針對兩工件焊接的變位機結構設計與分析

（中國天楹股份有限公司，江蘇 南通 226600）

0 前言

焊接變位機是用來拖動待焊工件使其待焊焊縫運動至理想位置并保持最佳焊接位置，配合焊接機器人進行施焊作業的機械設備[1]，焊接變位機可保證焊接質量，提高焊接生產率和生產過程的安全性，改善工人作業條件。雖然相對國外的發展，焊接變位機在國內起步較晚，但焊接結構產品在機械中占有很大比重，目前我國焊接變位機行業的發展空間還很大[2-3]，焊接變位機作為焊接機器人工作站中不可缺少的組成部分，其設計研究是縮短焊接周期、促進制造業發展的重要手段[4]。

焊接變位機按其結構形式主要分為：①伸臂式焊接變位機，適用于輕小焊件的翻轉變位，負載小于1 t；②座式焊接變位機，應用最為廣泛，負載范圍廣，為1～50 t；③雙座式焊接變位機，穩定性高，適用于大型和重型工件的翻轉變位，負載大于50 t。

典型焊接變位機的結構簡圖如圖1所示[1，5]。目前變位機大多實現一種工件的焊接變位，隨著現代工業的迅猛發展，對變位機的要求相應提高，傳統結構單一的變位機已無法滿足市場需求，例如：當需要兩個工件組合焊接時，傳統的變位機需要另外一臺焊接變位機進行配合變位，導致焊接成本提高、焊接效率降低。本研究提出了一種新型旋轉切換工位焊接專用變位機，不僅可以將兩種工件夾裝為整體，實現兩個工件的拼裝焊接、兩工件同步旋轉變位，還能實現某個工件的單獨旋轉變位，便于焊接機器人自動化焊接，有效提高生產效率和產能，實現規模化生產。

圖1 典型焊接變位機的結構形式Fig.1 Structure of the typical welding positioner

1 兩工件焊接變位機的目標工件及設計要求

1.1 目標工件

針對焊接工件設計的變位機，目標工件即待焊接工件為圓管與多耳板組件的組拼焊接；且設計目標是要解決當前多數焊接變位機無法實現對兩工件進行拼裝焊接的問題。因此，設計的新型變位機有A、B兩個焊接工位，當焊接機器人對某一工位進行焊接作業時，另一工位可同時進行工件的上下件裝夾工作，兩個工位的焊接與裝夾工作互不影響。

1.2 設計要求

從焊接工件的焊接質量要求來看，圓管耳板處的焊接熱量較大，變形量較大；但是從工件的使用角度來看，圓管的焊接變形不會影響此工件的后期使用，所以技術文件圖紙未對整體焊接變形有硬性要求，只是對圓管上的耳板間距作了公差與平行度的要求（見圖2），控制圓管上的焊接耳板之間的間距以及耳板上孔位的平行度即能滿足此工件的使用要求。因此，工裝夾具主要是控制耳板之間的間距以及耳板孔位上的平行度，對于整體的焊接變形，只能通過機器人的跳焊或者間斷焊接的焊接工藝使工件整體均勻受熱，從而減少焊接變形量。

2 新型焊接變位機的結構組成

為完成兩工件獨立或同步的旋轉變位的要求，可用于兩種工件旋轉變位的焊接變位機結構主要由以下部分組成：并排設置的焊接夾裝機構A和B、轉動基座、固定基座、傳動機構、驅動機構，如圖3所示。其中焊接夾裝機構兩端設置有固定基座，固定基座通過軸承座安裝轉動基座，焊接夾裝機構A和焊接夾裝機構B的兩端分別通過另一軸承座安裝在轉動基座上，其中一端的轉動基座上安裝有驅動焊接夾裝機構A的驅動機構A，以及驅動焊接夾裝機構B的驅動機構B，固定基座上安裝有同步驅動機構使得對應轉動基座轉動，從而實現兩工件的同步變位。

2.1 焊接夾裝機構

工位旋轉切換焊接專用變位機的主要特點之一是能實現兩個工件的焊接變位，因此該焊接專用變位機有兩個并排設置的焊接夾裝機構A和焊接夾裝機構B（見圖3）。焊接夾裝機構A用于將圓管A（即加工件）、布置在圓管A一側的多耳板組以及圓管A另一側的多側板組件拼裝為一體。焊接夾裝機構B除上述部分外，還需對連接在側條板與圓管B之間的筋板進行拼裝。

2.1.1 焊接夾裝機構的組成

圖2 技術文件圖紙Fig.2 Technical document drawings

圖3 焊接變位機三維模型Fig.3 3D model of welding positioner

兩焊接夾裝機構各包括一個夾裝平臺，圖4為焊接夾裝機構A的夾裝平臺。夾裝平臺上均勻分布支撐座，支撐座上設置V型開口用于支撐圓管，沿圓管長度方向安裝強力壓緊氣缸以壓緊圓管，在夾裝平臺的一側有用于安裝耳板組的耳板夾裝裝置，另一側有側板組件的夾裝機構，在每個焊接夾裝平臺的一端都設置有端部限位座，它可以間隔分布多個以適應不同長度的圓管，較為靈活，焊接夾裝結構A的三維模型如圖5所示。

焊接夾裝機構B的夾裝平臺如圖6所示，焊接夾裝機構B整體三維模型如圖7所示。由圖可知，焊接夾裝機構B除上述與焊接夾裝機構A相同的部分外，耳板組一側緊貼圓管外壁，另一側均布多個第一支座以支撐筋板，以及多個第二支座以支撐側條板。第一支座上設置有臺階和第一肘夾，筋板支撐在第一支座的臺階面上，并通過肘夾夾緊，筋板內側設置有緊密貼合在圓管外壁上的圓弧面，第二支座上設置臺階，側條板支撐在第二支座的臺階面上，并通過強力壓緊氣缸與筋板的外側面緊密貼合。

圖4 夾裝平臺A三維模型Fig.4 3D model of clamping plantform A

圖5 焊接夾裝機構A三維模型Fig.5 3D model of clamping mechanism A

焊接夾裝機構夾具部分的主要特點是圓管與多耳板組專用夾具的自主設計。

圖6 夾裝平臺B三維模型Fig.6 3D model of clamping plantform B

圖7 焊接夾裝機構B三維模型Fig.7 3D model of clamping mechanism B

2.1.2 圓管與多耳板組專用夾具

圓管多耳板組專用夾具包括圓管、多耳板組件及其夾裝裝置、側板組件及其夾裝裝置。

耳板由耳板夾裝裝置夾裝，可保證耳板焊接面與圓管緊密結合。耳板夾裝裝置三維模型及剖面圖如圖8所示，包括左、右連接板、安裝底板、空腔、滑動座、氣缸、銷軸、夾板、擋板、夾裝在耳板的耳孔內的圓盤等部分。其中夾板與連接板之間的圓盤夾裝在耳板的耳孔內，實現對耳板的夾裝。

側板的夾裝由側板夾裝裝置完成，側板組件夾裝機構如圖9所示，第一肘夾可將側板組件壓緊貼合在圓管上，側板組件夾裝機構在焊接變位夾裝機構中的位置如圖10所示。側板組件夾裝機構可實現側板組件的高效、精準拼裝，顯著提高生產效率。

2.2 驅動機構與轉動基座

工位旋轉切換焊接專用變位機可以實現兩個工件的同步變位和工件的單獨變位，因此，該變位機共有傳動機構和三套驅動：同步驅動機構實現兩工件的同步工位變換、驅動機構A實現焊接夾裝機構A的單獨變位、驅動機構B實現焊接夾裝機構B 的單獨變位。傳動機構皆通過傳動軸完成傳動，傳動軸的定位由定位銷完成。

圖8 耳板夾裝裝置Fig.8 Ear plate clamping mechanism

圖9 側板組件夾裝機構Fig.9 Side plate components clamping mechanism

圖10 側板組件夾裝機構模型Fig.10 3D model of side plate components clamping mechanism

轉動基座皆通過軸與安裝在固定基座中部上的帶座軸承連接，該軸通過固定基座一端與驅動機構連接，可以通過同步電機驅動完成兩工件的同步變位調節。在轉動基座的一端有另一帶座軸承，通過傳動軸機構與焊接夾裝機構連接，通過驅動機構A、B的電機驅動可以實現工件的獨立變位，具體結構如圖11所示。

圖11 驅動及傳動機構Fig.11 Driving and transmission mechanism

3 工件夾裝與旋轉變位的功能實現

工件夾裝的實現過程如下：將圓管吊裝在支撐座V型開口上，端部抵靠端部限位座，壓緊氣缸將圓管緊壓在V型開口上；安裝耳板于耳板夾裝裝置，并將其焊接面緊貼圓管外壁，通過氣缸夾緊耳板；安裝側板于側板夾裝裝置，通過肘夾將側板組件壓緊，緊貼圓管。

旋轉變位實現如下：兩工件的同步調節通過與固定基座連接的同步驅動機構完成；兩工件單獨的角度調節分別通過驅動機構A、B完成，單獨變位時兩工件之間相互獨立，不會相互影響。

4 SolidWorks有限元分析

進行有限元分析前，應遵循簡化與等效原則簡化為利于有限元分析的變位機模型[6]。由于變位機的主要受力在于夾具焊接夾裝機構，因此使用有限元分析軟件組宏對夾具焊接夾裝機構A、B主框架進行應力及形變分析，分析時將刪除變位機的電機等零部件以及螺栓、倒角等微小特征。

有限元分析結果如圖12所示。焊接夾裝機構主框架圖的最大應力位于中間部分，為1.704 Pa，最大形變量也在中間部分，為2.884 mm。滿足設計之初根據焊接件自身撓度所確定的焊接夾具的變形量小于3 mm的要求。

5 試驗

圖12 焊接夾裝機構有限元分析Fig.12 Finite element analysis of clamping mechanism

根據上文所述可知，焊接質量要求中對耳板間距作了公差與平行度的要求（為0.5 mm），因此焊接夾裝機構的變形可能會對耳板的間距及平行度造成影響；若只是針對圓管與耳板的焊接，客戶對整體焊接后的變形沒有硬性要求。原計劃焊接完成圓管耳板組件后用油壓機對整體進行校平，但經試驗發現，焊接后的耳板圓管與幾個墻板整體組焊后較為平整且能滿足使用要求。其主要原因是：圓管與墻板的焊接位置都在耳板的相反側，再加上幾個墻板的加強連接作用，反而將彎由變形的圓管焊直了。

圖13a為現場投入實際生產的焊接變位機；對于加工工件的質量要求主要是耳板間距的公差和平行度要求，對實際加工出的工件進行測量（見圖13b）滿足要求；圖13c為批量生產出的圓管焊接件。

6 結論

通過有限元分析及試驗研究可知，設計的新型焊接專用變位機加工出的工件滿足使用要求，焊接夾裝機構A和B可以實現對兩組不同工件的精準、可靠定位，三臺驅動機構與轉動副的配合使用，可達到兩工件互不影響、獨立變位以及兩工件同步變位的目標，便于實現自動化、高效焊接。此外，從現場投入應用的焊接變位機可以看出，兩夾裝機構之間設置有連接在轉動基座上的擋板，該擋板可用于遮擋弧光，防止焊接弧光對人體的危害，提高焊接過程的安全性。

圖13 現場照片Fig.13 Production site