针对两工件焊接的变位机结构设计与分析

（中国天楹股份有限公司，江苏 南通 226600）

0 前言

焊接变位机是用来拖动待焊工件使其待焊焊缝运动至理想位置并保持最佳焊接位置，配合焊接机器人进行施焊作业的机械设备[1]，焊接变位机可保证焊接质量，提高焊接生产率和生产过程的安全性，改善工人作业条件。虽然相对国外的发展，焊接变位机在国内起步较晚，但焊接结构产品在机械中占有很大比重，目前我国焊接变位机行业的发展空间还很大[2-3]，焊接变位机作为焊接机器人工作站中不可缺少的组成部分，其设计研究是缩短焊接周期、促进制造业发展的重要手段[4]。

焊接变位机按其结构形式主要分为：①伸臂式焊接变位机，适用于轻小焊件的翻转变位，负载小于1 t；②座式焊接变位机，应用最为广泛，负载范围广，为1～50 t；③双座式焊接变位机，稳定性高，适用于大型和重型工件的翻转变位，负载大于50 t。

典型焊接变位机的结构简图如图1所示[1，5]。目前变位机大多实现一种工件的焊接变位，随着现代工业的迅猛发展，对变位机的要求相应提高，传统结构单一的变位机已无法满足市场需求，例如：当需要两个工件组合焊接时，传统的变位机需要另外一台焊接变位机进行配合变位，导致焊接成本提高、焊接效率降低。本研究提出了一种新型旋转切换工位焊接专用变位机，不仅可以将两种工件夹装为整体，实现两个工件的拼装焊接、两工件同步旋转变位，还能实现某个工件的单独旋转变位，便于焊接机器人自动化焊接，有效提高生产效率和产能，实现规模化生产。

图1 典型焊接变位机的结构形式Fig.1 Structure of the typical welding positioner

1 两工件焊接变位机的目标工件及设计要求

1.1 目标工件

针对焊接工件设计的变位机，目标工件即待焊接工件为圆管与多耳板组件的组拼焊接；且设计目标是要解决当前多数焊接变位机无法实现对两工件进行拼装焊接的问题。因此，设计的新型变位机有A、B两个焊接工位，当焊接机器人对某一工位进行焊接作业时，另一工位可同时进行工件的上下件装夹工作，两个工位的焊接与装夹工作互不影响。

1.2 设计要求

从焊接工件的焊接质量要求来看，圆管耳板处的焊接热量较大，变形量较大；但是从工件的使用角度来看，圆管的焊接变形不会影响此工件的后期使用，所以技术文件图纸未对整体焊接变形有硬性要求，只是对圆管上的耳板间距作了公差与平行度的要求（见图2），控制圆管上的焊接耳板之间的间距以及耳板上孔位的平行度即能满足此工件的使用要求。因此，工装夹具主要是控制耳板之间的间距以及耳板孔位上的平行度，对于整体的焊接变形，只能通过机器人的跳焊或者间断焊接的焊接工艺使工件整体均匀受热，从而减少焊接变形量。

2 新型焊接变位机的结构组成

为完成两工件独立或同步的旋转变位的要求，可用于两种工件旋转变位的焊接变位机结构主要由以下部分组成：并排设置的焊接夹装机构A和B、转动基座、固定基座、传动机构、驱动机构，如图3所示。其中焊接夹装机构两端设置有固定基座，固定基座通过轴承座安装转动基座，焊接夹装机构A和焊接夹装机构B的两端分别通过另一轴承座安装在转动基座上，其中一端的转动基座上安装有驱动焊接夹装机构A的驱动机构A，以及驱动焊接夹装机构B的驱动机构B，固定基座上安装有同步驱动机构使得对应转动基座转动，从而实现两工件的同步变位。

2.1 焊接夹装机构

工位旋转切换焊接专用变位机的主要特点之一是能实现两个工件的焊接变位，因此该焊接专用变位机有两个并排设置的焊接夹装机构A和焊接夹装机构B（见图3）。焊接夹装机构A用于将圆管A（即加工件）、布置在圆管A一侧的多耳板组以及圆管A另一侧的多侧板组件拼装为一体。焊接夹装机构B除上述部分外，还需对连接在侧条板与圆管B之间的筋板进行拼装。

2.1.1 焊接夹装机构的组成

图2 技术文件图纸Fig.2 Technical document drawings

图3 焊接变位机三维模型Fig.3 3D model of welding positioner

两焊接夹装机构各包括一个夹装平台，图4为焊接夹装机构A的夹装平台。夹装平台上均匀分布支撑座，支撑座上设置V型开口用于支撑圆管，沿圆管长度方向安装强力压紧气缸以压紧圆管，在夹装平台的一侧有用于安装耳板组的耳板夹装装置，另一侧有侧板组件的夹装机构，在每个焊接夹装平台的一端都设置有端部限位座，它可以间隔分布多个以适应不同长度的圆管，较为灵活，焊接夹装结构A的三维模型如图5所示。

焊接夹装机构B的夹装平台如图6所示，焊接夹装机构B整体三维模型如图7所示。由图可知，焊接夹装机构B除上述与焊接夹装机构A相同的部分外，耳板组一侧紧贴圆管外壁，另一侧均布多个第一支座以支撑筋板，以及多个第二支座以支撑侧条板。第一支座上设置有台阶和第一肘夹，筋板支撑在第一支座的台阶面上，并通过肘夹夹紧，筋板内侧设置有紧密贴合在圆管外壁上的圆弧面，第二支座上设置台阶，侧条板支撑在第二支座的台阶面上，并通过强力压紧气缸与筋板的外侧面紧密贴合。

图4 夹装平台A三维模型Fig.4 3D model of clamping plantform A

图5 焊接夹装机构A三维模型Fig.5 3D model of clamping mechanism A

焊接夹装机构夹具部分的主要特点是圆管与多耳板组专用夹具的自主设计。

图6 夹装平台B三维模型Fig.6 3D model of clamping plantform B

图7 焊接夹装机构B三维模型Fig.7 3D model of clamping mechanism B

2.1.2 圆管与多耳板组专用夹具

圆管多耳板组专用夹具包括圆管、多耳板组件及其夹装装置、侧板组件及其夹装装置。

耳板由耳板夹装装置夹装，可保证耳板焊接面与圆管紧密结合。耳板夹装装置三维模型及剖面图如图8所示，包括左、右连接板、安装底板、空腔、滑动座、气缸、销轴、夹板、挡板、夹装在耳板的耳孔内的圆盘等部分。其中夹板与连接板之间的圆盘夹装在耳板的耳孔内，实现对耳板的夹装。

侧板的夹装由侧板夹装装置完成，侧板组件夹装机构如图9所示，第一肘夹可将侧板组件压紧贴合在圆管上，侧板组件夹装机构在焊接变位夹装机构中的位置如图10所示。侧板组件夹装机构可实现侧板组件的高效、精准拼装，显著提高生产效率。

2.2 驱动机构与转动基座

工位旋转切换焊接专用变位机可以实现两个工件的同步变位和工件的单独变位，因此，该变位机共有传动机构和三套驱动：同步驱动机构实现两工件的同步工位变换、驱动机构A实现焊接夹装机构A的单独变位、驱动机构B实现焊接夹装机构B 的单独变位。传动机构皆通过传动轴完成传动，传动轴的定位由定位销完成。

图8 耳板夹装装置Fig.8 Ear plate clamping mechanism

图9 侧板组件夹装机构Fig.9 Side plate components clamping mechanism

图10 侧板组件夹装机构模型Fig.10 3D model of side plate components clamping mechanism

转动基座皆通过轴与安装在固定基座中部上的带座轴承连接，该轴通过固定基座一端与驱动机构连接，可以通过同步电机驱动完成两工件的同步变位调节。在转动基座的一端有另一带座轴承，通过传动轴机构与焊接夹装机构连接，通过驱动机构A、B的电机驱动可以实现工件的独立变位，具体结构如图11所示。

图11 驱动及传动机构Fig.11 Driving and transmission mechanism

3 工件夹装与旋转变位的功能实现

工件夹装的实现过程如下：将圆管吊装在支撑座V型开口上，端部抵靠端部限位座，压紧气缸将圆管紧压在V型开口上；安装耳板于耳板夹装装置，并将其焊接面紧贴圆管外壁，通过气缸夹紧耳板；安装侧板于侧板夹装装置，通过肘夹将侧板组件压紧，紧贴圆管。

旋转变位实现如下：两工件的同步调节通过与固定基座连接的同步驱动机构完成；两工件单独的角度调节分别通过驱动机构A、B完成，单独变位时两工件之间相互独立，不会相互影响。

4 SolidWorks有限元分析

进行有限元分析前，应遵循简化与等效原则简化为利于有限元分析的变位机模型[6]。由于变位机的主要受力在于夹具焊接夹装机构，因此使用有限元分析软件组宏对夹具焊接夹装机构A、B主框架进行应力及形变分析，分析时将删除变位机的电机等零部件以及螺栓、倒角等微小特征。

有限元分析结果如图12所示。焊接夹装机构主框架图的最大应力位于中间部分，为1.704 Pa，最大形变量也在中间部分，为2.884 mm。满足设计之初根据焊接件自身挠度所确定的焊接夹具的变形量小于3 mm的要求。

5 试验

图12 焊接夹装机构有限元分析Fig.12 Finite element analysis of clamping mechanism

根据上文所述可知，焊接质量要求中对耳板间距作了公差与平行度的要求（为0.5 mm），因此焊接夹装机构的变形可能会对耳板的间距及平行度造成影响；若只是针对圆管与耳板的焊接，客户对整体焊接后的变形没有硬性要求。原计划焊接完成圆管耳板组件后用油压机对整体进行校平，但经试验发现，焊接后的耳板圆管与几个墙板整体组焊后较为平整且能满足使用要求。其主要原因是：圆管与墙板的焊接位置都在耳板的相反侧，再加上几个墙板的加强连接作用，反而将弯由变形的圆管焊直了。

图13a为现场投入实际生产的焊接变位机；对于加工工件的质量要求主要是耳板间距的公差和平行度要求，对实际加工出的工件进行测量（见图13b）满足要求；图13c为批量生产出的圆管焊接件。

6 结论

通过有限元分析及试验研究可知，设计的新型焊接专用变位机加工出的工件满足使用要求，焊接夹装机构A和B可以实现对两组不同工件的精准、可靠定位，三台驱动机构与转动副的配合使用，可达到两工件互不影响、独立变位以及两工件同步变位的目标，便于实现自动化、高效焊接。此外，从现场投入应用的焊接变位机可以看出，两夹装机构之间设置有连接在转动基座上的挡板，该挡板可用于遮挡弧光，防止焊接弧光对人体的危害，提高焊接过程的安全性。

图13 现场照片Fig.13 Production site