小型构件焊接变位机的设计

朱勇泉ZHU Yong-quan；陈浩楠CHEN Hao-nan

（①中航航空高科技股份有限公司，南通 226001；②南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

0 引言

在机械结构中，焊接件被广泛采用。要保证焊接质量和生产效率，则需要使焊枪准确且快速地找到焊接位置，对于整个结构件的加工非常关键。当采用手工焊接方式时，通常使用夹具进行工件的固定，由操作者手持焊枪，寻找焊枪的焊接位置。这种方式存在着很多问题，例如：操作者不安全、增加了工人的劳动强度、焊接效率不高、焊接质量不佳等。当采用自动焊接方式时，通常情况下，焊枪的位置固定不动，必须采用自动的方式移动结构件，变换焊接位，降低工人的劳动强度，增加安全保障，提高焊接的准确性，提高工件的焊接质量。即便使用焊接机器人时，虽然焊枪的位置可以移动，但也会因焊缝的位置特殊而产生焊枪干涉的情况，此时仍然需要使用焊接变位器进行结构件的位置变换，使焊枪便捷地找到焊缝位置。

综上所述，变位机是专用焊接辅助设备，在焊接过程中用于使工件得到理想的加工位置，提高焊接质量，减少焊枪的移动，提高焊接效率。尤其在焊接机器人被日益广泛应用的情况下，焊接变位机的开发，可与工业焊接机器人配套使用，与控制系统相连，实现联动操作，组成自动焊接中心，实现焊接自动化和无人化。

按照运动轴的数量分类，变位机有单轴翻转变位机、双轴变位机、三轴变位机等。

运动轴的直线或回转运动由电动机或液压传动装置为动力，改变了传统的手工搬运焊件的方法，从而节省了人力，提高了生产效率和焊件的质量。

1 小型结构件的结构特点以及变位机的功能要求

1.1 小型结构件的结构特点分析

小型焊接件的结构千差万别，其焊缝的位置呈现出多样性的特点，其中，图1 和图2 为两个典型焊接件实例。图1 的焊缝位于焊接件内侧，焊缝形状为直线。这类焊接件在不采用变位机的情况下，由于焊接件的尺寸和焊缝位置的限制，在焊接时随着焊缝位置的前移，需要改变焊枪相对于焊接件的角度，否则焊枪与焊接件之间可能会产生干涉，使焊枪无法达到指定位置。而焊枪与焊接件的相对角度的改变，若使用变位机将焊接件倾斜，可使焊枪方便地找到需要焊接的位置，当焊枪固定时，采用变位机使焊接件倾斜成为了必然。图2 的焊缝形状为圆形，焊接时，焊枪需要相对于焊接件运动一周，且焊接姿态保持不变。这一情况下，若焊接件固定不动，则焊枪需要做绕焊缝的圆周空间运动，其夹持焊枪的机构较为复杂，即便在使用焊接机器人时，其机器人运动程序也较为复杂；若焊接时使用变位机，使焊接件绕焊缝中心点做旋转运动，可在焊枪固定不动的情况下完成焊接工作。

图1 焊接件实例1

图2 焊接件实例2

1.2 小型结构件的功能要求

根据小型焊接件的结构特点分析，设计了一款能使工件进行倾斜和旋转的座式焊接变位机。此变位机虽然不能解决所有小型焊接件的焊接位置问题，但可以作为一种焊接辅助设备，解决较多场合下的结构件焊接便捷性问题。

1.3 焊接变位机的主要技术参数

工件可以倾斜45°、工作台回转与倾斜的速度与焊接时焊枪的移动速度相匹配。因而，变位机的主要技术参数确定为：

①工作台回转角度为0°～360°。

焊接件安装在工作台上。当焊缝为图2 所示的圆周形状时，工作台需要回转一周，即360°。当焊接件有多条焊缝时，通过工作台的旋转，也可以将其背面的焊缝旋转到焊枪的正面。

②工作台回转角速度为0～0.4r/min。

根据焊接工艺参数，焊接时焊枪与焊接件之间的相对移动速度较慢，一般为0.15m/min。设小型焊接件圆形焊缝的最大直径为120mm，则焊接件的旋转速度为0.4r/min。

③工作台倾斜角度为0°～140°。

图1 所示的焊接件焊缝处于上方焊接板的下方，焊枪的位置需要向上倾斜，与常规方向相反。若将焊接件倾斜135°，则焊缝变为焊接板的上方，此时焊枪的位置向下倾斜，较为合理。根据以上分析，并将倾斜角度范围略做扩大，取变位机的工作台倾斜角度为0°～140°。

④工作台倾斜角速度为0～0.6r/min。

同理，按照工作台回转角速度值的确定过程分析，并考虑到将焊接件倾斜时，可将倾斜速度适当增加，以减少倾斜时间，提高加工效率，故确定工作台倾斜角速度为0～0.6r/min。

2 变位机结构设计

在设计变位机时，需要按照主要设计参数，满足可以将工件进行倾斜和旋转的基本要求。同时，在变位机的工作过程中，必须添加反行程的自锁式驱动，用来防止突然断电时，由于变位机自身的结构和焊接件自身重量等原因，使运动件产生运动，而发生事故。

2.1 变位机的结构形式选择

焊接变位机根据其结构形式，可以分为三类：

①伸臂式焊接变位机。伸臂的一部分安装在一个旋转平台上，它通常与该旋转轴线形成一个特定的旋转角度，使工作台上的旋转轴线位置发生变化，从而使得位移范围变大，对工作的适应性更强，但总体稳定性会下降，常用于人工焊接。

②座式焊接变位机。工作台连接于旋转轴，由旋转轴支承于底座。这种结构具有较高稳定性，便于运输，常见于0.5 吨以下小型焊接件的变位。

③双座式焊接变位机。该结构的框架为“U”字形，“U”型框架绕着在水平方向的一根轴以一定的速度转动。这种结构被广泛应用于重型焊接变位机。

综合以上三种焊接变位机的结构特点，本设计采用座式焊接变位机。

2.2 变位机机械结构设计

针对小型焊接结构件的特点，设计的可使焊接件进行倾斜和旋转的变位机机械结构如图3 所示。

图3 小型座式焊接变位机结构示意图

该变位机由扇形齿轮使工作台倾斜，由工作台的旋转使工件旋转。

2.3 工作台回转机构设计

工作台的回转角度设计参数为0°～360°、回转角速度设计参数为0～0.4r/min。该回转机构选择90SZ60 直流伺服电机，其额定转速为1500r/min，额定扭矩为0.83N·m。电机运行在额定转速时，工作台以最高回转速度0.4r/min运行，当工作台需要以低于0.4r/min 的速度运行时，可以通过直流伺服电机的控制电路，进行在0～1500r/min 范围内的无极调速，降低电机的转速，从而满足转台转速为0～0.4r/min 的设计要求。

由于电机以1500r/min 的额定转速运行时，转台的转速为0.4r/min，所以，需要在电机与工作台之间采用较大的传动比进行降速。其结构设计如图4 所示。

图4 焊接变位机工作台回转机构

该回转机构有两级蜗轮蜗杆传动。选用直流电机驱动，采用具有缓冲吸震的V 型带，带动蜗轮蜗杆传动。由于蜗轮蜗杆传动具有反行程的自锁性，起到了安全保护作用。同时，两级涡轮蜗杆传动产生了较大的总传动比，使工作台以较低回转速度在0°～360°范围内回转。

2.3.1 传动方案

焊接变位机的回转机构通过电机和V 型带传动，使得第一级蜗轮蜗杆轴4 进行转动，驱动第一级涡轮5 旋转；第一级蜗轮的轴心为第二级蜗轮蜗杆机构的蜗杆6，通过此蜗杆驱动第二级涡轮7 旋转，最后使得工作台8 进行回转。

2.3.2 传动比分配

电动机额定转速为nm=1500r/min，此时工作台回转所要求的设计角速度为nw=0.4r/min，由此可得传动比

回转机构中V 型传动带的传动比设计为ib=3，第一级蜗轮蜗杆传动比设计为i1=35，第二级蜗轮蜗杆传动比设计为i2=35，则总传动比为3650，总传动比略小于理论传动比，符合实际要求。

表1 回转机构运动和动力参数结果

2.4 工作台倾斜机构

工作台倾斜机构采用扇形齿轮进行传动，其结构如图5 所示。

图5 工作台倾斜机构

2.4.1 传动方案

焊接变位机倾斜机构由带减速的直流减速电机1 驱动，通过蜗轮蜗杆减速器3 以及由减速器输出轴驱动的齿轮4、中间齿轮5 驱动扇形齿轮6，实现工作台倾斜的目的。选用的微型行星齿轮减速电机型号为J90ZYT（SZ）51PX16A1 ，其额定功率为80W，电机额定转速为1500r/min，减速比i1=16。减速器选用蜗轮蜗杆减速器，保证反行程的自锁性。扇形齿轮中心角取160°，使工作台倾斜角度为0°～140°。

2.4.2 传动比分配

当电机以额定转速运行时，倾斜机构所要求的角速度设计参数为0.6r/min，由此可得设计时，选择的直流减速电机的减速比i1=16，谐波齿轮减速器的传动比i2=50，减速器驱动的齿轮4 与中间齿轮5 之间的传动比i3=3，中间齿轮5 与扇形齿轮6 之间的传动比i4=1，总减速传动比为2400，略小于理论传动比，可满足设计要求。

表2 倾斜机构运动和动力参数

3 机座的设计

在焊机变位机上，机座作为支承部件，设计要求是：

①具有良好的工艺性能，易于制作，所需的材料更少，并且成本更低；

②必须具有很好的刚度和耐震能力；

③构架在温度较高时不产生较大的形变，升温时内部存在的应力不会过大；

④便于安装及搬运。

设计机座时，由于机座的整体尺寸偏大。若采用铸造结构件，加工起来较为复杂，且加工的成本大大提高，容易产生热变形及内部应力。因此，采用焊接式的基座结构，通过焊接的方法设计出变位机机座。

4 结论

针对小型焊接件，设计出来两轴旋转的座式焊接变位机，可以满足常见结构件的焊接，达到了设计要求，为焊接变位机的制造提供了参考。