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摘要：简要介绍在摩托车车架焊接作业中使用工业机器人的技术。主要内容有总体设计思想、焊接工作站的构成、变位机和夹具体的结构等。这种工作站对其它不同工件的焊接作业也有参考意义。
关键词：机器人；焊接；摩托车
1前言
工业机器人不仅能提高生产效率，而且能大大提高产品质量，因而在焊接领域的应用非常广泛。本文通过摩托车焊接的实例，介绍这种类型工作站的组成及主要技术。
摩托车车架是由一些散件焊接而成的。某些散件在前期的工序中已焊成某种形状，在最后的车架总成焊接时作为一个零件对待，车架散件如图1a所示。这些散件必须在夹具上能够逐一定位并夹紧，而且夹具与夹具之间不能发生干涉，又要便于焊接。由此可知，车架用一次定位夹紧是相当困难的，应当将其分块作业。 （图片）
图1车架构成及车架分解方案
(a)车架构成示意图(b)车架分解方案另外，还要考虑到散件的预点焊，机器人的焊接速度，焊缝的焊接时间分配，起、收弧时间及夹具间和机器人与夹具间的作业干涉问题。经过计算、作图检查和规划之后，将作业内容分为主管预点焊、主管完成焊、车架预点焊、车架完成焊四个工序，相应地要设立四个机器人焊接工作站。
2总体布局
在制作总体方案之前，应首先做三件事
(1)夹具体尺寸的估算。分析各散件的定位夹紧方案并留有一定的余地，估算出夹具体的外形及大小，必要时要用作图法估算。
(2)确定变位机的基本形式。工件夹具体应当能变换位置，使工件各处的焊缝可以适应机器人可能的焊枪姿态；另外，为充分发挥机器人的工作能力，要把工件的装卸时间尽可能地与机器人的工作时间重合起来，最好设置两套夹具装置能相对机器人实施交换。
(3)按持重和工作空间初选机器人型号。
对于某种工件的具体作业内容，随着机器人的使用数量、工厂的投资、自动化程度、操作方式、车间设备布局、物流方式以及设计人员的技术水平等多种因素的变化，可以形成多套总体设计方案，经过认真分析研究，反复对比，最后优选出一套切合实际的可行方案。对摩托车车架焊接作业，在实际设计中，共做出5种方案。从自动化程度、成本、生产率及用户意见出发，最后选定的总体布局方案如图2所示。（图片）
图2摩托车车架机器人焊接生产线总体布局图分析车架结构，显然从主弯管与油箱的结合部分解是一种较好的方案，如图1b所示。也就是先把1、2、3、4、5和6号散件焊成一体，再与7、8、9和10号散件焊接。
总体布局共设四个工作站。第1、3工作站均为机器人点焊，第2、4工作站为主管组件和车架总成的完成焊。每个工作站均使用3自由度转台，分两个工作位，机器人在里侧工作位作业时，人工可在外侧装卸及设置工件。
工作站除了机器人本体、变位机和夹具体外，还有焊接电源、保护气系统、送丝系统和控制系统几部分，其典型配置如图3所示。焊接电源的正负极分别通过导线接在焊丝和变位机机体上；送丝电机一般装在机器人本体上，丝盘和丝桶则装在一个架子上或放于地面；保护气管通过专用接头与送丝机连接；机器人控制箱和电控箱联合控制整个工作站的协调作业。（图片）
图3机器人焊接工作站典型配置
1.碰撞传感器装置2.焊枪3.焊枪导管4.送丝装置5.电机架
6.导管支架7.接头8.线管旋转支架9.保护气管10.压力表
11.保护气瓶12.送丝管13.控制导线14.空气开关15、16.电源线17.焊机18.显示器19.示教盒20.机器人控制柜21.控制柜门22.碰撞传感器导线23.一体化导线24.接头25.焊丝盘26.焊丝筒27.焊接正极导线28、29.电源线30.焊接负极导线31.SK6机器人32.变位机3夹具体及变位机
图4是一个三轴双支点变位机，我们分析其具体的机械结构。H型结构支架装在转台上，可旋转180°，变换两套夹具体的位置。在H型支架上装有两套双支点转动系统，分别驱动两个夹具体，可使机器人相对于工件找到最佳的作业位置。在H型支架四角下方的架台上装了四个气缸，它们驱动的定位销及托销使H型支架准确定位，并可以防止在操作力等外力的作用下，因H型支架变形而影响机器人的作业质量。（图片）
图4三轴双支点变位机俯视图转台结构如图5所示，交流伺服电机通过RV减速器和齿轮副使主轴带动H型支架旋转，在0°、180°两个位置，用接近传感器、超限开关和挡块完成停止位置和出现故障时的检测和定位。主轴的中部有一个通孔，下端装有引线和引管支架，导线及软管通过主轴心部从下至上引到H型支架内，分别送到各接线和接管处，引线和引管支架与固定在箱体上的支架之间采用可弯曲的链式管路保护套。
安装夹具体的双支点旋转系统的结构如图6所示。夹具体装在主动侧和被动侧的接手上，主动侧的交流伺服电机通过RV减速装置驱动夹具体旋转。被动侧的转轴是中空的，旋转进气活接头安装在转轴的尾部，压缩空气从尾部引入，从转轴的前端面引出。焊接电源的负极固连在轴承箱右侧的压块上，在弹簧的作用下，压块始终与转轴接触，以保证良好的导电性，并且电流不通过轴承。转轴前端的轮盘是电线的释放和收集装置。夹具体旋转的极限位置是通过两个接近开关检测的，如果接近开关出现故障，主动侧接手后部的撞块会由死挡块限位而停转。
安装在转台上的夹具体分两类。1、2工作站为板式夹具体，3、4工作站为框架式夹具体，如图7所示。虽然结构形式不同，但通过接手可以安装在结构尺寸相同的转台上。每个夹具体上散件的夹紧均采用气动方式，其结构则随散件形状、定位方式和夹紧位置等的差异而有所不同。（图片）
图5转台结构示意图（图片）
图6双支点旋转系统结构示意图（图片）
图7各工作站夹具体形状4结束语
摩托车车架托焊接机器人工作站的总体设计思想、系统组成以及关键技术可以用于其它工件种类的焊接作业中，无论哪种工件，在使用机器人时，都必须对工件毛坯的精度提出较严格的要求，再通过一些针对工件特点的末端执行器、变位机、夹具体等的非标准设计，就能在作业中引入机器人，从而大大提高生产率和产品质量，增加企业的竞争活力。
作者简介：郗安民(1957-)，男，山西定襄人，北京科技大学机电工程研究所，副教授。
作者单位：郗安民（北京科技大学机电工程研究所，北京 100083）
刘颖（北京科技大学机电工程研究所，北京 100083）
刘鸿飞（北京科技大学机电工程研究所，北京 100083）
5/31/2007
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