水平回轉式機器人焊接工作系統(tǒng)的開發(fā)設計

丁剛強

廣西汽車集團柳州五菱汽車工業(yè)有限公司 廣西柳州 545007

1 序言

汽車工業(yè)中的鈑金工藝最重要的幾個步驟是：剪、沖/切、折/卷、焊接和表面處理。其中焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式連接合金或者其他熱塑性材料的制造工藝及技術。對于左右對稱的汽車鈑金類零件的焊接生產，為了減少焊接過程造成的零件變形，通常需要合理規(guī)劃焊接工藝流程。常規(guī)的做法就是采用雙機器人工作站的形式，即兩個工業(yè)機器人帶動弧焊焊槍左右同步進行焊接，工藝路線就是從兩端向中間或從中間向兩端進行焊接[1，2]。

常規(guī)方式為機器人單獨固定在3軸變位機旋轉區(qū)域外，3軸變位機的旋轉半徑是一定的，導致整個機器人工作站的占地面積較大，限制了焊接系統(tǒng)在較小空間環(huán)境的應用。另外，自動清槍器也需要安裝在3軸變位機之外，同樣導致整個機器人工作站的占地面積較大。因此，如何盡量降低焊接設備對于空間的占據(jù)，是本領域內技術人員亟待解決的技術問題。

2 結構設計

針對此問題，開發(fā)設計了一種類型的機器人焊接工作系統(tǒng)，其機器人的固定座安裝于回轉構架，機器人焊接系統(tǒng)工作時，操作人員可以先在裝卸件區(qū)將焊接工件安裝于夾持機構，然后回轉構架帶動夾持機構也回轉直至焊接工件處于焊接工作區(qū)（本文優(yōu)選回轉構架的回轉角度為180°），與此同時安裝于底座上的機器人也一同回轉，當焊接工件回轉至焊接工作區(qū)后，可以控制機器人的機械臂運動至焊接初始位置，然后再根據(jù)預先規(guī)劃的路徑進行焊接作業(yè)；機器人設置于回轉構架上，機器人的回轉區(qū)域與回轉構架的部分回轉區(qū)域是相互重合的，這樣大大節(jié)省了整個機器人焊接系統(tǒng)的占地空間，有利于該系統(tǒng)布置于空間較小的環(huán)境，如圖1所示。

圖1 機器人焊接系統(tǒng)的結構

機器人焊接系統(tǒng)包括底座、回轉構架和驅動機構。回轉構架支撐于底座，在驅動機構的作用下，回轉構架可繞豎直軸相對底座回轉。回轉構架上至少設置有兩組夾持機構，每一組夾持機構均能夠夾持固定被焊工件，各夾持機構可隨回轉構架往復運動于裝卸件區(qū)和焊接工作區(qū)，包括至少一個用于安裝焊槍的機器人，機器人的固定座安裝于回轉構架，機器人具有至少兩節(jié)機械臂，第一節(jié)機械臂的根部安裝于固定座，末節(jié)機械臂的頂端用于安裝焊槍。

回轉構架為工字型結構，包括兩個縱臂和一個橫臂，橫臂連接于兩縱臂的中間位置，橫臂與底座回轉連接，兩縱臂同側的相對端部安裝有一組夾持機構。夾持機構包括主動變位機和從動變位機，二者相對安裝于兩縱臂的同一側端部，主動變位機和從動變位機配合夾緊焊接工件，并且從動變位機可隨主動變位機同步動作。

工作站還包括自動清槍器、輔助防護板、擋板。

自動清槍器也安裝于回轉構架上。機器人的數(shù)量為兩個，且對稱布置于回轉構架的橫臂。當處于非工作狀態(tài)時，兩機器人的機械臂關于二者之間的中心縱平面對稱。每一個機器人對應一個弧形防護板，其凹陷弧壁朝向機器人，當處于非工作狀態(tài)時，弧形防護板布置于兩機器人之間，當焊接工作時，弧形防護板隨機器人一起轉動至靠近裝卸件區(qū)一側。機器人的固定座可圍繞豎直軸線相對回轉構架轉動，弧形防護板固定于相應固定座，當固定座處于第一工作位置時，弧形防護板處于兩機器人之間，當固定座轉動90°到第二工作位置時，弧形防護板處于靠近裝卸件區(qū)一側。

固定于回轉構架的兩個輔助防護板分別位于機器人與裝卸件區(qū)、機器人與焊接工作區(qū)；輔助防護板的中部設置有開口向上的缺口，當焊接工作時，弧形防護板轉動至缺口相對位置以至少遮擋缺口的大部分空間。弧形防護板的內外表面均為倒錐筒結構，輔助防護板的凹陷部為倒梯形開口，當焊接工件時，倒錐筒結構的外側壁與倒梯形開口的側壁重合或者倒錐筒結構的外側壁處于倒梯形開口的外側。

固定于回轉構架上的擋板位于兩弧形防護板之間，擋板的兩側壁與兩側弧形防護板的外表面相匹配，以遮擋兩弧形防護板二者之間形成的空隙。

回轉構架上至少設置兩組夾持機構，每一組夾持機構均能夠夾持固定焊接工件，各夾持機構隨回轉構架往復運動于裝卸件區(qū)和焊接工作區(qū)。這樣夾持機構可以隨構架自裝卸件區(qū)轉動至焊接工作區(qū)進行焊接，也可以自焊接工作區(qū)轉動至裝卸件區(qū)，這樣操作人員可以在裝卸件區(qū)將焊接工件安裝或者拆卸于夾持機構，焊接工件在焊接工作區(qū)被焊接（見圖2）。

圖2 機器人轉動至焊接工作區(qū)的狀態(tài)

在具體的實施方式中，機器人的數(shù)量為兩個，分別定義為第一機器人和第二機器人。兩個機器人對稱布置于回轉構架的橫臂，并且當處于非焊接工作狀態(tài)時，兩個機器人的機械臂關于二者之間的中心縱平面對稱布置。當回轉構架轉動到位后，再控制機器人的機械臂轉動至初始焊接位置，以進行焊接工作。

機械臂對稱布置可以適當平衡兩機器人對于回轉底座的扭轉力，有利于機構穩(wěn)定性。

每一個機器人可以對應一個弧形防護板，弧形防護板的凹陷弧壁朝向機器人，即機器人設置于弧形防護板的凹陷側。對于兩個機器人而言，弧形防護板相應包括第一弧形防護板和第二弧形防護板。當處于非工作狀態(tài)時，弧形防護板布置于兩個機器人之間，當焊接工作時，弧形防護板轉動至靠近裝卸件區(qū)一側。弧形防護板相對回轉構架是可移動連接的，弧形防護板可以隨回轉構架一同轉動，當回轉構架運動至焊接工位，未進行焊接前，弧形防護板可以轉動至靠近裝卸件區(qū)的一側，起到防護作用，雖然弧形防護板的回轉半徑較小，但防護面積大。機器人的固定座可圍繞豎直軸線相對回轉構架轉動，弧形防護板固定于相應固定座，當固定座處于第一工作位置時，弧形防護板處于兩機器人之間，當固定座轉動90°至第二工作位置時，弧形防護板處于靠近裝卸件區(qū)一側。機器人與弧形防護板安裝于同一固定座，當構架先轉動至預定位置時，機器人的固定座再帶動機器人和弧形防護板一同轉動90°，此時弧形防護板轉動至靠近裝卸件區(qū)一側，以保護位于裝卸件區(qū)的操作人員。

機器人焊接系統(tǒng)還可以包括固定于回轉構架的兩個輔助防護板，分別位于機器人與裝卸件區(qū)、機器人與焊接工作區(qū)，如圖3～圖5所示。輔助防護板的中部設置有開口向上的缺口，當焊接工作時，弧形防護板轉動至缺口相對位置以至少遮擋缺口的大部分空間，即說兩弧形防護板與相應輔助防護板共同形成防護板。輔助防護板中間具有缺口，通常缺口可以根據(jù)機器人工作便于焊接作業(yè)而定，避免輔助防護板與機器人機械臂干涉。為了盡量降低兩弧形防護板之間的空隙，還可以在回轉構架上設置擋板，擋板的兩側壁與兩側弧形防護板的外表面相匹配，以遮擋兩弧形防護板二者之間形成的空隙。擋板位置設置不能妨礙兩弧形防護板的回轉，盡量與兩弧形防護板的外側壁貼合配合。另外，擋板的高度可以根據(jù)實際情況設定，大致與弧形防護板同高或者略低于弧形防護板。弧形防護板的內外表面均為倒錐筒結構，輔助防護板的凹陷部為倒梯形開口，當焊接工作時，倒錐筒結構的外側壁與倒梯形開口的側壁重合或者倒錐筒結構的外側壁處于倒梯形開口的外側。此處倒梯形開口的外側是相對靠近輔助防護板的長度延伸的方向，也就是說橫臂延伸方向的外側。

圖3 機器人焊接工作系統(tǒng)的左視圖

圖4 機器人焊接工作系統(tǒng)仿真（初始位置）

圖5 機器人焊接工作系統(tǒng)仿真（工作位置）

自動清槍器可以分別安裝于兩輔助防護板上，自動清槍器可以安裝于輔助防護板的外側壁。通常自動清槍器的數(shù)量可以為兩個，分別定義為第一自動清槍器和第二自動清槍器。

該機器人焊接系統(tǒng)的其他結構可以參考現(xiàn)有技術，本文不作具體介紹。

3 結束語

該形式的焊接機器人系統(tǒng)解決了如何盡量降低焊接設備對于空間的占據(jù)問題，對多工序、多工作站的汽車產品的生產優(yōu)勢更加明顯，為廣大工程技術人員提供了一個工藝布局優(yōu)化的拓展思路。