焊接變位機關(guān)鍵參數(shù)的校核及設(shè)計

廖小吉，樊啟永

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,河北唐山063020；2.唐山松下產(chǎn)業(yè)機器有限公司，河北唐山063020）

焊接變位機關(guān)鍵參數(shù)的校核及設(shè)計

廖小吉1，樊啟永2

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,河北唐山063020；2.唐山松下產(chǎn)業(yè)機器有限公司，河北唐山063020）

以理論計算為基礎(chǔ)，結(jié)合實際工廠中使用的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并借助現(xiàn)代的設(shè)計工具，分析校核了焊接變位機設(shè)計中的幾個關(guān)鍵參數(shù)，詳細論述了焊接變位機的設(shè)計方法。以焊接行業(yè)常用的典型非標變位機為例，概述其設(shè)計流程，分析計算其幾個關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)諸如負載率相關(guān)的扭矩、轉(zhuǎn)動慣量、慣性扭矩等以及強度相關(guān)的應力、應變等，并基于實際使用經(jīng)驗總結(jié)出一套科學實用的焊接變位機設(shè)計方法和理念。

焊接變位機；負載率；轉(zhuǎn)動慣量；慣性扭矩；ANSYS

0　前言

焊接變位機作為一種焊接輔助設(shè)備，是一套完整的焊接系統(tǒng)中除了焊接機器人部件外的重要組成部分。變位機除了少數(shù)以標準品形式出現(xiàn)外，大多為非標設(shè)備，其結(jié)構(gòu)類型也呈多樣化存在。但無論基于何種方式進行的分類結(jié)構(gòu)，如單持單軸、單持雙軸、雙持單軸、雙持雙軸以及L型、U型等結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成存在一致性，同樣，各關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計校核也一致。此外，合理的設(shè)計方法在變位機的設(shè)計過程中也應給與高度重視，設(shè)計合理是保證設(shè)計質(zhì)量、提升設(shè)計速度、避免和減少設(shè)計失誤和浪費的基礎(chǔ)，某種程度上直接決定著設(shè)計的成敗。

1　焊接變位機

國內(nèi)焊接變位機已經(jīng)不再是一個年輕的產(chǎn)品，但對其并沒有一個標準的定義，結(jié)合多年的理論研究及實踐應用，對其做如下概述：在一個焊接系統(tǒng)中，用于裝夾工件并帶動工件翻轉(zhuǎn)變位，將工件上的各道焊縫位置轉(zhuǎn)動到最佳姿態(tài)來配合焊接機器人作業(yè)的設(shè)備。也就是說，把工件裝夾在一個設(shè)備上，進行施焊作業(yè)。焊件待焊焊縫的初始位置，可能處于空間任一方位，即使機器人可以多角度變位，但大多焊縫位置或姿態(tài)并不利于機器人焊接。通過回轉(zhuǎn)變位運動后，使任一方位的待焊焊縫，變?yōu)榇魏?、平焊或角焊施焊作業(yè)，完成這個功能的設(shè)備稱焊接變位機。它改變了可能需要立焊、仰焊等難以保證焊接質(zhì)量的施焊操作。提高了焊接質(zhì)量、焊接生產(chǎn)率和生產(chǎn)過程的安全性。

一般說來，生產(chǎn)焊接機器人的廠家，大都生產(chǎn)機器人配套的焊接變位機，但以焊接變位機為主導產(chǎn)品的企業(yè)，并不多見。相對來說，焊接變位機在國外發(fā)展比較早，如德國的CLOOS、SEVERT、奧地利的IGM、日本的PANASONIC、美國的AROSON公司等，這些公司生產(chǎn)的焊接變位機形式多樣且承載從幾公斤到上千噸不等，比較成熟[1]。

相對來說，焊接變位機在國內(nèi)起步較晚。20世紀80年代初期我國生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡單的焊接操作機、滾輪架、變位機、翻轉(zhuǎn)機和回轉(zhuǎn)平臺等，成套性較差、自動化程度低，只能算作機械化的焊接設(shè)備。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前焊接變位機已系列化生產(chǎn)，承載能力達上百噸的設(shè)備也較為常見，每年都有各種汽車、機車、工程機械部件焊接用大、中型單面回轉(zhuǎn)或雙面回轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)機投運?，F(xiàn)在我國生產(chǎn)焊接變位機的廠家也越來越多，已有一定規(guī)模。不管是民營國營企業(yè)還是合資企業(yè)，他們生產(chǎn)的變位機在國內(nèi)占有較大市場。目前來看，國內(nèi)焊接變位機的發(fā)展空間還很大，主要向精密化、大型化、功能多樣化、智能化和集成化方向發(fā)展[2]。

2　焊接變位機的設(shè)計計算

2.1設(shè)計流程

焊接變位機作為一種非標產(chǎn)品，其設(shè)計具有較大的靈活性，主要設(shè)計依據(jù)是焊接工件及焊縫的形狀特征信息，在設(shè)計過程中還需綜合考慮多方面的因素，如工件的焊接方法及其工藝規(guī)范等[3]。作為傳統(tǒng)的非標設(shè)備一般遵循的流程如圖1所示。

圖1　設(shè)計流程框圖Fig.1Design flow chart

此流程適用于大多非標設(shè)備的設(shè)計，但實際應用時不可能完全拘泥于此，這也是后續(xù)需要論證的設(shè)計方法問題。

2.2設(shè)計計算

圖2為一種典型的雙持雙軸變位機結(jié)構(gòu)，本研究暫不考慮其水平回轉(zhuǎn)，只針對其垂直回轉(zhuǎn)進行設(shè)計計算，對其一些關(guān)鍵參數(shù)給與校核并闡述其設(shè)計過程，提出設(shè)計中的一些容易忽視的問題點。

圖2　典型焊接變位機結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of the typical welding positioner

此結(jié)構(gòu)為一種典型的雙持雙軸變位機結(jié)構(gòu)，伺服電機直連減速機，再通過二級齒輪減速機構(gòu)，經(jīng)由機架、軸承固定連接大回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，整個回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由M1～M7七部分組成，分別為配重1、2，托架3、4，工件5，水平回轉(zhuǎn)軸6及工作臺7。整個回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)借助三維設(shè)計軟件Pro/E完成造型，通過設(shè)定回轉(zhuǎn)中心坐標等操作，可自動計算生成整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)的質(zhì)量屬性：總質(zhì)量M=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7=6 586 kg，質(zhì)心位置即偏心距L=0.054 m。

根據(jù)工件外形尺寸及質(zhì)量，基于經(jīng)驗選定電機、減速機型號并確定大小齒輪參數(shù)：

電機為3.5 kW伺服電機。

減速機為住友F2C系列F2C-T555-171（減速比i=171）。

大小齒輪為齒數(shù)比114∶62。

電機輸出額定扭矩

T1=Ti1i2=16.6×171×114/62=5 219 N·m

工作系統(tǒng)扭矩

T2=MLg=6 586×0.054×9.8＝3 485 N·m

負載率

η=T2/T1=3 485/5 219=67％

此負載率為變位機設(shè)計時的一個硬性參數(shù)，必須在許用范圍內(nèi)。根據(jù)實際使用經(jīng)驗，此值需要賦予一個安全系數(shù)，即并不是算出來的負載率在100％之內(nèi)就滿足使用，一般而言，對于較小電機系統(tǒng)（2 kW以內(nèi)），負載率一般不要超過70％，大些的電機（3.5 kW以上）可以適當提高，一般不超過100％。

變位結(jié)構(gòu)設(shè)計中的另一個重要參數(shù)即慣性扭矩，除了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時所承受的額定扭矩外，系統(tǒng)在啟動和停止時，整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)的自身質(zhì)量慣性會對電機、減速機等系統(tǒng)元件產(chǎn)生一個慣性沖擊，稱之為慣性扭矩或者慣性力矩。慣性扭矩是在系統(tǒng)設(shè)計時很容易被忽視的一個校核參數(shù)。此時，需要電機、減速機等系統(tǒng)主要元件在滿足負載率的前提下還要能承受系統(tǒng)的慣性扭矩，在此對電機進行校核：

系統(tǒng)額定扭矩

整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量

通過查閱相關(guān)參數(shù)表得到電機、減速機自身轉(zhuǎn)動慣量，通過計算得到大小齒輪自身轉(zhuǎn)動慣量，通過不同減速級換算到電機軸上的等價轉(zhuǎn)動慣量，加之計算得到的回轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量，得出總的轉(zhuǎn)動慣量I，如表1所示。

表1　電機軸等價轉(zhuǎn)動慣量表Tab.1Equal moment of inertia table of motor shaft

角加速度

此處加速時間設(shè)定為0.5 s，在一些較大變位結(jié)構(gòu)中此時間值可設(shè)置大一些，這樣可以降低系統(tǒng)對電機、減速機等元件的慣性沖擊。如在一些厚板變位結(jié)構(gòu)中可以將啟動或停止時間設(shè)定為1 s，此設(shè)定在控制器中完成。

圖3展示了變位機在啟動-運轉(zhuǎn)-停止的整個過程中，系統(tǒng)電機速度、扭矩隨時間變化的情況。

圖3　變位機扭矩變化示意Fig.3Torque changes of the positioner

慣性扭矩

電機所承受最大扭矩

獲得的結(jié)論：系統(tǒng)的額定扭矩13.6 N·m≤電機額定扭矩16.6 N·m；系統(tǒng)的最大扭矩15.28 N·m≤電機最大扭矩50 N·m。滿足使用要求。

在校核電機承載力的過程中，除需要考慮回轉(zhuǎn)機構(gòu)，即工件和夾具平臺的轉(zhuǎn)動慣量外，電機、減速機及大小齒輪等系統(tǒng)元件的轉(zhuǎn)動慣量也不容忽視。在計算實例中并未體現(xiàn)出系統(tǒng)慣性扭矩對電機承載能力有多大的影響，但節(jié)構(gòu)稍加變動，將極大體現(xiàn)出慣性扭矩校核的重要性。

從表1可以看出，電機、減速機自身質(zhì)量轉(zhuǎn)動慣量對電機扭矩影響占比較大，小齒輪之后包含小齒輪由于存在一個減速比平方的因子，而使轉(zhuǎn)換到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量都相對較小。假設(shè)一：如果改用一個自身質(zhì)量慣量較大的減速機，如帝人RD系列減速機，其自身質(zhì)量慣量將提升一個數(shù)量級，達到現(xiàn)在數(shù)值的10～20倍，慣性對系統(tǒng)的影響將會明顯加大；假設(shè)二，如果本結(jié)構(gòu)采用的是電機直連齒輪結(jié)構(gòu)再連接減速機，則齒輪結(jié)構(gòu)對電機軸的等價轉(zhuǎn)動慣量將是一個很大的數(shù)值，慣性力矩變大，導致系統(tǒng)啟動或停止時電機的最大扭矩大幅提升，很有可能超出電機的最大扭矩值，可見慣性扭矩校核的重要性。

依據(jù)同樣的思路需要對減速機、軸承等關(guān)鍵件負載相關(guān)參數(shù)進行校核。

基于具體實例完整的論述了焊接變位機在設(shè)計過程中一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計計算過程，通過思路轉(zhuǎn)換強調(diào)了慣性扭矩校核的重要性，并結(jié)合實際經(jīng)驗提出電機負載相關(guān)的安全系數(shù)參考值及變位機啟動停止時間的經(jīng)驗值。

3　焊接變位機設(shè)計方法

3.1設(shè)計方法分類

各種機械從構(gòu)思到產(chǎn)品化都要經(jīng)過設(shè)計和制造兩個階段，機械設(shè)計是機械產(chǎn)品產(chǎn)生的重要步驟，合理的設(shè)計方法是保證設(shè)計質(zhì)量、提升設(shè)計速度、避免和減少設(shè)計失誤的基礎(chǔ)。設(shè)計方法又可分為傳統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)代設(shè)計兩大類[4]：

傳統(tǒng)設(shè)計：以經(jīng)驗為基礎(chǔ)，利用長期的設(shè)計實踐和理論計算而形成的經(jīng)驗、公式、圖表、設(shè)計手冊等作為設(shè)計的依據(jù)，通過經(jīng)驗公式近似系數(shù)或類比方法進行設(shè)計。

現(xiàn)代設(shè)計：是傳統(tǒng)設(shè)計的延伸和發(fā)展，并深入、豐富和完善，以滿足市場產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優(yōu)為目的，以計算機輔助設(shè)計技術(shù)為主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術(shù)為手段，研究、改進、創(chuàng)造產(chǎn)品和工藝等活動過程所用到的技術(shù)和知識群體的總稱。

3.2設(shè)計方法論證

本研究提出和強調(diào)傳統(tǒng)與現(xiàn)代結(jié)合的設(shè)計理念，既不過渡摒棄傳統(tǒng)設(shè)計方法，也不過分依賴現(xiàn)代設(shè)計手段，而是將兩者有機結(jié)合，各取其長，達到最優(yōu)組合效果。

以所選實例為例，首先基于工件信息，借助傳統(tǒng)使用經(jīng)驗初步確定電機、減速機及軸承等關(guān)鍵部件規(guī)格型號，繼續(xù)勾勒出變位機連接大梁包含配重的大致外形，這些參數(shù)可在三維設(shè)計軟件中快速完成。之后基于傳統(tǒng)的理論計算對關(guān)鍵部件的主要參數(shù)進行計算校核，其過程中將會用到很多現(xiàn)代的設(shè)計方法，如變位結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及重心位置等信息的快速計算將利用三維軟件（Pro/E）計算得到，連接梁的應力應變信息借助有限元分析軟件（ANSYS）得到，對這些信息進一步分析論證更換不合適的（過用或者不及的）選型部件，修改原設(shè)計模型，進一步優(yōu)化設(shè)計[5]。

圖4為基于Pro/E計算出的整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)的質(zhì)量信息，其重心位置數(shù)據(jù)是進行慣性矩校核的一個重要參數(shù)。

圖4　回轉(zhuǎn)機構(gòu)重心的確定Fig.4Determine the center of?gravity of the slewing mechanism

圖5為基于有限元分析軟件ANSYS仿真計算得到的回轉(zhuǎn)大橫梁等效應力云圖，從云圖中可以很直觀的找到結(jié)構(gòu)的薄弱位置，并進行結(jié)構(gòu)的加強修正。從結(jié)果看，最大應力承受處位于橫梁中間最底部，本例應力值遠小于材料允許強度值，安全系數(shù)較高；圖6為總變形分析云圖，由圖6可知機構(gòu)的變形情況，最大變形處位于橫梁中間最底部，其值0.85 mm為變位機承受一個工件時變形量，也是焊接示教時的狀態(tài)。當切換不同工件時，其再次變形量將小于0.85 mm，在常規(guī)的厚板焊接結(jié)構(gòu)中，由于焊接時使用接觸傳感或電弧傳感，此值在許可范圍之內(nèi)。

圖5　大橫梁等效應力云圖Fig.5Equivalent stress nephogram of the beam

基于實際經(jīng)驗，通過理論計算，并結(jié)合三維設(shè)計軟件及有限元仿真軟件，將傳統(tǒng)與現(xiàn)代的設(shè)計方法有機結(jié)合到一起，取長補短，達到最優(yōu)化設(shè)計。

圖6　大橫梁總變形云圖Fig.6Total deformation nephogram of the beam

4結(jié)論

分析了焊接變位機在設(shè)計過程中一些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計計算過程，強調(diào)了慣性扭矩校核的重要性，并結(jié)合實際經(jīng)驗提出電機負載相關(guān)的安全系數(shù)參考值及變位機啟動停止時間的經(jīng)驗值。同時，提出和強調(diào)傳統(tǒng)與現(xiàn)代結(jié)合的設(shè)計理念，將理論知識、實際經(jīng)驗、三維設(shè)計及有限元仿真等方法有機結(jié)合，取長補短，達到最優(yōu)化設(shè)計。

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Key parameter's check and design of welding positioner

LIAO Xiaoji1，F(xiàn)AN Qiyong2
（1.College of Tangshan Industry Polytechnic，Tangshan 063020，China；2.Panasonic Welding Systems（Tangshan) Co.，Ltd.，Tangshan 063020，China）

Check the key parameters and prove the design methods of welding positioner based on theoretical calculation and rule of thumb date，also use the modern design tools.Take the typical non-standard welding positioner as examples，summarize the design flow，check the key parameters such as torque，moment of inertia，inertia torque and so on relevant to the load rate，also the stress，stain relevant to the rigidity.A set of scientific and practical welding positioner's design method and idea is summarized based on actual using experience.

welding positioner；load rate；moment of inertia；inertia torque；ANSYS

TG409

A

1001－2303（2016）03－0061-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.13

2015－07－16；

2015－08－16

廖小吉（1984—），女，江西新余人，碩士，主要從事現(xiàn)代制造及計算機輔助設(shè)計領(lǐng)域的研究工作。