項目四

焊接機器人工作站的工裝夾具選型與設(shè)計

4.1項目任務下達4.1.1任務描述某校企合作企業(yè)（甲方）需要對汽車分離軸合件、換檔軸合件、選檔軸合件等三大類軸臂合件進行焊接，現(xiàn)將分離軸臂合件的焊接專用夾具委托給學校（乙方）進行設(shè)計。分離軸臂合件由叉軸和叉臂兩部分焊接而成。要求圖4-1柔性焊接機器人工作站總體布局焊接應有相對應的焊接工裝臺，要能根據(jù)其大類的某一焊件技術(shù)要求自動調(diào)整焊接定位元件位置，只需人工完成上下料作業(yè)。15-20s／件（單件焊接節(jié)拍，不含輔助時間），每套焊接工作臺配置5個焊接工位。生產(chǎn)效率如圖4-1所示柔性焊接工作站的總體布局，以焊接機器人為中心，八邊形的環(huán)形布局，布置7套焊接工裝臺，留一邊進出口。每一大類工裝臺錯開布置，兩個工裝臺焊接同一個品種時，保證安全間隔距離。4.1.1任務描述現(xiàn)甲方提供了分離軸臂合件的圖紙，如圖4-2所示。圖4-2分離軸合件焊接工序圖a）叉軸零件圖(b）叉臂零件圖(c）軸臂合件焊接工序圖技術(shù)要求1.焊接后去除焊渣，飛瘤；焊接技術(shù)規(guī)范參照Q/WLYJ10154—2017;2.焊后可承載轉(zhuǎn)矩≥339.3N·m;3.表面鍍白鋅處理，外觀顏色與達克羅處理的顏色一致；鹽霧試驗要求：120h內(nèi)不允許出現(xiàn)黑點銹，144h內(nèi)不允許出現(xiàn)紅銹。4.1.2工序分析技術(shù)要求1.焊接后去除焊渣，飛瘤；焊接技術(shù)規(guī)范參照Q/WLYJ10154—2017;2.焊后可承載轉(zhuǎn)矩≥339.3N·m;3.表面鍍白鋅處理，外觀顏色與達克羅處理的顏色一致；鹽霧試驗要求：120h內(nèi)不允許出現(xiàn)黑點銹，144h內(nèi)不允許出現(xiàn)紅銹。(c）軸臂合件焊接工序圖中批量生產(chǎn)。生產(chǎn)綱領(lǐng)材料為45鋼，工件的最大直徑為Φ22mm，軸頸直徑為Φ18mm，兩端面均已完成加工；半圓鍵槽直徑為Φ25mm，其距離右端面距離148±1mm。叉軸材料為Q235A，工件上分布有3個孔，孔1、孔2和孔3的直徑分別為Φ21mm、Φ10mm、Φ8mm，孔1和孔2的中心距為145±0.1mm，孔2和孔3的中心距為30mm，所有面均已完成加工。需要完成叉軸Φ21mm軸頸與叉臂Φ21mm內(nèi)孔的焊接工序。叉臂圖4-2分離軸合件焊接工序圖4.1.2工序分析技術(shù)要求1.焊接后去除焊渣，飛瘤；焊接技術(shù)規(guī)范參照Q/WLYJ10154—2017;2.焊后可承載轉(zhuǎn)矩≥339.3N·m;3.表面鍍白鋅處理，外觀顏色與達克羅處理的顏色一致；鹽霧試驗要求：120h內(nèi)不允許出現(xiàn)黑點銹，144h內(nèi)不允許出現(xiàn)紅銹。(c）軸臂合件焊接工序圖叉軸和叉臂工件均已完成加工，且結(jié)構(gòu)簡單，本工序只需要完成焊接工序。在實際生產(chǎn)中，分離軸臂合件約100多個規(guī)格，分離叉軸長度范圍約200mm~500mm，分離叉臂的二個孔間距50mm~200mm，具體以甲方提供為準，工裝定位需留有20mm余量，焊接角度范圍約正負40度。故需要設(shè)計叉軸和叉臂定位調(diào)整機構(gòu)以期適應不同批次不同規(guī)格的生產(chǎn)計劃。結(jié)構(gòu)分析圖4-2分離軸合件焊接工序圖4.1.2工序分析技術(shù)要求1.焊接后去除焊渣，飛瘤；焊接技術(shù)規(guī)范參照Q/WLYJ10154—2017;2.焊后可承載轉(zhuǎn)矩≥339.3N·m;3.表面鍍白鋅處理，外觀顏色與達克羅處理的顏色一致；鹽霧試驗要求：120h內(nèi)不允許出現(xiàn)黑點銹，144h內(nèi)不允許出現(xiàn)紅銹。(c）軸臂合件焊接工序圖本工序要求叉臂的中心線和半圓鍵左右工作面的對稱線所成夾角為

，叉軸軸線和叉臂底面未注垂直度公差按照GB/T1184-L執(zhí)行，精度要求較低。精度分析焊接機器人工作站采用PLC現(xiàn)場總線對焊接機器人、焊接工裝臺等各種外設(shè)的通訊工作進行整體聯(lián)動控制，實現(xiàn)焊接工裝臺夾具的定位元件自動調(diào)整與自動焊接作業(yè)。采用人工上下料方式，即放置叉軸、叉臂焊件無誤后，按動啟動按鈕，自動夾緊，焊接機器人按預設(shè)的程序?qū)υ摴ぱb臺上的叉軸叉臂合件進行自動焊接。焊接完成后，焊接機器人歸位預設(shè)零位，等待下一個焊接指令。自動化程度圖4-2分離軸合件焊接工序圖項目四

焊接機器人工作站的工裝夾具選型與設(shè)計

4.2方案選擇金華職業(yè)技術(shù)大學

黃鵬程4.2方案預備涉及計算機、電子、傳感器、自動控制等多門學科內(nèi)容；工業(yè)機器人的運動控制裝上了焊鉗或者各種焊槍的工業(yè)機器人，是專門用來執(zhí)行焊接任務的自動化機械設(shè)備，通過使用先進的焊接技術(shù)和計算機控制系統(tǒng)；焊接機器人可以實現(xiàn)對金屬工件的精確焊接，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境。采用機器人代替手工焊接作業(yè)4.2.1典型工業(yè)機器人夾具的結(jié)構(gòu)、特點和作用焊接機器人的組成1.焊接機器人本體一般是伺服電動機驅(qū)動的六軸關(guān)節(jié)式操作機，由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成，任務是精確地保證機械手末端——焊槍所要求的位置、姿態(tài)和運動軌跡。焊接工裝夾具主要滿足工件的定位、裝夾，確保工件準確定位、減小焊接變形，同時要滿足柔性化生產(chǎn)要求。柔性化就是要求焊接工裝夾具在夾具平臺上快速更換，包括氣、電的快速切換。夾具平臺要求滿足焊接工裝夾具的安裝和定位，根據(jù)工件焊接生產(chǎn)要求和焊接工藝要求的不同，其設(shè)計形式也不同。它對焊接機器人系統(tǒng)的應用效率起到至關(guān)重要的作用。通常都以設(shè)計形式和布局來確定其工作方式?？刂葡到y(tǒng)機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要是對焊接機器人系統(tǒng)硬件的電氣系統(tǒng)控制，通常采用PLC為主控單元，人機界面觸摸屏為參數(shù)設(shè)置和監(jiān)控單元以及按鈕站，負責處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。焊接電源系統(tǒng)包括焊接電源、專用焊槍或點焊鉗等，焊接電源根據(jù)種類和應用廣泛程度不同可分為弧焊機器人和阻焊機器人。4.2.1典型工業(yè)機器人夾具的結(jié)構(gòu)、特點和作用焊接機器人的組成1.圖4-3

典型弧焊機器人工作站的基本組成1、

弧焊機器人2、工作臺4、防撞傳感器6、

焊絲盤

5、送絲機

7、氣瓶8、

焊接電源3、

焊槍9、

三相電源10、

機器人控制柜

11、

編程器4.2.1典型工業(yè)機器人夾具的結(jié)構(gòu)、特點和作用焊接機器人的特點2.0405010203穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。改善工人的勞動條件。遠離焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。提高勞動生產(chǎn)率，可24小時

連續(xù)工作。產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確?？煽s短產(chǎn)品改型換代的周期，減小相應的設(shè)備投資。機器人與專機的區(qū)別機器人可以通過修改程序以適應不同工件的生產(chǎn)。4.2.1典型工業(yè)機器人夾具的結(jié)構(gòu)、特點和作用焊接夾具的作用3.焊接工裝夾具就是將焊件準確定位和可靠夾緊，使得焊件在裝配和焊接過程中保持穩(wěn)定，以保證焊件結(jié)構(gòu)精度方面要求的工藝裝備。01穩(wěn)定焊接結(jié)構(gòu)焊接工裝通過固定和支撐待焊接部位，防止了焊接過程中的變形，提高了焊接的穩(wěn)定性和可靠性，保證焊接的質(zhì)量。02簡化焊接操作簡化復雜的焊接操作，提高工作效率。03保證一致性確保每次焊接的工藝參數(shù)一致，提高焊接結(jié)果的可重復性。04提高安全性保護焊接操作員免受燙傷、電擊等危險，同時減少對周圍環(huán)境的污染。05優(yōu)化生產(chǎn)流程提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。06促進新工藝的實施適應新的焊接工藝要求，推動企業(yè)不斷改進和采用新的焊接技術(shù)。4.2.2焊件的定位原理六點定則1.在進行焊接作業(yè)時，首先應使焊件在夾具中得到唯一確定的正確位置，將焊件按照圖樣要求得到確定位置的過程稱為焊件的定位。焊件定位后，其在裝配、焊接過程中這一正確位置始終保持不被破壞的過程叫做焊件的夾緊。焊件在夾具中定位通過限制焊件的自由度實現(xiàn)，即焊件的自由度越少，其位置的確定性越高。對于焊件來說和前述學習的工件的定位原則一致。在空間合理分布最多六個定位點（由定位元件抽象而來）限制焊件的六個自由度，使其獲得一個完全確定的位置的方法叫做焊件的六點定則原理。4.2.2焊件的定位原理圖4-4

汽車車門的定位和夾緊第一基準面上所需的定位點數(shù)為N(N>3)，第二、第三基準面的定位點分別為2個和1個，并且禁止在正反兩側(cè)同時設(shè)置定位點。這類工件的剛性小，極易變形。該原理主要適用于尺寸較大的薄板沖壓件。在薄板焊接時，主要產(chǎn)生波浪變形，為防止這種變形，需要采用比較多的輔助定位點和輔助夾緊點來定位，即在第一定位基準面上采用過定位的方式增強薄板件的剛性，限制和減少焊接加工中在該方向上的變形。對于復雜外形的薄板焊接件，一般采用與工件的型面相同或相似的定位件來定位，即型面定位。N-2-1定位原理2.4.2.2焊件的定位原理N-2-1定位原理2.圖4-5擋鐵的形式(a)固定式(b)可拆式(c)可退出式裝焊時為保證焊件在夾具中獲得正確裝配位置的零件或部件稱為定位器或定位機構(gòu)。定位原理平面定位圓孔定位外圓柱面定位組合定位常用的平面定位器有擋鐵、支承釘和支承板。擋鐵

一種應用廣泛、結(jié)構(gòu)簡單的定位元件。通常在所焊裝置或零件邊緣適當?shù)嘏渲媒卿?、矩形板等，使焊件在水平面或垂直面?nèi)進行定位，通常應用于加工精度要求不高的場景。（1）平面定位

焊件以平面作為定位基準4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計

焊件以平面作為定位基準平面定位1.圖4-6永磁式擋鐵(a)直角用(b)多用(c)實用實例

永磁式定位擋鐵一般采用永磁材料及軟鋼制成，適用于鐵磁性金屬材料的焊接，特別是中小型板材及管材的定位裝夾。常用的平面定位器有擋鐵、支承釘和支承板。常用平面定位器擋鐵支承釘支承板（1）擋鐵4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計可調(diào)支承釘

支承板

(a)A型平頭支承釘(b)B型圓頭支承釘(c)C型鋸齒形支承釘1、可調(diào)支承螺釘2、螺母(b)A型平面支承板(b)B型帶屑槽式支承板（2）固定支承釘

焊件以平面作為定位基準平面定位1.4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計內(nèi)孔定位2.在焊接工藝中，以焊件的內(nèi)孔，如裝配孔、螺孔及專用定位孔等作為定位基準也是常見的定位方式。對焊件的內(nèi)孔定位，常常采用定位銷、圓錐銷兩種定位元件。按消除自由度數(shù)目不同，定位銷分為圓柱銷、削邊銷，一般采用過盈配合或過渡配合壓入夾具體的安裝孔中，其用于限制焊件自由度的工作面與焊件配合多為間隙配合。4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計內(nèi)孔定位2.定位銷固定式定位銷可換式定位銷可拆式定位銷可退出式定位銷按照安裝方式不同A型B型圓錐銷常對工件孔緣進行定位，限制工件3個自由度。圓錐面上沒有槽的用于精基準定位，圓錐面上有槽的用于粗基準定位。4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計

焊件以外圓柱面-定位基準面外圓柱面定位3.圖4-7V型塊的結(jié)構(gòu)和尺寸多采用V形塊。V形塊兩工作面的夾角α一般分為60°、90°和120°三種，焊接夾具中90°V形塊最為常用均已標準化。有固定式V形塊、調(diào)整式V形塊、活動式V形塊幾種形式。V形塊（GB/T2208）的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖4-11所示。定位元件V型塊4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計V形塊選型外圓柱面定位3.圖4-7V形結(jié)構(gòu)和尺寸塊（JB/T8108.1-1999）表4-1V形塊選型表NDLBHFC2C3mC1dd1d2h1h公稱

尺寸極限

偏差H795~10321610205725.54+0.012

04.584514>10~153820122669475.5105718>15~20462516329126856.6116924>20~2555204081132>25~307032255012151210691581442>30~45854032641619<161280.01501118101855>45~601003576202270>60~80125504296202030151013.520122585>80~100<140501104030注：尺寸T按公式計算：T=H+0.707D-0.5N4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計V形塊選型外圓柱面定位3.當工件轉(zhuǎn)動時，V形塊的兩個傾斜工作面也可以設(shè)計成兩個滾輪或長輥軸以減小定位面的磨損，如圖4-8所示。(a)傾斜工作面(b)長輥軸工作面圖4-8

工件的準定位4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計非標V形塊設(shè)計外圓柱面定位3.若需自行設(shè)計非標V形塊表4-2非標V形塊尺寸計算表計算項目符號計算公式工作夾角a6090120標準定位

高度TT=H+D-0.866NT=H+0.707D-0.5NT=H+0.577D-0.289N開口尺寸NN=1.15(D-k)N=1.41D-2kN=2D-3.46k參數(shù)kk=(0.14～0.16)DV形塊高度H的選取:大直徑定位時，取H≤0.5D

:小直徑定位時，取H≤1.2D。T的計算式為T-H=OE-CEOE=0.5D/sin(a/2)CE=0.5N/tan(a/2)即T=H+0.5D/sin(a/2)-0.5N/tan(a/2)…...................（4-1）4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計型面定位4.利用與工件型面相同或相似的定位件來實現(xiàn)工件的定位。這種定位方式通過定位件的工作表面與工件的相應外表面緊密接觸，確保工件在焊接過程中的正確位置和形狀，一般適用于形狀復雜、剛性較小的工件，如汽車車身覆蓋件等。圖4-9

型面定位如圖4-9所示，托板1和2確定了工件的位置和形狀，托板2上的凹槽是為了減少夾具與工件的接觸面積及作為工件變形的補償，可以減少型面的加工量。4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計型面定位4.如圖4-10，汽車車門的裝焊胎具也是采用型面定位，利用與車門外表面形狀相同或相似的定位件（如胎模面）實現(xiàn)定位。定位件的工作表面與車門的相應外表面緊密接觸，確保車門在焊接夾具中的正確位置。圖4-10

汽車車門的裝焊胎具4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計定位器的材料及技術(shù)要求5.適當?shù)募庸ぞ龋己玫哪湍バ约坝捕?。材料特性要求材料要?定位元件一般可選用45、40Cr等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金鋼制造，或選用T8、T10等碳素工具鋼制造，并經(jīng)淬火處理，以提高耐性。2對于尺寸較大或需裝配時配鉆、鉸定位銷孔的定位元件（如固定V形塊），可采用20鋼或20Cr鋼，其表面滲碳深度0.8~1.2mm，淬硬達54~60HRC。3若V形塊在較大夾緊力等負荷下工作時，即使V形塊的尺寸較大，不宜采用低碳鋼滲碳淬火，否則可能因單位面積壓力過大，表硬內(nèi)軟而產(chǎn)生凹坑，此時仍以選用碳素工具鋼或合金工具鋼制造為宜。4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計定位器的材料及技術(shù)要求5.其余技術(shù)要求1剛度、制造精度和安裝精度如在導向基面和定程基面上的定位器，常承受焊件因焊接而產(chǎn)生的變形力，要有足夠的強度和剛度。2定位精度定位方案的設(shè)計，要求符合定位原理，應有足夠的定位精度。3定位誤差大小、生產(chǎn)適應性、經(jīng)濟性等定位方案的設(shè)計，要求符合定位原理，應有足夠的定位精度。定位元件推薦材料熱處理要求標準支承釘D≤12mm,T7A;

D>12mm,20鋼淬火60~64HRC;

滲碳深0.8~1.2mm,淬火60~64HRC.GB2226-80支承板20鋼滲碳深0.8~1.2mm,淬火

60~64HRC;GB2236-80可調(diào)支承螺釘45鋼。頭部淬火38~42HRC,L>50mm

整體淬火33~38HRC定位銷D≤16mm,T8A;

D>16mm,45鋼淬火53~58HRC;

滲碳深0.8~1.2mm,淬火53~58HRCGB·220—80A

GB·22—80A定位心軸D≤35mm,T8A;

D>35mm,45鋼淬火55~60HRC;

淬火43~48HRC.一V形塊20鋼滲碳深0.8～1.2mm,

淬火60～64HRCGB·2208-80表4-3

部分定位元件選材及技術(shù)要求4.2.3焊接夾具定位器選型與設(shè)計定位符號的標注6.定位基準選定后，需在工序圖上標注出定位符號，標注方法參照JB/T5061-1991附錄C。定位支承符號見表4-4，輔助支承符號見表4-5。表4-4

定位支承符號表4-5

輔助支承符號4.2.4焊接夾具夾緊機構(gòu)分析焊件的夾緊指焊件在夾具中確定唯一的正確的位置后，在后續(xù)重力、慣性力、裝配錘擊力、焊接應力等作用下保持正確位置不變，保證焊接質(zhì)量和生產(chǎn)安全。焊件夾緊裝置的設(shè)計原則1.工件不移動減小工件的夾緊變形夾緊安全可靠夾緊裝置須高效、經(jīng)濟01020304夾緊過程中，工件不發(fā)生移動。夾緊裝置應保證工件各定位面的定位可靠，不改變工件定位后所占據(jù)的正確位置。夾緊力大小要適當，在保證工件焊接所需夾緊力大小的同時，不產(chǎn)生焊接精度所不允許的變形。夾緊裝置要有足夠的夾緊行程，同時具有可靠的自鎖功能。夾緊裝置的夾緊動作要迅速，使用方便、省力;應便于制造、維修，盡量采用標準化元件。4.2.4焊接夾具夾緊機構(gòu)分析焊接典型夾緊機構(gòu)2.（1）夾（壓）緊工具(a)

楔形夾（壓）器(b)

杠桿式夾（壓）器圖4-11

常見夾（壓）緊工具(c)螺旋夾（壓）器

(d)磁力夾（壓）器4.2.4焊接夾具夾緊機構(gòu)分析焊接典型夾緊機構(gòu)2.（2）拉緊工具拉緊工具是將所裝配零件的邊緣拉到規(guī)定尺寸的工具，常用的有杠桿、螺栓、導鏈等。圖4-12所示為幾種螺栓式拉緊器。圖4-12

螺栓式拉緊器4.2.4焊接夾具夾緊機構(gòu)分析焊接典型夾緊機構(gòu)2.（3）撐具撐具是用來擴大或撐緊裝配件的一種工具，可防止工件變形或矯正焊件變形的場合，通常用于圓筒形制品的裝配。一般利用螺釘或正、反螺釘來達到撐緊的目的。圖4-13所示為幾種常用的撐具。圖4-13

（螺旋）撐具1、

調(diào)節(jié)螺栓2、

撐頭3、

推撐螺栓4.2.4焊接夾具夾緊機構(gòu)分析夾緊符號的標注3.在確定了夾緊力的方向和作用點后，需在工序圖上標注出夾緊符號，見表4-6。表4-6

夾緊符號視圖正面指觀察者面對的投影面

注：框格中代號為夾緊動力源拼音大寫首字母4.2.5焊接夾具動力裝置對于力源來自機械、電力等機動夾緊裝置，統(tǒng)稱為夾具動力裝置。根據(jù)傳動方式不同一般包括氣壓傳動液壓傳動電力傳動電磁傳動夾具動力裝置氣壓裝置的系統(tǒng)如圖4-14所示，包括3個組成部分：氣源、控制部分和執(zhí)行部分。氣壓傳動裝置1.（1）氣壓傳動裝置的組成圖4-14氣壓裝置的系統(tǒng)1、

電動機2、

空氣壓縮機3、

冷卻器4、

儲氣罐5、

過濾器6、

分水濾氣器7、

調(diào)壓閥8、

壓力表9、

油霧器10、單向閥11、

配氣閥12、

調(diào)速閥13、

氣缸14、

壓板15、

工件4.2.5焊接夾具動力裝置氣壓傳動裝置1.圖4-14氣壓裝置的系統(tǒng)1、

電動機2、

空氣壓縮機3、

冷卻器4、

儲氣罐5、

過濾器6、

分水濾氣器7、

調(diào)壓閥8、

壓力表9、

油霧器10、單向閥11、

配氣閥12、

調(diào)速閥13、

氣缸14、

壓板15、

工件（1）氣壓傳動裝置的組成氣源部分包括空壓機、冷卻器、儲氣罐三個主要裝置，一般置于單獨的動力站內(nèi)，也可采用小型移動式空壓機?？刂撇糠职ǚ诌^濾器、分水濾氣器、調(diào)壓閥、壓力繼電器等，一般安裝在工裝的附近。執(zhí)行部分包括氣缸等，能將氣體壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，實現(xiàn)所需要的動作，如定位、夾緊等，直接裝在夾具上。4.2.5焊接夾具動力裝置圖4-15

典型氣動夾緊裝置氣壓傳動裝置1.（2）氣缸的類型及出力計算①氣缸的類型按活塞的結(jié)構(gòu)氣缸分類活塞式薄膜式活塞式氣缸按安裝方式分類固定式擺動式回轉(zhuǎn)式固定式氣缸缸體固定在夾具體上，由活塞桿工作，如圖4-15(a)；或活塞桿固定，由缸體工作，如圖4-15(b)。擺動式氣缸通過氣缸的端部或中部的銷軸工作，工作時氣缸繞銷軸擺動，如圖4-15(c)、(d)。薄膜式氣缸如圖4-15(e)。4.2.5焊接夾具動力裝置圖4-15

典型氣動夾緊裝置圖4-19

單向薄膜式作用氣缸1、

接頭2、3、

彈簧4、

托盤5、

薄膜6、

推桿氣壓傳動裝置1.（2）氣缸的類型及出力計算①氣缸的類型薄膜式氣缸如圖4-22(e)，4-26活塞式氣缸因夾緊行程不受限制而且夾緊力恒定，應用廣泛；氣缸尺寸較大，滑動副之間易漏氣。薄膜式氣缸與活塞式氣缸相比。優(yōu)點外形緊湊，尺寸小，易于制造、維修，無密封問題缺點受薄膜變形量限制，夾緊行程短，一般不超過30~40mm，推力較小，而且夾緊力會隨行程增大而減小。4.2.5焊接夾具動力裝置氣壓傳動裝置1.（2）氣缸的類型及出力計算①氣缸的類型活塞式氣缸按工作方式分為單向作用氣缸雙向作用氣缸單作用氣缸當進氣口有壓縮空氣進入時推動活塞運動；當沒有壓縮空氣進入時活塞在彈簧或重力作用下退回到原來的位置。圖4-16單作用氣缸（a）彈簧復位氣缸

（b）重力復位氣缸4.2.5焊接夾具動力裝置氣壓傳動裝置1.（2）氣缸的類型及出力計算①氣缸的類型雙作用氣缸一側(cè)作為壓縮空氣的進氣口時，另一側(cè)就作為排氣口，在兩側(cè)形成氣壓差，使活塞桿往一個方向運動，交替進行實現(xiàn)了氣缸活塞的雙向運動。圖4-17雙作用氣缸圖4-18雙作用氣缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.2.5焊接夾具動力裝置氣壓傳動裝置1.（2）氣缸的類型及出力計算②氣缸的出力計算活塞式氣缸單作用氣缸和雙作用氣缸的出力計算公式不同。若已知氣缸直徑D和氣缸工作壓力p，可按表4.7計算輸出軸向力Fk的大小。若按夾具所需的軸向力來自行設(shè)計氣缸時，則令Fk=F，按表4.7中的公式計算氣缸內(nèi)徑D。將計算得出的氣缸內(nèi)徑按標稱缸徑系列（GB/T2348—2018）圓整，再進行氣缸筒壁厚度和活塞桿直徑等計算。表4-7活塞式氣缸輸出軸向力計算公式4.2.5焊接夾具動力裝置氣壓傳動裝置1.（2）氣缸的類型及出力計算②氣缸的出力計算薄膜式氣缸薄膜式氣缸輸出軸向力與膜片的形式有關(guān)，輸出力計算公式可參考表4-8。表4-8薄膜式氣缸輸出軸向力計算公式注：表中公式只適用于雙作用的氣缸，若為單作用氣缸，作用力中應減去彈簧阻力R（同表4.7中的活塞式單作用氣缸）。4.2.5焊接夾具動力裝置氣壓傳動裝置1.（2）氣缸的類型及出力計算各種類型的氣缸現(xiàn)已標準化和系列化，它們的軸向力（推力或拉力）以及各結(jié)構(gòu)參數(shù)等均可在各類機械設(shè)計手冊中查到。在工裝設(shè)計時，一般是先根據(jù)工作情況選定氣缸的類型，再根據(jù)工件所需夾緊力確定氣缸需要輸出的推力（或拉力），直接從手冊或產(chǎn)品樣本中選用。有特殊要求時，通過計算確定氣缸的直徑及其他參數(shù)。氣動機構(gòu)中的重要組成元器件，在國內(nèi)外均有標準化和系列化的產(chǎn)品，有重型、輕型、小型、微型等類別，每一類別都有各自的系列，大都符合ISO標準，包括氣缸用的支座和活塞桿的接頭也有相應的系列標準，能滿足產(chǎn)品互換性要求。4.2.5焊接夾具動力裝置氣壓傳動裝置1.（3）氣壓傳動裝置的特點缺

點空氣壓縮性大，夾具的剛度和穩(wěn)定性較不佳；在產(chǎn)生相同原始作用力的條件下，因工作壓力低，導致動力裝置的結(jié)構(gòu)尺寸大；較大的排氣噪聲?？諝饪删偷厝〔?，無介質(zhì)應用損失和供應困難，管路不易堵塞，使用過的空氣可直接排入大氣，容易保持清潔，不需要回收。傳動動作迅速、反應靈敏，易實現(xiàn)自動化控制。氣壓為0.5MPa時，氣缸活塞速度為1~10m/s，夾具每小時可連續(xù)松夾上千次。工作壓力低，一般為0.4~0.6MPa，傳動結(jié)構(gòu)簡單，對裝置材料及制造精度要求不高，成本低?？諝怵ざ刃?，在管路中的損失較少，便于集中供應和遠距離輸送，易于集中操縱或程序控制等。010203044.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.在現(xiàn)代制造業(yè)中，由于機床轉(zhuǎn)速高、切削用量大、要求夾緊力大等因素，液壓傳動裝置因其壓力大、傳動平穩(wěn)的特點在夾具中的應用愈來愈廣泛。當在多臺非液壓機床上使用液壓夾具，采用集中泵站供油方式時可以體現(xiàn)出液壓夾具的優(yōu)越性。（1）液壓泵站油路系統(tǒng)圖4-20

YJZ型液壓泵站1、

夾具微型液壓缸2，9，12、

濾油器3、

快換接頭4、溢流閥5、

高壓軟管6、

電接點壓力表7、

單向閥8、柱塞泵10、電磁卸荷閥11、電動機13、油箱（a）外形圖（b）油路系統(tǒng)4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.液壓泵站輸出的液壓油油壓高（最高工作壓力16~32MPa），工作液壓缸直徑尺寸小，如圖4-21所示。微型液壓缸可直接安裝在機床工作臺或夾具體上，如圖4-22。(a)所示為通過T形槽安裝在工作臺上，（b)所示為液壓缸安裝在夾具體孔中并用螺釘緊固，圖(c)所示為液壓缸直接旋入夾具體螺紋孔中。（1）液壓泵站油路系統(tǒng)圖4-21微型液壓缸1、

工件2、壓板4、

液壓缸4、

管接頭圖4-22

微型液壓缸的安裝方式（a）T形槽安裝式（b）螺釘緊固式（c）螺孔旋入式4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的、做直線往復運動的液壓執(zhí)行元件。（2）液壓缸的類型液壓缸結(jié)構(gòu)上基本組成缸筒和缸蓋活塞和活塞桿密封裝置緩沖裝置排氣裝置按運動形式分液壓缸直線運動式擺動式在焊接工裝中主要使用直線運動式，其輸出的是軸向力。直線運動式液壓缸常用形式見表4-9。表4-9

直線運動式液壓缸常用形式圖4-23

雙作用單活塞桿液壓缸4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.（2）液壓缸的類型活塞式液壓缸按結(jié)構(gòu)形式可分單桿式雙桿式按液壓力的作用情況單作用式雙作用式雙作用式液壓缸通過兩腔交替進油，實現(xiàn)活塞的雙向運動，具有更高的靈活性和效率。單作用式液壓缸適用于某些特定場合，如需要外力輔助回程的場合。1、

缸底2、

彈簧擋圈3、

套環(huán)4、

卡環(huán)5、

活塞6-0、

形密封圈7、支承環(huán)8、

擋圈9、Y形密封圈10、

缸筒11、

管接頭12、

導向套13、

缸蓋14、

防塵圈15、

活塞桿16、定位螺釘17、

耳環(huán)4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.（3）液壓缸出力計算設(shè)計液壓傳動工裝時，一般是根據(jù)工裝結(jié)構(gòu)方案和動作要求先選定液壓缸的類型及安裝方式，根據(jù)作用力的需要確定液壓缸輸出的軸向力計算缸徑和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，或者根據(jù)已定的缸徑和液壓缸工作壓力計算其輸出軸向力。圖4-24

雙作用單活塞桿液壓缸輸出軸向力計算輸出軸向力F是指壓力油推動活塞使活塞桿產(chǎn)生推力或拉力。F—液壓缸的輸出軸向力，NFh—活塞推力，NFm—摩擦阻力，N,與密封方式有關(guān)，粗計算時可按照

估算Fb—排油阻力，NFg一慣性力，N,粗計算時可忽略不計。4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.（3）液壓缸出力計算輸出軸向力F是指壓力油推動活塞使活塞桿產(chǎn)生推力或拉力。圖4-24

雙作用單活塞桿液壓缸輸出軸向力計算Fh計算時因活塞兩側(cè)的承壓面積不等，故產(chǎn)生的推力也不等，需要分別計算。D—活塞直徑，m;d—活塞桿直徑，m;p—液壓缸工作壓力，MPa,考慮到液壓缸和管道阻力損失，其應等于或小于液壓泵額定壓力的80%?；钊麠U外伸活塞桿內(nèi)縮P?—排油測的油液壓力(即背壓力),Mpa,有背壓閥時p?=0.2～0.6Mpa,無背壓閥時p?=0;A—排油測活塞的承壓面積，m2。4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.（3）液壓缸出力計算說

明如果所需推力Fh和液壓缸工作壓力p已知，用以上公式可計算液壓缸的缸徑、壁厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)。因液壓缸已經(jīng)標準化和系列化，沒有特殊要求，不必進行計算，可以從有關(guān)手冊或產(chǎn)品樣品中按所需活塞桿的推力（或拉力）查出相應的液壓缸的缸徑和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，或根據(jù)液壓缸的缸徑等查出活塞桿的輸出軸向力大小。4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.（4）液壓傳動裝置的特點液壓油油壓高、傳動力大，在產(chǎn)生同樣原始作用力的情況下，液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸是氣壓的1/3~1/4，慣性小。結(jié)構(gòu)緊湊。01油液的不可壓縮性使夾緊剛度高，工作平穩(wěn)、可靠。02液壓傳動噪聲小，勞動條件比氣壓的好，便于頻繁換向。03缺

點對液壓元件的材質(zhì)和制造精度要求高，夾具成本較高，不適合遠距離操縱；因液壓油液受溫度變化影響，故在低溫和高溫情況下會產(chǎn)生影響。4.2.5焊接夾具動力裝置液壓傳動裝置2.（5）氣動和液壓傳動裝置的選擇在工裝設(shè)計中，氣動和液動裝置主要根據(jù)出力大小、活塞行程、安裝方式等進行選擇，主要依據(jù)如下。選型依據(jù)??氣動裝置??液動裝置??出力特性?出力隨速度增加急劇下降，需按負載1.15~2倍備用系數(shù)設(shè)計缸徑出力穩(wěn)定，速度對出力影響小，直接由負載決定壓力?行程設(shè)計?小直徑長行程受制造工藝限制，需評估可行性長行程實現(xiàn)相對容易，但需考慮液壓系統(tǒng)壓力損失?安裝方式?需匹配夾具運動需求（如回轉(zhuǎn)式/軸銷式）多采用固定安裝，復雜運動需配合閥組設(shè)計?緩沖選擇?剛性差焊件需緩沖型，厚板焊件可選無緩沖型通常自帶緩沖裝置，可通過液壓回路調(diào)節(jié)緩沖效果?標準化擴展?集成式氣缸（帶開關(guān)/電磁閥）節(jié)省空間，便于自動化標準液壓缸需外接閥組，定制化程度高?經(jīng)濟性?成本低，適合輕載大批量生產(chǎn)初期投入高，適用于高精度重載場景4.2.5焊接夾具動力裝置電動夾緊裝置3.（1）電力傳動系統(tǒng)的組成電動裝置是以電動機帶動夾具中的夾緊機構(gòu)，對工件進行夾緊的一種方式。最常用的是少齒差行星減速電動卡盤。電動卡盤工作時需要低轉(zhuǎn)速、大扭矩。借助行星減速機構(gòu)可以將電動機高轉(zhuǎn)速、小扭矩變成符合電動卡盤需要的低轉(zhuǎn)速、大扭矩功能。電動機傳動機構(gòu)控制設(shè)備電

源電力傳動系統(tǒng)用同步電動機或異步電動機作為執(zhí)行元件，價格便宜、維護方便、單機容量大以及能實現(xiàn)高速傳動等優(yōu)點，可在某些不適合用直流電動機的情況（如需要防爆、防腐蝕及高轉(zhuǎn)速的情況）交流電動機都能應用。交流電動機調(diào)速裝置復雜，包含交流電源、變頻器、電機和濾波器等組件，某些簡單的方案存在功率因數(shù)低或效率低的缺點。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率的電力電子器件的出現(xiàn)，為交流調(diào)速開辟了廣闊的前景，是一個主要發(fā)展方向。采用各種形式的直流電動機，有良好的調(diào)速性能，在需要進行調(diào)速，特別是需要進行精確控制的場合，直流傳動系統(tǒng)一直占據(jù)統(tǒng)治地位。例如，焊接變位機、滾輪架、回轉(zhuǎn)臺等大多采用直流電動機進行無級調(diào)速。交流傳動系統(tǒng)直流傳動系統(tǒng)4.2.5焊接夾具動力裝置電動夾緊裝置3.（1）電力傳動系統(tǒng)的組成常用焊接工裝直流伺服電動機力矩電動機步進電動機項目機械傳動氣動傳動液壓傳動電力傳動傳遞力中較大大中動作快慢一般較快較慢華傳遞位置精度高較低較高高遠距離操縱近距離中距離近距離遠距離無級調(diào)速困難較容易容易容易環(huán)境溫度普通普通要注意要注意危險性沒問題沒問題注意防火注意漏電載荷變化影響沒有較大有一些幾乎無構(gòu)造一般簡單復雜稍復雜維護簡單一般要求高要求較高價格低低高較高表4-10

常用傳動方式的比較4.2.5焊接夾具動力裝置電動夾緊裝置3.（2）電機的選型54321根據(jù)生產(chǎn)機械的運行特點和靜阻轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)作出生產(chǎn)機械的負載圖根據(jù)負載圖或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，預選一臺容量適當?shù)碾妱訖C，再用該電動機的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)機械的負載圖，作出電動機的負載圖，即電動機在生產(chǎn)過程中的轉(zhuǎn)矩、功率、電流對時間的關(guān)系曲線根據(jù)電動機的負載圖校驗電動機的溫升是否超過允許值。

校驗電動機的瞬時過載能力。在沖擊性負載時，對電動機的發(fā)熱影響不大，但電動機的瞬時過載能力有限，確定電動機容量后，需校驗其瞬時過載能力。選擇電動機的容量應注意，電動機的容量不是任意設(shè)計的，標準電動機的額定容量是分級的，選擇標準電動機時，一般都是往上靠級。電動機容量選擇的基本步驟4.2.5焊接夾具動力裝置電動夾緊裝置3.（2）電機的選型表4-11列出了機械行業(yè)標準（JB/T9187-1999）焊接滾輪架驅(qū)動功率推薦值，表中所列功率值為一臺電動機驅(qū)動一對主動滾輪時的功率，如果用兩臺電動機分別驅(qū)動兩個主動滾輪時，電動機的功率值應為表中所列數(shù)值的一半。表4-11

焊接滾輪架驅(qū)動功率推薦值額定載重量/t0.626102560100160250電動機最小功率/kW0.40.7511.41.42.22.82.85.6表4-12

電動機功率計算公式4.2.5焊接夾具動力裝置電動夾緊裝置3.（2）電機的選型圖4-25焊接工裝中常用交流伺服電機的外形圖4-26焊接工裝中常用交流伺服電機的安裝尺寸表4-13列出了80系列交流伺服電動機規(guī)格型號，用戶可以根據(jù)要求的功率力矩、轉(zhuǎn)速等條件來選擇相應的型號。4.2.5焊接夾具動力裝置電動夾緊裝置3.（2）電機的選型表4-13

80系列交流伺服電動機規(guī)格型號4.2.5焊接夾具動力裝置磁力裝置4.永磁式電磁式由永久磁鐵產(chǎn)生吸力將工件夾緊，常用鋁鎳鈷系合金和鐵氧體等永磁材料來制作，如常見的標準通用永磁工作臺。磁力裝置按磁力來源分優(yōu)點不消耗電能，經(jīng)久耐用，價格低廉，但吸力弱于電磁式。利用電磁力來夾緊焊件的一種器具，其夾緊力較大。4.2.5焊接夾具動力裝置磁力裝置4.供電電源不同電磁夾緊器分為建立的磁通隨電源頻率而變化，因而磁鐵吸力是變化的，工作時易產(chǎn)生振動和噪聲，且有渦流和磁滯損耗，結(jié)構(gòu)尺寸較大，故使用較少。交流電磁夾緊器建立的磁通是不隨時間變化的恒定值，在鐵芯中沒有渦流和磁滯損失，鐵芯可用整塊工業(yè)純鐵制作，吸力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)緊湊，在電磁夾緊器中應用較多。直流電磁夾緊器4.2.5焊接夾具動力裝置磁力裝置4.圖4-27

感應式電磁卡盤圖4-27所示為車床用感應式電磁卡盤。當線圈1通上直流電后，在鐵芯2上產(chǎn)生磁力線，避開隔磁體5使磁力線通過工件和導磁體定位件6形成閉合回路（如圖4-27中虛線所示），工件被磁力吸在盤面上。斷電后，磁力消失，取下工件。4.2.5焊接夾具動力裝置磁力裝置4.圖4-28

感應式電磁卡盤圖4-28所示為電磁夾緊器的應用，焊件筒體兩端的法蘭被定位銷定位后，其定位不受破壞是靠固定和移動式電磁夾緊器來實現(xiàn)的。電磁吸盤是磨床上使用較多的機床附件，主要有圓形和矩形兩種結(jié)構(gòu)形式，單位面積吸力多在0.5~1.5MPa之間。機床上使用的電磁吸盤，也可用在焊接工裝夾具的磁力夾緊機構(gòu)上，例如，板材拼接用的電磁平臺就是由電磁吸盤拼裝而成的。4.2.6焊接焊接變位機械焊接變位機械是用于改變焊件、焊機或焊工空間位置，實現(xiàn)機械化、自動化焊接作業(yè)的各類機械設(shè)備。優(yōu)點縮短焊接輔助時間，顯著提升勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度確保及改善焊接質(zhì)量，充分展現(xiàn)各種焊接方法的優(yōu)勢。圖4-29焊接變位機分類焊接變位機械焊件變位機械焊機變位機械焊工變位機械焊接變位機焊接滾輪架焊接翻轉(zhuǎn)機焊接回轉(zhuǎn)臺焊接操作機電渣焊立架焊公升降臺4.2.6焊接焊接變位機械焊件變位機1.焊件變位機是一種用于拖動待焊工件，使其待焊焊縫運動至理想位置進行施焊作業(yè)的專用焊接輔助設(shè)備。在焊接作業(yè)中，焊件變位機通過翻轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)和傾斜等動作，將焊件的焊縫位置置于最佳的施焊位置，提高焊接效率和質(zhì)量。焊接變位機焊接滾輪架焊接翻轉(zhuǎn)機焊接回轉(zhuǎn)臺焊件變位機械按功能不同分類圖4-30座式焊接變位機圖4-3140t傾翻式焊接變位機（1）電機的選型4.2.6焊接焊接變位機械焊件變位機1.（2）焊接滾輪架圖4-32座式焊接變位機為傳動裝置驅(qū)動主動滾輪，利用主動滾輪與圓筒類工件之間的摩擦力帶動工件旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)變位，常用于圓筒類工件內(nèi)、外環(huán)縫和內(nèi)、外縱縫的焊接，主要由底座、主動滾輪、從動滾輪、支架、傳動裝置，驅(qū)動裝置等組成。工作原理可實現(xiàn)自動焊接，能提高焊縫質(zhì)量，減輕勞動強度，提高工作效率，還可配合手工焊或作為檢測、裝配圓筒體工件的設(shè)備。配套自動焊接設(shè)備1、

電動機2、

聯(lián)軸器3、減速器4、齒輪對4、

軸承6、

主動滾輪7、公共軸8、從動滾輪4.2.6焊接焊接變位機械焊件變位機1.（2）焊接滾輪架為焊接不同直徑的焊件，焊接滾輪架的滾輪間距應能調(diào)節(jié)。自調(diào)式非自調(diào)式可根據(jù)焊件的直徑自動調(diào)節(jié)滾輪架的間距，如圖4-33。自調(diào)式滾輪架是由差動滾輪組成的滾輪架，當工件直徑變化時，在工件重力作用下，滾輪隨擺架自動調(diào)節(jié)滾輪中心距，使工件獲得平衡支承。非自調(diào)式的依靠移動支架上的滾輪座來調(diào)節(jié)滾輪的間距，如圖4-34，主動滾輪由兩臺電動機分別驅(qū)動，利用調(diào)速電動機、調(diào)速控制器通過變頻調(diào)速或電磁調(diào)速實現(xiàn)無級變速，可滿足手工焊、自動堆焊、自動埋弧焊等各種不同焊接的需要。調(diào)節(jié)方式圖4-33

自調(diào)式焊接滾輪架圖4-34KT型非自調(diào)式焊接滾輪架4.2.6焊接焊接變位機械焊件變位機1.（3）焊接滾輪架焊接翻轉(zhuǎn)機是一種焊件變位機械，主要依靠驅(qū)動機構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機構(gòu)來實現(xiàn)焊件繞水平軸的轉(zhuǎn)動或傾斜，使焊件能夠處于有利的裝焊位置。焊接翻轉(zhuǎn)機的種類繁多，其中常見的有框架式、頭尾架式、鏈式、環(huán)式以及推舉式等，如圖4-42所示基本特征及使用場合詳見表4-13。形式變位速度驅(qū)動方式使用場合框架式恒定機電或液壓

(旋轉(zhuǎn)液壓缸)板結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等較長焊件的傾斜變位，也可進行裝配作業(yè)頭尾架式可調(diào)機電軸類及筒形、橢圓形焊件的環(huán)焊縫以及表面堆焊時的旋轉(zhuǎn)變鏈式恒定機電已裝配點定，且自身剛度很強的梁柱構(gòu)件的翻轉(zhuǎn)變位環(huán)式恒定機電已裝配點定，且自身剛度很強的梁柱構(gòu)件的轉(zhuǎn)動變位多用于大型構(gòu)件的組對與焊接推舉式恒定機電小車架、機座等非長形板結(jié)構(gòu)、架結(jié)構(gòu)焊件的傾斜變位。裝配和焊接作業(yè)可在同工作臺上進行表4-14常用焊接翻轉(zhuǎn)機的基本特征及使用場合1、

頭架2、

翻轉(zhuǎn)工作臺3、尾架4、驅(qū)動裝置5、

主動鏈輪6、

焊件7、鏈條8、托輪9、支承環(huán)10、

鈍齒輪11、推拉式軸銷12、舉升液壓缸4.2.6焊接焊接變位機械焊件變位機1.（4）焊接回轉(zhuǎn)臺焊接回轉(zhuǎn)臺是將焊件繞垂直軸或傾斜軸回轉(zhuǎn)的焊件變位機械，主要用于焊件的焊接、堆焊與切割。圖4-36中空式回轉(zhuǎn)臺1、焊件2、回轉(zhuǎn)臺3、支架變位靈活，焊接回轉(zhuǎn)臺能夠?qū)崿F(xiàn)工件360°的回轉(zhuǎn)；可在一定范圍內(nèi)的傾斜，滿足不同焊接角度的需求。承載能力強，根據(jù)型號和規(guī)格的不同，焊接回轉(zhuǎn)臺的承載能力從幾百公斤到幾十噸不等，滿足各種大型工件的焊接需求。調(diào)速精準，工作臺回轉(zhuǎn)多采用變頻器無級調(diào)速，調(diào)速精度高，可確保焊接速度的穩(wěn)定均勻。主要特點4.2.6焊接焊接變位機械焊件變位機1.（4）焊接回轉(zhuǎn)臺圖4-36給出了一種中空式回轉(zhuǎn)臺，其工作臺為中空形式以適應管材與拼盤的焊接，操作方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定圖4-36中空式回轉(zhuǎn)臺1、焊件2、回轉(zhuǎn)臺3、支架4.2.6焊接焊接變位機械焊機變位機2.焊機變位機械是專為改變焊接機頭空間位置而設(shè)計的機械裝備。焊接操作機電渣焊立架擁有多樣的結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)常與焊件變位機械協(xié)同工作，能夠完成包括環(huán)縫、縱縫、對接焊縫、角焊縫以及任意曲線焊縫在內(nèi)的多種自動焊接任務。可以執(zhí)行工件表面的自動堆焊和切割工藝，在更換作業(yè)機頭后，還能進行其他作業(yè)。結(jié)構(gòu)形式和功能相對較為單一，主要用于厚壁焊件立縫的焊接作業(yè)。焊機變位機械

兩大構(gòu)成部分4.2.6焊接焊接變位機械焊機變位機2.（1）焊接操作機能將焊接機頭（焊槍）準確送到待焊位置，并保持在該位置或以選定焊速沿設(shè)定軌跡移動焊接機頭的變位機械。常用的有平臺式操作機、伸縮臂式操作機、門式操作機、橋式操作機和臺式操作機。圖4-41

臺式焊接操作機1、鞍座2、底座3、伸縮臂4、焊槍5、焊接機頭圖4-37

平臺式操作機圖4-38

伸縮臂式操作機圖4-39龍門式焊接操作機圖4-40

橋式焊接操作機4.2.6焊接焊接變位機械圖4-42

電渣焊立架焊機變位機2.（2）電渣焊立架一種將電渣焊機連同焊工一起按焊速提升的裝置，如圖4-49所示。主要用于立縫的電渣焊，若與焊接滾輪架配合，也可用于環(huán)縫的電渣焊。電渣焊立架多為板焊結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu)，一般都安裝在行走臺車上。臺車由電動機驅(qū)動，單速運行，可根據(jù)施焊要求，隨時調(diào)整與焊件之間的位置。1、行走臺2、升降平衡重3、焊機調(diào)節(jié)裝置4、焊機升降立柱5、電渣焊機6、焊工、焊機升降臺7、扶梯8、調(diào)節(jié)螺旋千斤頂9、起升機構(gòu)10、運行機構(gòu)4.2.6焊接焊接變位機械焊機變位機2.（3）焊工變位機焊工變位機械，又叫焊工升降臺，是改變焊工空間位置，使之在最佳高度進行作業(yè)的設(shè)備。主要用于高大焊件的手工機械化焊接，也用于裝配和其他需要登高作業(yè)的場合。焊工升降臺的常用結(jié)構(gòu)肘臂式（圖4-50）圖4-43

肘臂式焊工升降臺(a)板式結(jié)構(gòu)肘臂式焊工升降臺(b)肘臂式可移動焊工升降臺套筒式（圖4-51）圖4-44

套筒式焊工升降臺鉸鏈式（圖4-52）圖4-45

鉸鏈式焊工升降臺1、工作臺2、推舉液壓缸3、底座項目四

焊接機器人工作站的工裝夾具選型與設(shè)計

4.3項目實施金華職業(yè)技術(shù)大學

黃鵬程4.3.1焊接工裝夾具設(shè)計原則在實際工業(yè)場景中，焊件的種類繁多，焊接工裝夾具的專用性強，通常需要根據(jù)焊接產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、企業(yè)的生產(chǎn)條件、產(chǎn)品的工藝要求進行專門設(shè)計，為提高焊件的焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，設(shè)計焊接工裝夾具時需要基本遵循以下幾條基本原則。工藝性原則1.焊接合件特點?由多個零部件組成，工裝需適應"先裝后焊"或"邊裝邊焊"的靈活生產(chǎn)方式。變形控制原則?平面內(nèi)伸縮變形：預留收縮余量自由釋放平面外變形（角變/彎曲/波浪變形）：

采用夾具反變形控制電氣特性要求?工裝需具備導電/絕緣功能（焊件作電極時）大電流工況需配置導電部件散熱裝置安全防護設(shè)計設(shè)置遮掩裝置保護工裝工作面（防熔渣飛濺）標配防護罩、防飛濺擋板等安全裝置可靠性原則2.強度與剛度要求?工裝夾具需承受工件重量、焊接熱應力及操作力，確保長期使用不變形/損壞夾緊可靠性?保持工件定位精度與圖樣尺寸提供牢固夾持（防松動滑移）夾持力適中（防過變形/拘束應力）?重復定位精度?調(diào)整或更換夾具時需保證焊接質(zhì)量一致性經(jīng)濟性原則3.標準化系列化4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計焊接機器人選擇1.六關(guān)節(jié)機器人本體，伺服電機驅(qū)動的6軸關(guān)節(jié)，由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。國內(nèi)外各品牌的焊接機器人均可選用，考慮到對焊接精度要求不高，采用國產(chǎn)焊接機器人質(zhì)價比較高。表4-16國產(chǎn)柴孚六關(guān)節(jié)焊接機器人參數(shù)項

目應用范圍弧焊、搬運、上下料結(jié)構(gòu)多節(jié)型關(guān)節(jié)數(shù)6軸安裝方式地面安裝***大動作速度J1軸148°/sJ2軸148°/sJ3軸178°/sJ4軸354°/sJ5軸330°/sJ6軸620°/s***大動作范圍J1軸±170°J2軸+88°/-155°J3軸+157°/-83°J4軸±155°J5軸+1371-134°J6軸±360°***大活動半徑1440m手部***大負載***大6KG重復精度±0.08mm機器人底座尺寸355*355mm機器人高度1375mm工作環(huán)境溫度0-45℃機器人本體重量150Kg環(huán)境濕度95%RH以下(無結(jié)露)驅(qū)動方式使用AC伺服電機驅(qū)動防護等級IP65機器人焊接設(shè)備圖4-53與表4-15是目前常用的臂展2米的焊接機器人參數(shù)機器人本體控制柜（硬件及軟件）焊接機器人4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計焊接機器人選擇1.圖4-46焊接機器人效果圖機器人焊接設(shè)備圖4-46與表4-16是目前常用的臂展2米的焊接機器人參數(shù)機器人本體控制柜（硬件及軟件）焊接機器人六關(guān)節(jié)機器人本體，伺服電機驅(qū)動的6軸關(guān)節(jié)，由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。國內(nèi)外各品牌的焊接機器人均可選用，考慮到對焊接精度要求不高，采用國產(chǎn)焊接機器人質(zhì)價比較高。本項目焊接裝備包含了弧焊電源、送絲機、氣瓶、焊槍、清槍器、煙塵吸收管等部分。弧焊電源與氣瓶放置于外圍，清槍器在焊接機器人一邊，煙塵吸收管安裝在六關(guān)節(jié)末端。4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計焊接機器人選擇1.六關(guān)節(jié)焊接機器人為工業(yè)機器人供應商生產(chǎn)的第三方采購設(shè)備下表4-16是國產(chǎn)柴孚六關(guān)節(jié)焊接機器人及周邊功能配置主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)。圖4-46焊接機器人效果圖表4-17國產(chǎn)六關(guān)節(jié)焊接機器人及周邊功能配件參數(shù)序號規(guī)格項目型號主要參數(shù)供應商01焊接機器人SF6-2080X見表4-15,功率8kw上海柴孚機器人有限公司02送絲機FGF-340-A11200w廈門貝爾摩電氣公司03

04氣源氣瓶

清槍器主流廠家

IO同步清槍器國標40升，直徑

219,高1.45米

65cm×500cm×40cm主流廠家

常州奇洛焊接公司05煙塵吸收管機用臺式負壓機功率2KW浙江聚英風機公司4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.對于叉軸和叉臂，不屬于薄板件，剛性較好，在焊接過程中不容易發(fā)生形變，因此考慮使用六點定位原理分別對叉軸和叉臂進行定位。（a）叉軸零件圖4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（1）叉軸定位方案叉軸屬于軸類工件，以外圓柱面為主要定位基準面，定位元件選擇V形塊。采用2個短V形塊限制叉軸的4個自由度；叉軸本身設(shè)計有半徑為R12.5mm的半圓鍵槽，可設(shè)計1個半圓鍵定位塊，依靠半圓鍵定位塊的兩側(cè)面限制叉軸繞自身軸線轉(zhuǎn)動的自由度；叉軸長：342mm外徑：22mm叉軸軸向移動的1個自由度尚未被限制，可選擇叉軸的下端面作為定位基準面，定位元件選擇A形支承釘，恰好限制工件的軸向移動的1個自由度，由于在實際加工過程中，在滿足定位要求的同時要提高叉軸上料的效率，使用支承釘不利于叉軸上料過程中的穩(wěn)定性，將A形支承釘改為短定位套以限制工件的軸向移動由于叉軸在焊接前已經(jīng)完成外圓柱面的精加工，定位套和V形塊不會發(fā)生重復定位現(xiàn)象，短定位套在這里除起到限制叉軸軸向移動的自由度外還起到了叉軸上料過程的預定位，提高了上料效率，實現(xiàn)六點完全定位。4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（1）叉軸定位方案在一次裝夾工程中要求同時裝夾5根叉軸，因此需要對V形塊進行設(shè)計，V形塊的各參數(shù)參照標準V形塊設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)上為非標準件。叉軸定位基準面直徑D=22mm,查表4-1,確定V形塊相關(guān)參數(shù)N=24mm,L=55mm,B=25mm,H=20mm,m=8mm,h1=6mm,h=11mm,d?=6.6mm,d?=11mm

尺寸及粗糙度要求如圖4-47所示。V形塊設(shè)計圖4-47尺寸及粗糙度要求4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.圖4-48

短定位套設(shè)計（1）叉軸定位方案為達到預定位和限制叉軸軸向移動的作用，其與叉軸采用間隙配合，短定位套限位面與叉軸尾端面為小面積接觸，結(jié)構(gòu)如圖4-48所示。短定位套設(shè)計圖4-49

半圓鍵定位塊

工作面為其兩側(cè)面，限制叉軸周向轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)如圖4-49所示。半圓鍵定位塊設(shè)計4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（2）叉臂定位方案

(b）叉臂零件圖4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（2）叉臂定位方案削邊銷的標準結(jié)構(gòu)及尺寸見JB/T8014-1999。一面兩銷的選型設(shè)計

d>3~6>6~8>8~20>20~25>25~32.>32~40>40~50Bd-0.5d-1d-2d-3d-4d-5d-5b?12.3.3.3.4.5.b23.45.56.8.表4-18

削邊銷的主要尺寸4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（2）叉臂定位方案一面兩銷的選型設(shè)計設(shè)D1、D?,分別為孔1、孔2的直徑，d1、d2分別為圓柱銷1、削邊銷2的直徑，△1為孔D1與圓柱銷配合的最小間隙，△2為孔D?與削邊銷配合的最小間隙，L±△k為工件上兩孔間距及偏差，L±△j為夾具上布置的兩銷間距及偏差。已知：D?、D2、△k、L，確定△j

、d1、d2d>3~6>6~8>8~20>20~25>25~32.>32~40>40~50Bd-0.5d-1d-2d-3d-4d-5d-5b?12.3.3.3.4.5.b23.45.56.8.表4-17

削邊銷的主要尺寸4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（2）叉臂定位方案“一面兩銷”中兩銷的設(shè)計步驟d>3~6>6~8>8~20>20~25>25~32.>32~40>40~50Bd-0.5d-1d-2d-3d-4d-5d-5b?12.3.3.3.4.5.b23.45.56.8.表4-17

削邊銷的主要尺寸布局銷位一般把圓柱銷布置在工序基準所在的孔上，當兩孔均為工序基準時，把圓柱銷布置在工序尺寸精度要求高的孔上。計算銷間距及偏差確定圓柱銷1直徑偏差(當D?→∞時，孔1變成了平面，此時△?=0)。設(shè)計削邊銷2直徑偏差查表取b(由d2查表4-17),得4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（2）叉臂定位方案一面兩銷的選型設(shè)計-實施d>3~6>6~8>8~20>20~25>25~32.>32~40>40~50Bd-0.5d-1d-2d-3d-4d-5d-5b?12.3.3.3.4.5.b23.45.56.8.表4-17

削邊銷的主要尺寸叉臂上的孔1直徑D?=18H7，孔2直徑D?=10H7，故查表4-17,b=4mm,b?=3mm。4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.圖4-50分離叉軸的柔性定位可調(diào)機構(gòu)在實際加工中，不同批次的分離叉軸結(jié)構(gòu)類似，但存在長度不同，半圓鍵位置不同的區(qū)別。分離叉軸長度的定位塊需要可調(diào)、叉軸半圓鍵槽的位置可調(diào)，分別采用伺服電動推桿、伺服絲桿升降模組實現(xiàn)精確調(diào)整。為方便焊接結(jié)束后，焊接后的軸臂合件的取出，叉軸半圓鍵的定位塊需先退出叉軸，需設(shè)置半圓鍵定位塊的退回機構(gòu)；同理，夾緊叉軸的活動V塊也需要設(shè)置退回機構(gòu)，兩個移動退回機構(gòu)可以考慮使用氣缸實現(xiàn)位置控制，如圖4-50所示。（3）叉軸的定位調(diào)整機構(gòu)設(shè)計4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.叉臂的形態(tài)變化較大，按通用化歸類，采用伺服驅(qū)動模組實現(xiàn)柔性定位采用前后、左右兩個方向的伺服模組實現(xiàn)叉臂任意角度與叉臂定位銷的位置自動調(diào)節(jié)，如圖4-51所示。（4）叉臂的定位調(diào)整機構(gòu)設(shè)計圖4-51叉臂定位調(diào)整機構(gòu)4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.伺服驅(qū)動模組主要包括滾珠絲杠、伺服電機、滑臺、聯(lián)軸器、直線導軌、軸承及支座等，如圖4-52所示。（4）叉臂的定位調(diào)整機構(gòu)設(shè)計圖4-52伺服驅(qū)動模組4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（4）叉臂的定位調(diào)整機構(gòu)設(shè)計滑臺、工件以及其他連接件絲杠和導軌伺服電機輸入轉(zhuǎn)速按照經(jīng)驗可選擇為n=3000rpm，功率P和扭矩T需要計算進行選型。伺服驅(qū)動模組分為三個部分總重量預估為M=100kg，滑臺固定后一般不會進行調(diào)整，故對運動速度v要求不高，可取v=0.5m/s。輸出傳動部件對于絲杠，根據(jù)實際傳動需求選擇絲杠行程為300mm，還需對其導程Ph和直徑d進行選擇；對于導軌可選擇重負荷型滾珠線性滑軌HGH，大小有待選擇；導軌摩擦系數(shù)理論上一般μ=0.01，由于實際安裝時受到平行度和平面度影響，可能導致導軌阻力增大，可將摩擦系數(shù)放大為μ=0.1。4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計定位方案2.（4）叉臂的定位調(diào)整機構(gòu)設(shè)計重點介紹絲杠、導軌及伺服電機的選型過程絲杠導程

Ph01最大拖動力Fmax02式中

θ—考慮到安裝滑臺與水平面的夾角，取θ=5°a—滑臺啟動加速度，取a=0.5g。即Fmax=0.1×100×10×cos5°+100×0.5×10+100×10×sin5°≈700N?；_加速時間t034.3.2焊接機器人夾具設(shè)計夾緊方案3.叉軸在進行定位時采用上下兩個V型塊進行定位，其中上下端V形塊固定不動，在整機左端設(shè)計活動V形塊作為夾緊元件，起到定心夾緊作用。夾緊力源采用動作迅速、夾緊力適中的氣壓傳動（夾緊活動V形塊驅(qū)動氣缸）。為方便焊接結(jié)束后整體焊接件的取出，叉軸半圓鍵的定位塊需先退出叉軸，夾緊叉軸的活動V形塊再退出，因此，叉軸半圓鍵的定位塊的退出機構(gòu)采用氣壓傳動（半圓鍵定位塊驅(qū)動氣缸）。為保證活動V形塊和半圓鍵定位塊進入和退出的穩(wěn)定性和直線度，在連接機構(gòu)左右兩側(cè)還應布置直線導軌。4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計夾緊方案3.活動V形塊驅(qū)動氣缸的選型

圖4-54

某品牌SC系列標準氣缸產(chǎn)品概覽圖

氣

缸內(nèi)徑

(mm)

活

塞桿直

徑

(mm).

輸

出力

P(N)

受

壓面積

(cm2)

工作壓力MPa0.20.30.40.50.630.7.0.8166P12.0140.260.380.4100.5126.6140.7.160.8P21.7234.651.969.286.5109121.1138.4208.P13.1462.894.2125.6157.1188220251P22.6452.879.2105.6163158.4184.8.211.22510P14.9198.2147196.3245301343392P24.1282.4124164.8206260288.43303212.P18.03160240321.2401504561.9640P26.91132198.264.6345.5.416483.75284016P112.572513775036287918801010P210.562113174225286637398445020?P119.36393589785982123713741571P216.49?330495660825103911551319表4-19

某品牌SC系列標準氣缸理論出力表（N）4.3.2焊接機器人夾具設(shè)計夾緊方案3.半圓鍵定位塊驅(qū)動氣缸的選型不起夾緊作用，僅用于實現(xiàn)半圓鍵定位塊的直線往復運動，故推薦選擇體積小的超薄氣缸，根據(jù)表3-5（教材121頁