模塊化焊裝翻轉臺的結構設計和分析

鄭 鋆，焦安源

(1.華晨寶馬汽車有限公司 設備工程部，遼寧 沈陽 110044；2.遼寧科技大學 應用技術學院，遼寧 鞍山 114051)

0 引言

通常白車身焊裝車間是整車廠自動化程度最高的區域，需要投入大量的資金，依靠眾多的機器人、工藝設備(焊槍、鉚槍等)和焊裝夾具實現批量化的白車身生產任務。當白車身車型換代時，大部分焊裝夾具會被拆除報廢，所以有必要依據模塊化的設計實現夾具重要部分的重新利舊。原則上僅需在原有設備的基礎上經少量零部件的制造和結構調整、更換就可滿足新車型[1]，且這種設計應消除因裝配不同模塊時產生的裝配誤差而導致設備使用性能降低或壽命減少等問題；同時在高產量的背景下應具備讓維修部門實現故障部件模塊化更換或維修的可能。基于傳統的設計思路，翻轉臺或變位機的設計采用整體設計，即未考慮將可以實現獨立功能的部件單獨設計。正因這種整體設計思路，設計出的變位機不具有可拆分性，不能利舊后重組適應新的產品；且在安裝調試這種大型的整體設備時，需要投入經驗豐富的調試人員和大量的時間來保證設備的回轉精度、降低轉臺的回轉阻。為了避免以上問題，本文提出了一種模塊化的翻轉臺設計。

1 模塊化設計

模塊化設計原則已被蔡業彬等多人總結，但基本原則是以獨立功能單元作為模塊，即對已分解的功能單元在結構上盡可能做到獨立化，這樣的模塊易于組合搭配，便于構成多種變形產品[2-5]。基于這一原則，本方案在設計時將翻轉臺劃分為五個獨立模塊單元，分別為驅動模塊、支撐模塊、轉鼓模塊、夾具模塊和配重模塊，如圖1所示。

圖1 模塊化焊裝翻轉臺結構

1.1 驅動模塊

驅動模塊是整套轉臺的核心部件，結構如圖2所示，包含回轉軸1、減速電機2、浮動板3、驅動端支撐軸承4和驅動端支架5。驅動模塊與轉鼓模塊6依靠銷子和支口定位，方便整體更換。

因白車身側圍外板件的尺寸在4 m～5 m之間，所以很難保證設備安裝時驅動側與從動側的兩個軸端具有很小的高度誤差，且與機器人配合時轉臺只需保證足夠的重復精度，所以轉臺設計時在驅動模塊和支撐模塊上采用調心滾子軸承，避免裝配誤差導致的雙支點旋轉不同軸問題。傳統的結構設計是將驅動電機固定在驅動端支架上，通過控制裝配誤差使驅動電機與驅動端軸承同軸，這樣設計就需要耗費現場的調試時間，且需要相應的設備檢測同軸度誤差，結果往往是可以減少不同軸的誤差，但不能根本消除誤差[6]，最終導致回轉軸的三支點現象，即兩軸承支承和電機端支撐。本文對電機采用浮動設計方法，浮動板結構如圖3所示，設計成由浮動板2來連接減速電機1，浮動板2與固定端支架用彈簧3連接，彈簧3僅提供電機1旋轉時的反向扭矩，并不強制限制減速電機2的位置，且可以適量的隨動。這樣從根本上保證了回轉軸的兩支點支撐。

1-回轉軸；2-減速電機；3-浮動板；4-調心輥子軸承；5-支架；6-轉鼓模塊圖2 驅動模塊

1-減速電機；2-浮動板；3-彈簧圖3 浮動板結構

1.2 支撐模塊

支撐模塊是整套系統的從動端，結構如圖4所示，它和轉鼓模塊5相連，內部包含調心滾子軸承1、從動軸2、從動端支架3和旋轉分配器4。依然考慮到回轉時的不同軸誤差，所以選用調心滾子軸承1，且支撐模塊軸承采用浮動設計，與驅動端軸承構成固定-浮動的軸端固定方式。同時考慮到線纜旋轉時的扭曲，配有旋轉分配器4對電纜和氣管進行分別轉接，旋轉分配器4的優勢在于可以實現360°的回轉。

1.3 轉鼓模塊

轉鼓模塊同時與驅動模塊和支撐模塊相連，并且承載夾具模塊和配重模塊，結構如圖5所示。轉鼓模塊需要具有足夠的剛性，且要保證輕量化，所以轉鼓模塊設計成鋼板拼焊的結構，即拼焊組件1，在設計上與夾具模塊的連接采用定位銷2定位，并加螺栓固定，保證后期夾具的可更換性。轉鼓模塊也可設計成雙面定位銷結構，這樣就可以實現兩套夾具同時安裝。

1.4 夾具模塊和配重模塊

夾具模塊是焊裝夾具的重要組成部分，配合轉鼓模塊設計成相應的定位孔結構，保證夾具的后期可更換性。配重模塊目的是將旋轉的質心調整到回轉軸，減少旋轉產生的力矩。配重模塊設計成若干個單板結構，可以根據實際情況增減配重板的數量，以達到所需目的。

1-調心滾子軸承；2-從動軸；3-從動端支架；4-旋轉分配器；5-轉鼓模塊圖4 支撐模塊

1-轉鼓拼焊組件；2-定位銷圖5 轉鼓模塊

2 減速電機的參數確定

依據《機械設計手冊》[7]，減速電機要在要求的運動速度下具有足夠的扭矩和匹配的慣量來保證整套系統啟動、翻轉和制動的可靠。對于減速電機的參數本文使用SolidWorks的Motion模塊進行仿真分析。因側圍外板夾具具有較大的質量m，在安裝到轉鼓模塊后會得到較大的轉動慣量J，所以為獲得最大的驅動扭矩來兼容其他白車身單件轉臺，選用最大的白車身單件夾具即側圍外板夾具進行仿真計算。首先確定速度要求，轉鼓要求在5 s內實現180°的旋轉，使用過渡階段采用五次擬合的step5函數規劃角位移，參考實際工作狀態，規劃的角位移如圖6所示。通過仿真計算可以得到相應的運動學參數，角速度、角加速度和猝動[8]如圖7所示。

圖6 角位移規劃

圖7 運動學參數

圖8 負載端扭矩、角位移與時間的關系

3 結論

本翻轉臺基于模塊化思想進行設計，充分考慮了因車型換代導致夾具更換的利舊可能。將整個系統設計成5個模塊，并通過SolidWorks的Motion模塊規劃了角位移得到相應的運動學參數，之后又進行了仿真計算，確定了減速電機的扭矩參數，最終完成整套模塊翻轉臺的設計。本模塊化翻轉臺的設計可以節省項目的成本，縮短夾具的生產時間，對設計人員進行柔性工裝的設計具有一定的參考意義。