摘要：簡要介紹在摩托車車架焊接作業(yè)中使用工業(yè)機器人的技術(shù)。主要內(nèi)容有總體設(shè)計思想、焊接工作站的構(gòu)成、變位機和夾具體的結(jié)構(gòu)等。這種工作站對其它不同工件的焊接作業(yè)也有參考意義。
關(guān)鍵詞：機器人；焊接；摩托車

1前言

工業(yè)機器人不僅能提高生產(chǎn)效率，而且能大大提高產(chǎn)品質(zhì)量，因而在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。本文通過摩托車焊接的實例，介紹這種類型工作站的組成及主要技術(shù)。

摩托車車架是由一些散件焊接而成的。某些散件在前期的工序中已焊成某種形狀，在最后的車架總成焊接時作為一個零件對待，車架散件如圖1a所示。這些散件必須在夾具上能夠逐一定位并夾緊，而且夾具與夾具之間不能發(fā)生干涉，又要便于焊接。由此可知，車架用一次定位夾緊是相當困難的，應(yīng)當將其分塊作業(yè)。

圖1車架構(gòu)成及車架分解方案
(a)車架構(gòu)成示意圖(b)車架分解方案

另外，還要考慮到散件的預點焊，機器人的焊接速度，焊縫的焊接時間分配，起、收弧時間及夾具間和機器人與夾具間的作業(yè)干涉問題。經(jīng)過計算、作圖檢查和規(guī)劃之后，將作業(yè)內(nèi)容分為主管預點焊、主管完成焊、車架預點焊、車架完成焊四個工序，相應(yīng)地要設(shè)立四個機器人焊接工作站。

2總體布局

在制作總體方案之前，應(yīng)首先做三件事

(1)夾具體尺寸的估算。分析各散件的定位夾緊方案并留有一定的余地，估算出夾具體的外形及大小，必要時要用作圖法估算。

(2)確定變位機的基本形式。工件夾具體應(yīng)當能變換位置，使工件各處的焊縫可以適應(yīng)機器人可能的焊槍姿態(tài)；另外，為充分發(fā)揮機器人的工作能力，要把工件的裝卸時間盡可能地與機器人的工作時間重合起來，最好設(shè)置兩套夾具裝置能相對機器人實施交換。

(3)按持重和工作空間初選機器人型號。

對于某種工件的具體作業(yè)內(nèi)容，隨著機器人的使用數(shù)量、工廠的投資、自動化程度、操作方式、車間設(shè)備布局、物流方式以及設(shè)計人員的技術(shù)水平等多種因素的變化，可以形成多套總體設(shè)計方案，經(jīng)過認真分析研究，反復對比，最后優(yōu)選出一套切合實際的可行方案。對摩托車車架焊接作業(yè)，在實際設(shè)計中，共做出5種方案。從自動化程度、成本、生產(chǎn)率及用戶意見出發(fā)，最后選定的總體布局方案如圖2所示。

圖2摩托車車架機器人焊接生產(chǎn)線總體布局圖

分析車架結(jié)構(gòu)，顯然從主彎管與油箱的結(jié)合部分解是一種較好的方案，如圖1b所示。也就是先把1、2、3、4、5和6號散件焊成一體，再與7、8、9和10號散件焊接。

總體布局共設(shè)四個工作站。第1、3工作站均為機器人點焊，第2、4工作站為主管組件和車架總成的完成焊。每個工作站均使用3自由度轉(zhuǎn)臺，分兩個工作位，機器人在里側(cè)工作位作業(yè)時，人工可在外側(cè)裝卸及設(shè)置工件。

工作站除了機器人本體、變位機和夾具體外，還有焊接電源、保護氣系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)和控制系統(tǒng)幾部分，其典型配置如圖3所示。焊接電源的正負極分別通過導線接在焊絲和變位機機體上；送絲電機一般裝在機器人本體上，絲盤和絲桶則裝在一個架子上或放于地面；保護氣管通過專用接頭與送絲機連接；機器人控制箱和電控箱聯(lián)合控制整個工作站的協(xié)調(diào)作業(yè)。

圖3機器人焊接工作站典型配置
1.碰撞傳感器裝置2.焊槍3.焊槍導管4.送絲裝置5.電機架
6.導管支架7.接頭8.線管旋轉(zhuǎn)支架9.保護氣管10.壓力表
11.保護氣瓶12.送絲管13.控制導線14.空氣開關(guān)15、16.電源線17.焊機18.顯示器19.示教盒20.機器人控制柜21.控制柜門22.碰撞傳感器導線23.一體化導線24.接頭25.焊絲盤26.焊絲筒27.焊接正極導線28、29.電源線30.焊接負極導線31.SK6機器人32.變位機

3夾具體及變位機

圖4是一個三軸雙支點變位機，我們分析其具體的機械結(jié)構(gòu)。H型結(jié)構(gòu)支架裝在轉(zhuǎn)臺上，可旋轉(zhuǎn)180°，變換兩套夾具體的位置。在H型支架上裝有兩套雙支點轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，分別驅(qū)動兩個夾具體，可使機器人相對于工件找到最佳的作業(yè)位置。在H型支架四角下方的架臺上裝了四個氣缸，它們驅(qū)動的定位銷及托銷使H型支架準確定位，并可以防止在操作力等外力的作用下，因H型支架變形而影響機器人的作業(yè)質(zhì)量。

圖4三軸雙支點變位機俯視圖

轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖5所示，交流伺服電機通過RV減速器和齒輪副使主軸帶動H型支架旋轉(zhuǎn)，在0°、180°兩個位置，用接近傳感器、超限開關(guān)和擋塊完成停止位置和出現(xiàn)故障時的檢測和定位。主軸的中部有一個通孔，下端裝有引線和引管支架，導線及軟管通過主軸心部從下至上引到H型支架內(nèi)，分別送到各接線和接管處，引線和引管支架與固定在箱體上的支架之間采用可彎曲的鏈式管路保護套。

安裝夾具體的雙支點旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。夾具體裝在主動側(cè)和被動側(cè)的接手上，主動側(cè)的交流伺服電機通過RV減速裝置驅(qū)動夾具體旋轉(zhuǎn)。被動側(cè)的轉(zhuǎn)軸是中空的，旋轉(zhuǎn)進氣活接頭安裝在轉(zhuǎn)軸的尾部，壓縮空氣從尾部引入，從轉(zhuǎn)軸的前端面引出。焊接電源的負極固連在軸承箱右側(cè)的壓塊上，在彈簧的作用下，壓塊始終與轉(zhuǎn)軸接觸，以保證良好的導電性，并且電流不通過軸承。轉(zhuǎn)軸前端的輪盤是電線的釋放和收集裝置。夾具體旋轉(zhuǎn)的極限位置是通過兩個接近開關(guān)檢測的，如果接近開關(guān)出現(xiàn)故障，主動側(cè)接手后部的撞塊會由死擋塊限位而停轉(zhuǎn)。

安裝在轉(zhuǎn)臺上的夾具體分兩類。1、2工作站為板式夾具體，3、4工作站為框架式夾具體，如圖7所示。雖然結(jié)構(gòu)形式不同，但通過接手可以安裝在結(jié)構(gòu)尺寸相同的轉(zhuǎn)臺上。每個夾具體上散件的夾緊均采用氣動方式，其結(jié)構(gòu)則隨散件形狀、定位方式和夾緊位置等的差異而有所不同。

圖5轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖6雙支點旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7各工作站夾具體形狀

4結(jié)束語

摩托車車架托焊接機器人工作站的總體設(shè)計思想、系統(tǒng)組成以及關(guān)鍵技術(shù)可以用于其它工件種類的焊接作業(yè)中，無論哪種工件，在使用機器人時，都必須對工件毛坯的精度提出較嚴格的要求，再通過一些針對工件特點的末端執(zhí)行器、變位機、夾具體等的非標準設(shè)計，就能在作業(yè)中引入機器人，從而大大提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，增加企業(yè)的競爭活力。

作者簡介：郗安民(1957-)，男，山西定襄人，北京科技大學機電工程研究所，副教授。
作者單位：郗安民（北京科技大學機電工程研究所，北京 100083）
劉穎（北京科技大學機電工程研究所，北京 100083）
劉鴻飛（北京科技大學機電工程研究所，北京 100083）