一種升降滾床機構(gòu)的設(shè)計

許麗虹，許振宏

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.柳州莫森泰克汽車科技有限公司，廣西 柳州545616）

焊裝車間的焊裝主線一般采用往復(fù)桿輸送機構(gòu)來實現(xiàn)白車身的輸送，但是該輸送方式存在輸送時間長，生產(chǎn)效率低，柔性差，難于實現(xiàn)多車型共線生產(chǎn)，標準化程度低，輸送線設(shè)計及加工周期長，安裝調(diào)試難度大，設(shè)備通用性低等缺點，已經(jīng)不能滿足當前汽車高效、柔性生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。因此，開發(fā)了一種更高效的升降滾床輸送裝置來實現(xiàn)車身的輸送。

1 工作原理

高速滾床具有輸送速度快、停止精度高的特點[1]。焊裝生產(chǎn)線采用升降滾床與滑橇的輸送方式，對白車身進行高效輸送和精確定位。

升降滾床機構(gòu)的工作原理是本工位的焊接工作完成后，升降滾床整體舉升，將白車身抬離焊接夾具，滑橇水平運動將白車身輸送至下工位，升降滾床整體下降，同時將白車身放置在焊接夾具上，機器人對白車身進行焊接，過程示意如圖1所示。

圖1 升降滾床機構(gòu)工作過程

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

升降滾床主要由高速滾床、升降機構(gòu)、滑撬定位組件三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，現(xiàn)場實際運用如圖3所示。

圖2 升降滾床的結(jié)構(gòu)

圖3 升降滾床機構(gòu)現(xiàn)場

2.1 高速滾床

高速滾床由電機、皮帶輪、支撐架、檢測開關(guān)、棍軸、導(dǎo)向輪、皮帶、皮帶張緊輪等組件組成。五組棍軸均勻布置在由矩形鋼管焊接并精加工而成的支撐架上。電機設(shè)計在滑橇前進方向的一端，不占用兩側(cè)工裝的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，且皮帶的受力一致性好。高速滾床的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 高速滾床的結(jié)構(gòu)

高速滾床利用摩擦傳動原理來實現(xiàn)白車身水平方向的高速輸送。電機啟動，驅(qū)動與電機出軸直連的皮帶輪轉(zhuǎn)動，并通過皮帶將動力傳遞給支撐架上的五組棍軸，固定在棍軸上包膠棍輪與棍軸一起旋轉(zhuǎn)。滑撬通過撬體與包膠棍輪間產(chǎn)生的摩擦力在滾床上做高速運動。

2.2 升降機構(gòu)

凸輪傳動結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能方便地設(shè)計凸輪輪廓以實現(xiàn)從動件預(yù)期的運動規(guī)律[2]。升降機構(gòu)采用凸輪傳動結(jié)構(gòu)，將凸輪的等速回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樯蹬_連續(xù)的升降運動。

升降機構(gòu)由升降臺、電機、減速機、凸輪擺臂、導(dǎo)向桿、安全托架、萬向聯(lián)軸器、檢測開關(guān)、底板等組成。減速機一與電機直接連接，減速機一和減速機二安裝在高精度的底座上并通過十字萬向聯(lián)軸器傳遞動力。四組凸輪擺臂機構(gòu)直接安裝在減速機側(cè)面出軸上，保證了兩個減速機出軸的同步轉(zhuǎn)動。升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

升降機構(gòu)的工作原理是電機啟動，兩個減速機帶動四個凸輪擺臂作回轉(zhuǎn)運動，擺臂上的軸承將升降臺頂升。升降臺通過4組導(dǎo)向桿進行精確導(dǎo)向，確保升降的平穩(wěn)。到位檢測開關(guān)檢測到升降臺上升到位后，電機抱閘，保持升降臺的停止位置不變。

在維修時，將安全托架撐起，可以保證設(shè)備在斷電狀態(tài)下維修維護的安全。

升降機構(gòu)采用結(jié)構(gòu)簡單的凸輪擺臂機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，運動軌跡簡單，零件易于加工，且加工精度易于控制。

2.3 滑橇定位機構(gòu)

通過接近開關(guān)和機械機構(gòu)定位相結(jié)合的方法來實現(xiàn)滑撬的精確定位。

在滾床側(cè)面設(shè)計有軸承，對滑橇進行導(dǎo)向，控制滑橇的X向偏移，同時保證滑撬輸送的平穩(wěn)。在升降滾床上設(shè)計定位銷，同時在滑橇上設(shè)計定位孔，通過定位銷和定位孔的配合，保證滑橇在X、Y兩個方向上的重復(fù)定位精度。

滑撬定位的工作原理是滑橇通過接近開關(guān)檢測其到位后停止，滾床上的定位銷上升并伸入滑橇的定位孔中，對滑橇精確定位，定位精度可達到±0.15 mm，其精度能夠滿足白車身的焊接要求?；司_定位的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 滑橇精確定位的結(jié)構(gòu)

3 電機選型計算

3.1 高速滾床電機選型

高速滾床的電機選用變頻減速電機，可實現(xiàn)變頻調(diào)速。所有電機通過PLC統(tǒng)一調(diào)整變頻器來調(diào)整滑橇速度?；羷蛩偎俣鹊挠嬎愎饺缦拢?/p>

S 為工位節(jié)距（m）；a1為加速段加速度（m/s2）；t1為加速段時間（s）；V2為勻速速度（m/s2）；t2為勻速時間（s）；a3為減速段加速度（m/v）；t3為減速段時間（s）.

工位節(jié)距S=6 m，加速時間t1=1 s，勻速時間t2=3.8 s，減速時間 t3=1.2 s.由式（1）（2）可計算得滑橇勻速速度為1.22 m/s.

滾床與滑橇不存在打滑現(xiàn)象，故滾床包膠輪外徑的線速度為1.22 m/s.滾床上的皮帶輪與電機上的皮帶輪直徑相同，其傳動比為1∶1，包膠輪和皮帶輪均通過鍵連接在傳動軸上，其轉(zhuǎn)速相同。電機的輸出轉(zhuǎn)速計算如下：

V1為包膠輪外徑線速度；R1為包膠輪外徑（m）；n1為包膠輪轉(zhuǎn)速（r/s）；n2為滾床皮帶輪轉(zhuǎn)速（r/s）；n3為電機皮帶輪轉(zhuǎn)速（r/s）。

白車身重量為500 kg，滑撬重量為800 kg，電機效率為0.8，功率安全系數(shù)為1.5，摩擦系數(shù)取0.1.電機功率計算如下：

P1為實際消耗功率（kW）；μ為摩擦系數(shù)（取0.1）；m1為白車身質(zhì)量（kg）；m2為滑橇質(zhì)量（kg）；V 為滑橇勻速速度（m/s）；P為電機功率（kW）；η 為電機效率；s為電機安全系數(shù)。

電機的輸出扭矩主要是用來克服滑橇與滾輪之間的摩擦力，故計算公式如下：

M為電機輸出扭矩（N·m）；m1為白車身質(zhì)量（kg）；m2為滑橇質(zhì)量（kg）；μ為滾輪與滑橇的摩擦系數(shù)（取 0.1）；R為皮帶輪外徑（m）。

3.2 升降機構(gòu)電機選型

升降減速機的計算跟水平電機的計算方法基本相同，所不同的是升降臺的速度與減速機的輸出速度是成三角函數(shù)關(guān)系的。圖7所示為凸輪擺臂的速度分解圖。圖7中的1為升降臺，2為凸輪擺臂。

V1為升降臺升降速度（m/s）；V為擺臂線外端速度（m/s）；α為速度夾角；n為電機輸出轉(zhuǎn)速（r/s）；R為凸輪擺臂外端半徑（m）。

圖7 凸輪擺臂速度分解圖

白車身重量為500 kg，滑撬重量為800 kg，升降臺的質(zhì)量為700 kg，電機效率為0.8，功率安全系數(shù)為1.5.電機功率計算如下：

P1為實際消耗功率（kW）；m1為白車身質(zhì)量（kg）；m2為滑橇質(zhì)量（kg）；m3為升降臺質(zhì)量（kg）；V 為升降臺速度（m/s）；P為電機功率（kW）；η為電機效率；s為電機安全系數(shù)。

電機的輸出扭矩主要是用來克服重力力，計算公式如下：

M為電機輸出扭矩（N·m）；m1為白車身質(zhì)量（kg）；m2為滑橇質(zhì)量（kg）；m3為升降臺質(zhì)量（kg）；R為凸輪擺臂的外徑（m）。

SEW品牌電機能耗低，性能優(yōu)越，振動小，噪音低[3]，所以電機品牌選用SEW.根據(jù)以上公式、數(shù)據(jù)計算，并考慮電機安裝維護的方便性，高速滾床電機型號為R57DRE132S4BE5HRTH，升降機構(gòu)電機型號為S97DRS132M4BE11HR.

4 結(jié)束語

本設(shè)計采用升降式高速滾床與滑撬的輸送方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的往復(fù)桿輸送機構(gòu)，減少白車身的輸送時間，提高生產(chǎn)效率，同時實現(xiàn)多種車型柔性化生產(chǎn)，提升車間自動化率，廠房、公用動力設(shè)施和通用設(shè)備一次性投入，設(shè)備利用率高。

本設(shè)計已經(jīng)成功運用于焊裝車間的焊裝主線，并推廣至補焊生產(chǎn)線等生產(chǎn)線。