适用多种桥壳焊接的三轴翻转变位机设计与应用

李素萍

摘要：焊接变位机是焊接机器人工作站的重要组成部分，以多种桥壳产品焊接项目为例，概述三轴翻转变位机在机器人焊接工作站中的典型设计思路和应用实例，包括三轴翻转变位机的主要结构设计、技术参数和工作原理。重点分析三轴翻轉变位机的工作原理与功能实现。经实践证明，此三轴翻转变位机焊接效果好，自动化程度高，人工操作灵活方便，确保了桥壳焊接质量并满足了焊接要求，对后续项目具有重要的借鉴价值。

关键词：机器人焊接工作站;三轴翻转变位机;设计思路;结构分析;技术参数

中图分类号：TG409      文献标志码：B         文章编号：1001-2003（2021）05-0013-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.03

0    前言

为了提高生产效率和产品质量、降低生产成本，机器人大量应用于生产现场。为充分发挥机器人的功效，其通常与各种焊接变位机组合使用，实现高效、优质的焊接生产。目前，焊接变位机已成为焊接机器人工作站不可缺少的组成部分。如何优化变位机结构设计和实现多功能，是焊接工作站优化的一个重要方向。

1 三轴翻转变位机设计思路

机器人桥壳焊接系统工作站可实现多种汽车桥壳产品的共线机器人自动焊接，由机器人、三轴翻转变位机、上下料设备、PLC控制柜、机器人控制柜、焊机、公共底座、安全栏等组成[1]，如图1、图2所示。

焊接产品是桥壳的垫压板、减震器支架和附件，满足桥壳产品长度尺寸范围：1 400～2 300 mm （桥壳单侧长度700～1 150 mm）。换产要求：单人换产时间≤5 min，换产内容为卡盘夹爪。加工节拍 ≤360 s/件（不含上、下料时间）。正常生产过程中工装定位的重复定位精度≤0.15 mm。翻转机构到位后有定位机构，保证正常生产过程的定位精度小于0.2 mm。三轴翻转变位机是保证定位精度的核心部件，主要设计思路如下[2-3]：

三轴翻转变位机由伺服电机和RV减速机驱动控制，第一轴的翻转实现夹具A/B侧的换位，使两个夹具在机器人作业工位和人工工位之间切换，两套工装夹具的工作顺序是A侧机器人焊接的同时B侧是人工装件。第二轴/第三轴的自身翻转实现夹具自动翻转，满足工件焊接要求。

变位机第二轴/第三轴的主动单元设计带气动卡盘，夹住工件轴头位置，卡盘夹紧力大，能够夹持一端加工过的轴，工件不会发生相对滑动。卡盘直径行程14 mm，不同直径规格的轴头，需更换卡盘上面的定位块，以适应多种不同轴头直径的桥壳产品。焊后取件依靠伺服电机驱动梯形丝杠，自动退位远离工件，工件自动放置在上下料装置。从动单元采用气缸推动顶尖定位工件轴心位置，同时顶尖自身能够旋转，满足工件回转要求，跟随主动单元回转，实现工件焊接功能要求。不同长度工件换产时，依靠人工转动摇轮调整，插销定位[1]。主动单元和从动单元均采用滑轨前后移动，采用拖链来布置线缆与气路，实现多种长度不同的桥壳生产。此三轴翻转变位机的设计结构提高了整个工作站的工作效率。

2 三轴翻转变位机结构设计与功能实现

三轴翻转变位机结构主要由6大部分组成，分别是首箱、尾箱、旋转机架、驱动单元、从动单元、底座（可设计独立底座，也可放置在工作站公共底座上）。结构形式如图3所示。

2.1 技术参数确定

根据三轴翻转变位机的主要技术性能和控制系统要求，变位机伺服电机与焊接机器人伺服选用相同的品牌，为YASKAWA机器人。依据经验初步选定常用外部轴伺服电机和RV减速机。第一轴选用3.7 kW驱动伺服电机和减速机，第二轴/第三轴选用1.3 kW驱动伺服电机，然后计算变位机承载能力。

以第二轴/第三轴为例，电机额定输出扭矩8.34 N·m，减速比156.78，故组合输出额定扭矩为：

T=8.34×156.78×0.95=1 242.2 N·m。又因减速机额

定输出扭矩1 111 N·m<1 242.2 N·m，所以额定输出

扭矩为1 111 N·m。按照相同原理设计变位机的许用转动惯量和额定输出转速。

三轴翻转变位机技术参数如表1、表2所示。

2.2 驱动单元结构设计

夹紧工件采用气动卡盘结构，气动卡盘连杆与气缸杆浮动连接。卡盘需要0～360°旋转，气动卡盘连杆外加轴承可实现旋转功能，气动卡盘后侧设计齿轮与伺服电机减速机输出齿轮啮合，实现工件自动回转功能，工件焊接完成后，上下料装置顶升到位，气动卡盘松开，伺服电机带动梯形丝杠后撤，定位的卡爪脱离工件，上下料装置运送焊后工件到工作站外，取件。驱动单元结构设计如图4所示。

2.3 从动单元结构设计

从动单元结构组件中选用自制生产的顶尖，长行程气缸推进顶尖夹紧工件到位后，随驱动单元气动卡盘夹紧工件，并带动工件一起旋转。顶尖座后侧与气缸浮动连接，外侧加轴承实现旋转。既实现了顶尖的前进与后退功能，又实现了顶尖的旋转功能[4]。为满足生产工件长度不一致的要求，换产时，依靠人工手动转动手轮，带动丝杠调整到合适位置后，手动插销锁住固定到位。

从动单元结构设计如图5所示。

3 三轴变位机的应用效果

三轴翻转变位机满足客户生产节拍要求，第二、三轴翻转180°用时3～3.5 s，第一轴翻转180°用时8.5～9 s。重复定位精度±0.1 mm，每个轴的动作范围±180°。此焊接工作站依托三轴翻转变位机的帮助实现了自动化操作，满足设计和使用要求，设备操作安全方便，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率。工件上料后，一键式全自动焊接，大大降低了操作难度，为企业创造了良好的经济效益[5]。

4 结论

安川首钢公司首次为适用多种桥壳产品焊接研发了一种三轴变位机，其重复定位精度高，充分保证焊接产品质量。易操作，自动上下料，性能安全可靠，较大程度上节约了人力劳动。为机器人焊接工作站工程提供强有力的保证。

参考文献：

成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

许文清. 机器人焊接系统中变位机的设计[J]. 焊接设备与材料，2004，33（3）：44-45.

周明远，李英伟，杨永家.管道筒体对接环缝全自动焊接设备设计与应用，[J].电焊机，2020，50（12）：43-47.

李洪.实用机床设计手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.

葛福华，李详忠，朱峰.大型构件焊接变位机的设计与应用[J].电焊机，2003，33（11）：38-39.