提升机头尾壳体自动焊接变位机优化设计
杨军 纪勇飞
摘 要：变位机作为焊接辅助设备，其在自动焊接系统中的作用不可或缺。变位机和焊接机器人对于自动焊接系统来说，如同人的左右手一样重要。正确选择或者设计合适的变位机，对提高焊接效率、改善工人作業条件、保证焊接质量等方面至关重要。本文针对提升机头尾壳体种类多、批量小、大型薄板箱体结构、不同型号尺寸差距加大等特点，在常见结构形式的变位机基础上进行了优化改进，使其兼顾多种型号的头尾壳体焊接变位，工作人员只需上下料，其余工作完全由设备自行完成，大大降低了工作人员劳动强度及生产安全风险。
关键词：变位机;自动焊接系统;辅助焊接;优化改进;提升机头尾壳体
前言
变位机的作用主要是使工件的焊缝在焊接时处于最佳的焊接位置。市场上现有较为成熟的变位机主要有三种形式：伸臂式、座式、双座式，这几种形式的变位机能够满足常见形式焊接件的焊接变位的要求。对于一些非常规或有特殊要求的结构件焊接，往往上述变位机无法满足使用要求，需要根据工件结构特点及焊接拼装工艺而特殊设计，以达到最佳的焊接效果。
1 工件结构简述
本文变位机主要针对钢丝胶带提升机头尾壳体配合自动化焊接进行变位，涉及机头壳体8种，机尾壳体8种。机头最小尺寸2126x1200x1000mm，最大尺寸3410x2480x1760mm;机尾最小尺寸1660x760x2250mm，最大尺寸2600x1760x3250mm。壳体主要由槽钢、角钢、折弯板（厚度6-8mm）、筋板（厚度10-16mm）等组成，重量在2～5吨之间，焊缝较多且焊缝主要集中在前后两个面上，以长直焊缝为主，焊缝形式主要为角焊缝、搭接焊缝。壳体的上下法兰面拼装精度较高，其余壳体部分拼装误差相对较大，故以法兰面装夹定位为宜。壳体结构如图1所示。
2 变位机优化设计
2.1 选择思路及存在问题
由于工件重量较重，且外形尺寸相对较大，伸臂式及座式变位机无法满足要求，只有双座式变位机可以满足此类壳体的变位。壳体焊缝主要在前后两个面上，变位机只需要进行±90°翻转即可，同时由于机器人配备了XYZ三个外部轴，行程完全满足焊接需要，变位机无需升降功能，从经济性、可靠性等方面考虑，可选择双座单回转变位机。双座单回转变位机基本形式有两种。
双座单回转变位机通常一侧由电机驱动，另一侧从动。针对头尾壳体的结构特点，上述两种变位机形式各有利弊，左侧结构整体呈U型，两端回转支撑刚性连接，工件通过连接底座进行装夹固定，整体受力较好，此种形式不适合RGV小车自动上下料，需人工在变位机上对工件进行装夹，自动化程度不高，安全性大大降低;右侧结构双座两端相互独立，工件主要通过两端回转支撑上的工装分别装夹，由电机驱动一端运动，带动工件转动，另一端随工件一起转动，该结构适合RGV小车自动上下料，且一端可以做成可调式，尺寸上能够兼顾不同型号的工件，但是由于工件尺寸较大，型号较多，多型号共用一套设备，工件偏心距差别较大，通过工件带动另一端转动，工件所受扭力较大，导致壳体变形量加大。
2.2 优化设计
综上所述，此两类通用结构形式都无法满足工件的变位要求，我们需要根据工件的结构特点和使用要求，结合双座单回转式变位机两种基本形式的利弊，对上述结构进行优化。
首先，需要满足轨道小车自动上下料，变位机自动夹紧的要求，我们考虑选择两端独立的双座变位机;
其次，为了减少壳体变位过程中扭曲变形，参考U型结构（图2中左）。设计活动工装板，通过夹具使得工件与工装板可靠连接，变位机与工装板自动夹紧，这样既可以通过更换工装板来解决壳体型号过多，尺寸差异较大，变位机无法兼顾的问题，也可以改善工件变位过程中受力状态，减少壳体扭曲变形;
最后，由于增加了工装板重量且工件自重较大，总体重量近7吨，为提高变位机输出扭矩，增加变位机负载，将单侧驱动改为双驱，使得两端受力更加合理。
在此基础上，由于工件只需进行±90°翻转即可，从安全性方面考虑，设置机械锁紧装置，分别在变位机转至±90°位置时进行锁紧。同时，由于是双驱形式，需要两端伺服电机同步运动，这里通过伺服控制器之间相互反馈，2套控制器接受同一组脉冲来实现。此外，变位机的双驱轴为机器人外部轴，可实现焊接协同变位。
3 工装夹具设计
通过上述优化，变位机可以很好地适应提升机头尾壳体的变位焊接，但对于工装板有较高要求。首先工装板上需设置配合RGV小车及变位机的定位导向装置，RGV小车伺服控制系统将工装板连同工件整体精确输送至变位机上方，再通过相应的定位导向装置将工装板及工件放到变位机上。
其次，由于工件的法兰面是生产制造基准面、安装面，在工装板上的定位可通过工件下侧法兰实现，定位完成后可通过压紧装置将工件下法兰四面压紧，使得工件与工装板成为一个整体，压紧装置及定位销做成可移动式，实现多型号共用一套夹具。
最后，由于工件和变位机完全通过工装板进行装夹，工装板的强度、刚度提出较高的要求，工装板需要制作成框架式，内部布设龙骨，提高自身强度，焊接完成进行退火处理，再进行金属切屑加工。
4 结语
通过对常见形式变位机的优化设计，有效满足了现有工件的焊接变位要求，采用工装板形式，提高了变位机的通用性，通过更换工装板，此变位机可以满足负载范围内更多型号工件的变位，通过与RGV小车配合提高了工件装夹、装卸自动化程度，为后续焊接产品型号的扩展和改进，留有较大的设计余地，大大提高了变位机的适用范围，改善了现有变位机通用性差的现状。
参考文献：
[1]刘剑.重型车辆高强钢主体结构变位工装设计与工艺试验研究[D].南京理工大学，2013.
[2]茅洪菊，周晓翔，曹恒泰.针对两工件焊接的变位机结构设计与分析[J].电焊机，2018，48（12）：28—33.
作者简介：
杨军（1980.03-），男，汉族，安徽宿州市泗县，本科，中建材（合肥）机电工程技术有限公司，研究方向：机械工程。
纪勇飞（1992.01.08），男，汉族，籍贯：安徽合肥巢湖，最高学历：本科，中建材（合肥）机电工程技术有限公司，研究方向：机械工程。