沖壓自動焊接機械手設計

詹俊勇，王軍領，仲太生

（1.揚力集團股份有限公司 自動化處，江蘇 揚州 225127；2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016）

0 引言

近年來，無人化智能化沖壓生產線發展迅速。對于傳統的焊接工序來說，不僅生產節拍慢，焊接產生的光和有害氣體對操作者造成一定危害，使沖壓焊接行業招人越來越難，人工成本越來越高。基于此，設計一種自動化焊接系統，滿足沖壓自動焊接要求勢在必行。其中，最為關鍵和最難的一點就是設計一種自動焊接機械手來代替人工操作。本文針對焊接產品外形和焊接要求，設計出一種自動化焊接機械手，滿足凸焊機和螺母輸送機的自動化焊接動作需要[1-2]。

1 沖壓工件

自動焊接沖壓件，材質為碳鋼，重量達6kg，沖壓完成后需要對沖壓件進行螺母焊接，但由于產品為異形件，普通的吸盤吸附抓取和磁鐵吸附抓取，都不能保證搬運效率和穩定性，所以必須通過抓取產品才能實現焊接搬運[3]。

2 焊接機械手

2.1 工件抓取和定位

如圖1 所示，焊接機械手主要由工件1、接線箱2、三維浮動頭3、快換盤4、夾緊氣缸5、定位銷軸6、傳感器7 和存放定位銷軸8 組成。三維浮動頭用于焊接機械手將焊接工件平穩地放置到焊接機上，避免硬碰硬的接觸，保護設備，延長使用壽命。接線箱用于存放保護設備所用氣路和電路配件，防止被焊接火花損壞。快換盤固定在三維浮動頭的下面，可以對焊接機械手根據不同的產品進行快速更換。活動夾鉗由夾緊氣缸驅動夾緊焊接工件，將工件抓起，放入焊機中焊接，完成后將氣缸松開，工件靠重力自動掉落。存放定位銷軸可與快速存放庫配合，實現焊接機械手快速更換和存放。傳感器對焊接機械手上是否有料進行檢測，防止重復抓取或者未能抓取[4-5]。

圖1 焊接機械手結構圖

2.2 夾緊氣缸

夾緊采用焊接專用氣缸CKZT40-90T，氣缸動作通過電磁閥控制，通過參數表1 可知，氣缸夾緊力為1.2kN/0.1m。當夾鉗懸臂0.2m 長時其夾緊力為600N，可以夾緊60kg 工件，滿足設計要求[6]。氣缸參數如表1 所示。

表1 氣缸參數

2.3 機械手快換盤

機械手快換裝置的快換盤采用機器人側1 套，工具側2 套。快換盤參數如表2 所示，通過負載可知此款快換盤可以在懸臂1m 的位置，負載44.2kg 的重量，滿足設計要求。

表2 快換盤參數

2.4 浮動頭

焊接中需要壓緊工件和螺母，為了保證機械手的抓取是柔性而非剛性，要求機械手的結構是柔性連接，所以需要增加浮動頭功能，實現工件及抓手之間即無相對位移，又保證機械手和機器人之間是柔性連接，浮動頭型號為AGE-S-XYZ-160-0，通過型號表3 可知浮動頭在豎直和水平方向可以分別滿足60kg 和40kg 的負載，滿足設計要求。

表3 浮動頭參數

2.5 控制接口和定義說明

為了滿足自動化沖壓整線協調的需要，機器人和總線模塊通訊定義如表4 所示。同時焊接機械手和機器人之間必須做絕緣處理，防止極大的焊接電流通過焊接機械手傳遞給焊接機器人，造成機器人控制主板和電路的損壞[7]。

表4 接口號及其定義

3 焊接機械手自動存放

3.1 機械手存放庫

焊機機械手主要通過兩個銷軸定位在自動快換存放庫上，其中一個銷軸完全約束，另一個銷軸對應輔助定位座在X 方向上為腰型銷孔，使輔助銷軸可以存在位移，防止焊接機械手固定時因過定位卡死。銷軸直徑設計為?15mm，固定座的腰型槽長度為22mm，左右間隙總和通常為銷軸直徑的50%。焊接機械手通過自身重力G 將豎直方向固定約束在快換存放庫上，這樣就可以節省一套機械手存放自動鎖緊裝置，在保證快換效果的情況下，降低設備成本。同時銷軸孔提供給焊接機械手一個F1的反作用力，輔助托架承擔了焊接機械手一部分重量，同時提供給焊接機械手一個大小相等的F2反作用力，用于平衡焊接機械手的重量，使其平穩地放在焊接快換自動存放庫。如圖2 所示。

圖2 機械手存放定位

存放庫原理如圖3 所示。當焊接機械手放到快換庫并完成更換焊接機械手動作以后，旋轉氣缸會驅動防塵蓋板蓋住焊接機械手的快換盤，防止焊接灰渣掉落在快換盤上導致自動更換的故障。焊接機械手更換完成之后會有傳感器進行檢測反饋給系統，同時快換盤本體也有檢測開關，可以檢測快換盤是否吸合，保證快換動作的有序性和準確性[8-9]。

圖3 存放庫原理圖

3.2 機械手存放庫總線模塊

為滿足與總線的通訊，完成整個系統控制過程，機械手存放庫總線接口模塊接口號和定義說明如表5 所示[10]。

表5 總線模塊接口號和定義說明

4 結語

（1）根據自動化焊機焊接和螺母輸送空間動作要求，設計出了一種結構穩定的自動化沖壓焊接機械手，滿足了自動化沖壓焊接動作和質量要求。

（2）列出了焊接機械手及其自動化存放庫的總線模塊接口號和定義說明，方便與機器人等總線的自動化對接控制。

（3）設計了一種焊接機械手自動更換存放庫，可以根據不同產品快速更換和存放多套焊接機械手，減少換產時間，提高焊接機械手兼容性。