合，各取其長，達到最優組合效果。

以所選實例為例，首先基于工件信息，借助傳統使用經驗初步確定電機、減速機及軸承等關鍵部件規格型號，繼續勾勒出變位機連接大梁包含配重的大致外形，這些參數可在三維設計軟件中快速完成。之后基于傳統的理論計算對關鍵部件的主要參數進行計算校核，其過程中將會用到很多現代的設計方法，如變位結構的質量及重心位置等信息的快速計算將利用三維軟件（Pro/E）計算得到，連接梁的應力應變信息借助有限元分析軟件（ANSYS）得到，對這些信息進一步分析論證更換不合適的（過用或者不及的）選型部件，修改原設計模型，進一步優化設計[5]。

圖4為基于Pro/E計算出的整個回轉機構的質量信息，其重心位置數據是進行慣性矩校核的一個重要參數。

圖4　回轉機構重心的確定Fig.4Determine the center of?gravity of the slewing mechanism

圖5為基于有限元分析軟件ANSYS仿真計算得到的回轉大橫梁等效應力云圖，從云圖中可以很直觀的找到結構的薄弱位置，并進行結構的加強修正。從結果看，最大應力承受處位于橫梁中間最底部，本例應力值遠小于材料允許強度值，安全系數較高；圖6為總變形分析云圖，由圖6可知機構的變形情況，最大變形處位于橫梁中間最底部，其值0.85 mm為變位機承受一個工件時變形量，也是焊接示教時的狀態。當切換不同工件時，其再次變形量將小于0.85 mm，在常規的厚板焊接結構中，由于焊接時使用接觸傳感或電弧傳感，此值在許可范圍之內。

圖5　大橫梁等效應力云圖Fig.5Equivalent stress nephogram of the beam

基于實際經驗，通過理論計算，并結合三維設計軟件及有限元仿真軟件，將傳統與現代的設計方法有機結合到一起，取長補短，達到最優化設計。

圖6　大橫梁總變形云圖Fig.6Total deformation nephogram of the beam

4結論

分析了焊接變位機在設計過程中一些關鍵參數的設計計算過程，強調了慣性扭矩校核的重要性，并結合實際經驗提出電機負載相關的安全系數參考值及變位機啟動停止時間的經驗值。同時，提出和強調傳統與現代結合的設計理念，將理論知識、實際經驗、三維設計及有限元仿真等方法有機結合，取長補短，達到最優化設計。

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Key parameter's check and design of welding positioner

LIAO Xiaoji1，FAN Qiyong2
（1.College of Tangshan Industry Polytechnic，Tangshan 063020，China；2.Panasonic Welding Systems（Tangshan) Co.，Ltd.，Tangshan 063020，China）

Check the key parameters and prove the design methods of welding positioner based on theoretical calculation and rule of thumb date，also use the modern design tools.Take the typical non-standard welding positioner as examples，summarize the design flow，check the key parameters such as torque，moment of inertia，inertia torque and so on relevant to the load rate，also the stress，stain relevant to the rigidity.A set of scientific and practical welding positioner's design method and idea is summarized based on actual using experience.

welding positioner；load rate；moment of inertia；inertia torque；ANSYS

TG409

A

1001－2303（2016）03－0061-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.13

2015－07－16；

2015－08－16

廖小吉（1984—），女，江西新余人，碩士，主要從事現代制造及計算機輔助設計領域的研究工作。