汽车前防撞杆四轴焊接机床的设计

唐清春，刘谦，马仲亮，黎国强，闫欣然

(广西科技大学工程训练中心，广西柳州545006)

随着汽车行业的快速发展和产量的大幅度提升，作为车身重要零部件的汽车前防撞杆正朝着规模化、产业化的方向迈进。在传统的防撞杆生产工艺中，防撞杆的焊接主要采取手工点焊的方式，不仅产品质量难以保证、焊接效率低，而且恶劣的焊接环境也会对人体造成伤害。因此，实现焊接工艺自动化、机械化的生产方式势在必行。

目前在国内汽车零配件生产中，实现自动化焊接生产主要有两种方式:一种是针对焊件而设计的专用焊机，性价比高但通用性差;另一种方式则是采用高度智能的焊接机器人，能够满足各种复杂焊件的焊接要求，但是投资大、维护困难。文中所设计的汽车前防撞杆四轴焊接机床是在专用焊机的基础上，增设了通用翻转工作台和双工位。该结构在满足焊接质量的基础上，能大幅提高焊接应用范围和焊接效率。作为一款具有高柔性制造系统的汽车前防撞杆四轴自动焊接机床，对于中小型汽车零配件企业，具有较强的经济应用价值。

1 总体结构方案设计

1.1 总体方案

该焊接机床以上汽通用五菱N300 型汽车的前防撞杆横梁壳体组件为例设计，适当调整夹紧机构及PLC 控制程序即可应用于不同品种和规格的前防撞杆焊接生产。此前防撞杆横梁壳体组件由两块厚度2 mm 以下的低碳薄板组成，壳体组件均为冲压成型件，尺寸一致性良好。焊件分两个焊接面，互成90°，第一焊面有28 个焊点，第二焊面有14 个焊点，通过焊接42 个焊点即可实现前防撞杆组件的无缝焊接，焊接精度可达到0.5 mm。前防撞杆横梁组件如图1 所示。

图1 前防撞杆总成结构

通过对前防撞杆横梁壳体组件进行焊接工艺分析，文中所设计的前防撞杆四轴焊接机床如图2 所示，主要由焊钳、夹紧机构、翻转工作台、伺服电机、减速机、导轨、支撑板架等构成。其中焊接机床的焊钳与点焊机采用分离式结构，点焊机通过机架悬置在焊钳上方，有利于降低焊钳工作时的运动惯量，提高了焊接质量和精度。焊钳的移动功能通过齿轮齿条啮合传动来实现，在支撑板架上的伺服电机和减速机的带动下，焊钳在X、Y、Z 方向的导轨上做直线移动，解决了焊钳焊接过程中一致性问题，提高了产品质量的稳定性。

图2 焊接机床总图

1.2 设备工作原理

前防撞杆四轴焊接机床的工作原理:在焊接机床工作时，操作人员将待焊件分别装夹到两个工位的夹紧机构上，启动机床后，焊钳将根据PLC 预设的编程指令，从焊机第一工位的第一个焊点开始焊接，当焊完第一面上的28 个焊点后，在伺服电机的带动下沿X 轴运动到安全位置，然后翻转工作台正向翻转90°，焊钳复位进行第二个焊接面其余14 个点的焊接。当第一工位的焊件完成后，焊钳沿Y 轴运动到第二工位重复上一个工位的焊接工作，与此同时，操作人员进行第一个工位零件更换。由于前防撞杆横梁的总长度约为830 mm，采用1 000 mm/min 的焊接速度，则前防撞杆横梁组件单件焊接加工时间约为120 s (包括焊接时间、空行程时间、工作台回转时间等)。这样可以保证操作人员有充足时间装夹好另一个工位的零件，从而使机床一直保持在工作中。

1.3 机械传动部件设计

(1)齿轮齿条传动系统。齿轮齿条机构的承载力大、传动精度高、速度快，可实现无限长度对接延续，性价比高。为满足生产需要，设定机床X 轴进给速度为1 000 mm/min，Y 轴与Z 轴快速进给速度均为800 mm/min，电机转速为3 000 r/min。经计算得到X 轴齿轮分度圆直径为60 mm，模数为4;Y 轴与Z 轴齿轮分度圆直径为54 mm，模数为4，齿条行程为2 400 mm。

(2)导轨。主要用于焊钳在直线轴上的移动，需要承受的载荷不大，故选择HIWIN 线性滑动导轨，具有定位精度高、组装容易、润滑构造简单等优点。为了导轨能够承受上下左右各个方向的负荷，需根据移动部件的机械结构与受力方向进行合理配置，因此，焊接机床的X、Y 轴采用两只滑轨滑动配置，Z轴采用两只滑块配置，大大提高了导轨的承重载荷。

(3)伺服系统。采用OMNUC 公司的G5 高性能伺服系统，增益量是以往G 系列伺服的两倍，具有快速抑制振动、速度响应频率高、精度高等优点，能够更好地满足现场要求。R88M-KE75030H-Z 型伺服电机同样来自OMNUC 公司，其额定转速为3 000 r/min，额定功率为750W，额定转矩为2.4 N·m，伺服驱动器型号为R88D-KP08H。

(4)减速机。根据企业实际生产需要，减速机的承载能力是在额定转速下，每天工作10 h，每小时启动少于10 次，故选用型号为R88G-VRSF25D750CJ的ABLE 减速机，减速机输出轴转速为120 r/min，额定输出扭矩为50.7 N·m，径向负荷2 060 N，轴向负荷1 030 N，减速比为25。

2 翻转工作台及夹紧机构设计

翻转工作台和夹紧机构是该焊接机床设计的重点，考虑到产品的兼容性，将传统的焊接工作台设计成为翻转式，固定夹具设计成为由夹紧气缸控制的便拆式夹紧机构，大大提高了焊接机床的通用性，只需要调整工作台的翻转角度和夹紧机构，即可完成1 000 mm×400 mm×400 mm 范围内的汽车前防撞杆焊接生产，翻转工作台和夹紧机构如图3 所示。

图3 翻转工作台及夹紧机构

2.1 翻转工作台设计

翻转工作台翻转轴起着承重、抗冲、翻转等作用，是工作台设计的重点。此设计采用无缝钢管材料的空心主轴，主轴两端通过法兰与机床支撑板架相连接，并用螺栓固定，两端口通过套筒固定连接齿轮。翻转工作台的转动范围是0° ～100°，在转动时由伺服电机带动减速机驱动，减速机又带动齿轮齿条转动，齿轮齿条通过带动连接套筒的空心主轴翻转，从而最终带动翻转工作台转动。为了保证翻转工作台在转动到水平位时动作平稳，在支承板架和翻转工作台之间加装了两根支撑筋，以降低工作台的回转冲击力。

2.2 夹紧机构设计

文中设计的夹紧机构整体由7 个夹具支架、5 个气缸、2 个伸缩长销和调整垫片等组成。夹具支架在翻转工作台上采用前五后二的布局，前5 个夹具支架并排在工作台上。支架1 和支架5 上均设有伸缩长销和位移气缸，用于前防撞杆Y 轴定位;支架3 和支架6、7 均配有夹紧气缸，支架3 用于焊件X 轴定位，支架6 和支架7 则主要通过夹紧气缸对焊件进行固定;最后支架2 和支架4 上配有调整垫片，对焊件夹紧程度进行微调。

夹紧机构中5 个气缸的最大夹紧力不超过950 N，整体夹紧力较小，采用SMC 原装进口的El 气动元件即可实现夹紧机构的夹紧效果。此夹紧机构的设计对提高生产效率、降低操作难度，实现快速、方便、准确装夹焊件等具有重要意义。

3 控制系统设计

设计的焊接机床电气控制系统采用PLC 控制，选择OMRON 公司的C200HG-CPU33-Z 中小型PLC，其用户存储器15.2 KB，I/O 点数880;可搭载2 个I/O 扩展机架;可安装具有SYSMAC NET 链接和SYSMAC LINK 功能的通信板。焊接机床使用控制面板作为人机对话的操作界面，具有急停、手动试焊、手动调试、单工位循环及自动循环等功能，配合4 个伺服电机可以实现对X、Y、Z 三个直线轴和翻转工作台的功能。精心的控制系统设计保证了手动、自动操作的兼容性，消除了手动操作及手自混合操作时相互影响而产生的误动作。

4 结束语

文中设计的汽车前防撞杆四轴焊接机床采用PLC控制，双工位加工，解决了目前国内汽车前防撞杆横梁生产过程中人工焊接质量不稳定、效率低、劳动强度大等问题;焊钳和翻转工作台联动的模式设计，提高了此焊接机床的自动化、柔性化、高效化。此前防撞杆焊接机床已经在某企业生产中成功得到了应用，并产生了相应的经济效益;该焊接机床的成功设计对于类似的汽车零配件制造具有参考价值。

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