【正文】 第四章 DSLD工件柔性裝夾技術(shù)焊接工件中有一種工件是屬于同一尺寸系列的，在系列內(nèi)部之間的每個型號外形特征基本一致，僅僅在若干個方向的尺寸發(fā)生改變，即在少維度上尺寸變量（Dimension Scalability in Less Direc。進而對機器人移載平臺中關(guān)鍵傳動部件的計算過程展開研究，詳述了在移載平臺設(shè)計中對系統(tǒng)性能影響權(quán)重最大因子的確定。對地面平裝懸臂狀態(tài)下機器人移載平臺加速過程中滑塊受力進行了宏觀分析。本文中焊接機器人自重48kg，最大負載焊槍、送絲機重6kg，焊接工位轉(zhuǎn)換移動最大速率14m/min，屬于輕載中速負載情況，結(jié)合安裝要求，滾珠絲杠采取一端固定一端支承的安裝方式。因此本文從安裝便利、成本控制的角度考慮選擇一端固定一端支承的安裝方式。屬于中量負載，焊接機器人最高移動速度一般在之下，屬于中低速運行。這種裝配方式的弊端在于絲杠調(diào)整比較麻煩，兩端采用的預(yù)緊力需要精確的計算，過大會導(dǎo)致實際行程比設(shè)計行程擴大，過小則會導(dǎo)致相反的后果而造成加工中心震顫。 GG安裝方式，兩個支承端都可以承受軸向載荷和徑向載荷，因此這種裝配方式下滾珠絲杠可以通過施加預(yù)緊力來減少滾珠絲杠的螺紋背隙，從而增加絲杠剛度，同時兩端固定能夠降低滾珠絲杠熱變形產(chǎn)生的誤差。支承端軸承主要承受徑向力且能作微量的軸向浮動，滾珠絲杠熱變形可以自由地向一端伸長，同時也避免或減少滾珠絲杠因自重而出現(xiàn)的彎曲。這種結(jié)構(gòu)多見于伺服控制系統(tǒng)中，目前國內(nèi)中小型數(shù)控車床、立式加工中心等均采用這種結(jié)構(gòu)。固定端采用對列角接觸球軸承來承受徑向負荷和軸向負荷，支承端則應(yīng)用深溝球軸承承受徑向載荷。許多的高精度私服傳動系統(tǒng)往往采用光柵尺的閉環(huán)控制的方式下采用這種結(jié)構(gòu)。另一端一般通過對列角接觸球軸承來同時承受徑向負載和軸向負載，這種裝配方式廣泛應(yīng)用于小行程的短絲杠或者全閉環(huán)伺服控制中傳動的滾珠絲杠安裝中，此結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性和精度最差，受熱脹冷縮的影響，大長徑比滾珠絲杠采用這種方法時，~，嚴重影響傳動精度。滾珠絲杠的安裝方式有一端固定一端自由（GZ方式）、一端固定一端支承（GJ方式）、兩端支承（JJ方式）、兩端固定（GG方式）。 機器人移載平臺組成1 機器人移載平臺組成2滾珠絲杠作為本文中機器人移載平臺的傳動關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的裝配形式和精度對機器人的定位精度和穩(wěn)定性有著重大的影響。 絲杠導(dǎo)軌平臺機械結(jié)構(gòu)伺服電機和滾珠絲杠構(gòu)成機器人移栽導(dǎo)軌平臺的運動傳遞部分，除此之外該平臺還包括聯(lián)軸器、滑動導(dǎo)軌、滑塊、機器人安裝基座、行程開關(guān)、絲杠導(dǎo)軌基座、及其他防護設(shè)備等。根據(jù)滾珠絲杠選型計算中的設(shè)定：驅(qū)動伺服電機的最高轉(zhuǎn)速為，啟動加速階段的時間需求在之下，根據(jù)所選擇的滾珠絲杠、聯(lián)軸器、及軸承等其他可動部件計算傳動系的轉(zhuǎn)動慣量；式中為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量、為可動部件的轉(zhuǎn)動慣量、為聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量。伺服電機分為鼠籠型交流伺服電機，這種電機轉(zhuǎn)子為鼠籠型，體積小工作可靠，缺點是運轉(zhuǎn)時不夠平滑，多用于中小功率的自動化控制系統(tǒng)中；齒輪減速鼠籠型交流伺服電機，與前者相比可以直接與大轉(zhuǎn)矩負載相連接，適用功率范圍更廣泛；非磁性杯型交流伺服電機，用非磁性材料做成杯型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子慣量更小運行更平滑，但是價格也更昂貴；其他還有僅能單方向旋轉(zhuǎn)具有自鎖功能的帶定位裝置交流伺服電機等。另外機器人移載平臺移動還需要動力部分：伺服電機和伺服控制部分：伺服驅(qū)動器。查機械設(shè)計手冊確定選用60176。故最大軸向載荷。滾珠絲杠采用一端固定一端支承的安裝方式，因此固定端采用的支承軸承為深溝球軸承，支承端采用一對角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，以承受徑向載荷和雙向軸向載荷。根據(jù)經(jīng)驗公式。根據(jù)前述計算過程得出的、在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副CMFZD40105可以滿足設(shè)計條件?？紤]預(yù)算，外循環(huán)插管埋入式墊片預(yù)緊形式滾珠絲杠比內(nèi)循環(huán)浮動式螺紋預(yù)緊造價低，精度相差無幾。根據(jù)機械設(shè)計經(jīng)驗滾珠絲杠底徑采用式310算法： (320)式中，為最大行程、為導(dǎo)程、靜摩擦力。為保證精度，取。根據(jù)經(jīng)驗，有以下兩種選擇范圍。因此需要根據(jù)載荷和定位精度要求來確定螺紋底徑。 軸向負荷變化表動作軸向負荷行程時間平均轉(zhuǎn)速去程加速度69530900去程等速度13501800去程減速度61030900回程加速度69530900回程等速度13501800 軸向負荷變化表（續(xù)）回程減速度61030900、平均轉(zhuǎn)速為： (316) (317)確定預(yù)期額定動載荷： (318)因此可以推算處額定預(yù)期動載荷、使用壽命：。加速、減速時間。因此由驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速可得絲杠導(dǎo)程： (311)考慮到零件成本，過低的導(dǎo)程加工困難，且對絲杠的剛度產(chǎn)生影響。 滾珠絲杠導(dǎo)軌副計算模型 滾珠絲杠導(dǎo)軌副安裝條件項目參數(shù)焊接機器人及焊槍重量安裝基座最大行程最高進給速度設(shè)計壽命導(dǎo)引面摩擦系數(shù)（滑動）驅(qū)動馬達最高轉(zhuǎn)速設(shè)計重復(fù)定位精度在機器人轉(zhuǎn)換工位過程中。滾珠絲杠主要負載為機器人安裝基座重和焊槍加焊接機器人重，在移動方向上受到滾珠與絲杠之間、軸承內(nèi)外圈之間、滑塊與滑動導(dǎo)軌之間的摩擦阻力作用，合記為滑動阻力。3. 因為采用滾珠循環(huán)方式磨損也比滑動絲杠要小，傳動平衡并無爬行現(xiàn)象，與伺服電機伺服驅(qū)動器配合使用可以實現(xiàn)很高的位控精度。2. 滾珠絲杠導(dǎo)軌傳動機構(gòu)主要由絲杠、螺母、滾珠等元件組成，可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。本文選擇滾珠絲杠導(dǎo)軌移動副來實現(xiàn)。本文中焊接結(jié)構(gòu)為平面布置焊縫，焊縫分布簡單，因此采用地面平裝方式。而且工程應(yīng)用中大多數(shù)的加速度都比前述臨界加速度小。因此當加速度的時候，地面平裝的側(cè)向受力比側(cè)壁吊裝的側(cè)向受力大。：表3. 1不同安裝方式下的最大支承力最大受力地面平裝側(cè)壁吊裝垂直受力側(cè)向受力側(cè)壁吊裝和地面平裝的加速減速過程可以一樣。側(cè)壁吊裝在加速階段最大垂直受力為，最大的側(cè)向水平受力為：。因此在機器人地面水平安裝的最極端條件下，支座最大垂直受力為、最大側(cè)向受力為。 機器人工作空間同時在非懸臂加速狀態(tài)的最極端情況下，重心完全落在上時，最大支撐力為。只有在有限的空間1范圍內(nèi)，機器人重心才落在四個導(dǎo)軌之間。因此考慮加速度因素時，滑塊最大受力為：在加速階段時的最大受力： (33)在減速階段時的最大受力： (34) 懸臂狀態(tài)下平裝機器人底座受力模型 機器人速度曲線在懸臂狀態(tài)下同樣可計算出加速度為零時四個導(dǎo)軌最大的受力值是： (35)以及在懸臂狀態(tài)下處于加速階段時的最大受力： (36)處于在減速階段時的最大受力： (37)當機器人采用壁掛式安裝時，導(dǎo)軌滑塊不僅需要承受垂直基座的力，還需要承受由重心相對基座偏移所產(chǎn)生的平行于基座平面的扭力。當考慮加速度因素時，慣性力會以重心為作用點在高度方向上產(chǎn)生前傾力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。 非懸臂狀態(tài)下平裝機器人底座受力模型因為機器人焊接工位不固定在一點，因此帶入加速度參量，分析在非等速狀態(tài)下的受力狀態(tài)。在靜止非懸臂狀態(tài)下，焊接機器人重心作用在四個滑塊之間，即對導(dǎo)軌無側(cè)傾力矩，受力狀態(tài)最優(yōu)。根據(jù)機器人位姿的重心位置又分別有懸臂狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)。在地面平裝安裝方式中，機器人運動有恒速、靜止、加速、減速狀態(tài)。因為本文工裝結(jié)構(gòu)不可采用頂棚吊裝安裝方式。在外部軸安裝中依然有三種安裝方式可供選擇：頂棚吊裝、側(cè)墻吊裝、地面平裝。，采用大型焊接機器人的價格為、采用中型焊接機人價格為，同時配置外部軸的成本為，針對市場上絕大多數(shù)焊接機器人的價格咨詢發(fā)現(xiàn)均有。外部軸安裝方式的可以大大的擴展機器人可達空間和靈活度，但是因為增加外部軸，安裝難度增加，精度也有所下降。固定式安裝的優(yōu)勢在于機器人坐標系與世界坐標系相對固定，焊接軌跡固定，容易獲得高的焊接穩(wěn)定性，但是由于機器人無法移動，導(dǎo)致焊接范圍很小。焊接機器人安裝通常分固定安裝和外部軸安裝兩種方式，固定安裝是指將機器人底座固定安裝在安裝平臺上，安裝平臺相對地面固定。設(shè)計了地面平裝式機器人移載平臺，對關(guān)鍵的部件進行核算和選擇，并對移載平臺的伺服控制方式進行了研究。研究焊接工作站不同結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)缺點，并進行焊接工作站結(jié)構(gòu)設(shè)計，創(chuàng)新使用對稱V型結(jié)構(gòu)，大大提高了生產(chǎn)效率。 本章小結(jié)本章首先對焊接工作站整體功能需求進行分析，規(guī)劃了自動化焊接工作站組成的功能模塊。 焊接工作站整體布局1 焊接工作站整體布局2根據(jù)工件長寬要求，機器人工作最大范圍為3592mm，沿工件X方向最大移動1316mm。當工人在一個工位執(zhí)行完手動裝夾任務(wù)后，可以手動拉下防火布簾，然后走到另一個工位開始手動裝夾。、工作站結(jié)構(gòu)采用對稱工裝平臺V字型布局方式，工人在一個工位執(zhí)行完手動裝夾任務(wù)后，可以沿V型的頂尖走到另一個工位，這樣的結(jié)構(gòu)大大縮短了工人在兩個焊裝平臺間走動的時間，提高了生產(chǎn)效率。焊接工作站主體部分包括雙對稱固定焊接工裝、焊接機器人、機器人外部軸、工作站控制電氣系統(tǒng)、焊接電源、氣源、安全防護設(shè)備。方法2則是將焊接機器人與外部軸固定在一起，這種方法可以在增加機器人工作范圍同時有效減少外部軸長度，也能夠規(guī)避外部軸零部件被飛濺的熔渣損壞，但是缺點是由于外部軸直接增加機器人活動范圍，降低了機器人定位精度。外部軸的功能為實現(xiàn)多焊接位置的轉(zhuǎn)換，因此可以采用將對稱焊接工裝平臺采取非固定式或?qū)⒑附訖C器人安裝在移動外部軸上的方法，、。并在1的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用對稱式雙固定工裝平臺，以減少裝卸時間。 產(chǎn)品尺寸系列類別尺寸形狀EURO鋁臺板寬版EURO鋁臺板前一節(jié)所述的五種焊接工作站結(jié)構(gòu)方式中，方案2結(jié)構(gòu)方式簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，本文中待焊工件結(jié)構(gòu)為簡單的型材搭接結(jié)構(gòu)，因此上不需要5方案中的復(fù)雜功能。這樣要求焊接工裝平臺的最小寬度尺寸不小于，最小長度尺寸不小于。這14種工件的尺寸分寬版和普通版兩類，其中工件模型在長、寬兩個方向變化，在寬度方向上有兩個變化值，其中寬度的每個變化值都對應(yīng)長度方向上的七個尺寸值。首先對工件尺寸進行分析以確定焊接工作站結(jié)構(gòu)。5焊縫道數(shù)分布均勻，焊接穩(wěn)定且高質(zhì)量，缺點是投入巨大，需要配備專用廠房，控制難度高。4可焊大體積工件，實現(xiàn)復(fù)雜焊縫焊接，焊接質(zhì)量高。3可以焊接復(fù)雜的空間焊縫，適應(yīng)工件種類多，工作站簡潔。2焊接空間較大，能適應(yīng)簡單的空間焊縫，工作站利用率高。 幾種工作站結(jié)構(gòu)方式特點方案優(yōu)缺點1工作站故障率低，經(jīng)濟性好，物料流進出方便，缺點是生產(chǎn)節(jié)拍慢，機器人利用效率低。以上幾種焊接工作站結(jié)構(gòu)方式也各有優(yōu)缺點。缺點是投入巨大，多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)要求高。實質(zhì)上是由多焊接工作站在生產(chǎn)時序規(guī)劃的基礎(chǔ)上配合完成工藝要求的。一般只用在高級轎車車架的焊接生產(chǎn)線中作為生產(chǎn)線的一個工作站。 單套固定夾具+焊接機器人工作站 兩套帶變位機工裝平臺+焊接機器人工作站 搬運機器人+焊接機器人工作站4. 多變位外部軸+雙機器人組成工作站，這種組合方式具有高度的柔性生產(chǎn)能力，可以焊接大體量的工件和復(fù)雜的空間焊縫，焊縫質(zhì)量也很高?？蓪崿F(xiàn)不規(guī)則工件焊接。這種工作站在現(xiàn)場應(yīng)用中比較常見，變位機與焊接機器人配合動作能夠達到更大的焊接空間，同時兩個裝夾平臺輪番上下工件使機器人的利用率較高。目前大多已被雙固定工裝平臺+焊接機器人構(gòu)成的工作站代替，這種工作站特點是將前述單固定工裝平臺對稱的增加一個以提高機器人利用率。 焊接工作站車間布局 工作站結(jié)構(gòu)研究目前而言，焊接自動化工作站主要應(yīng)用在汽車摩托車車架裝配領(lǐng)域，在這些生產(chǎn)車間中工作站的相對占地面積較大，工作站內(nèi)部設(shè)備復(fù)雜，另外，工作站的控制部分比較復(fù)雜，成本相對較高。：1）將待焊工件分兩側(cè)存放，方便在對稱工位上裝卸時取料方便?？紤]到常勝鋁制品公司廠房內(nèi)布置及設(shè)備，焊接工作區(qū)域的占地面積為的區(qū)域，該區(qū)域需要分成焊接工作站區(qū)域、待焊元件存放區(qū)、焊接成品碼放區(qū)、工人活動區(qū)域、廢件區(qū)。4）滿足特殊要求原則。對生產(chǎn)單元進行布置時，應(yīng)充分利用廠房面積。進行物流設(shè)計時，應(yīng)盡量減少操作者往返運動次數(shù)，工作站內(nèi)物流路線應(yīng)盡量短，以減小搬運工件的負荷。如其他車間布局工作一樣，在進行焊接工作站布置時，需要從產(chǎn)品類型、生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)工藝以及物流方式等角度考慮。因此應(yīng)結(jié)合工廠車間進行實際合理的工作站布局。兼顧各方面要求，從物料流通和和環(huán)境因素合理布置工作站外部坯料存儲、成品擺放、廢件回收、工人活動等等諸多區(qū)域的相對位置。自動化焊接工作站的布局更是直接關(guān)系到車間的生產(chǎn)效率、投資額度和現(xiàn)場生產(chǎn)中的物流敏捷度。 自動化焊接工作站的功能模塊 焊接工作站布局研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計 工作站整體布局研究與設(shè)計工作站布局是將加工設(shè)備、輔助工具、運輸設(shè)備和過往通道等資源合理放置在一個有限生產(chǎn)空間里的過程。焊接系統(tǒng)的主要任務(wù)就是將分散的零件裝配焊接在一起，這個功能由機器人來實現(xiàn)，所以，第三個功能是機器人的焊接功能。第二個功能就是定位和夾緊。所以，第一個功能就是的工作臺所起支撐作用?？刂葡到y(tǒng)也有的設(shè)計也是多種的：首先從控制結(jié)構(gòu)講，可以選擇PROFIBUSDP主從站方式控制大型焊接工作站或焊裝線，也可以采用分層控制實現(xiàn)單工作站的自動化控制。同樣焊接工裝夾具系統(tǒng)既可以采用通用柔性工裝，也可以根據(jù)焊接任務(wù)設(shè)計制造專用夾具。在實際自動化焊接工作站的設(shè)計中，以上模塊的表現(xiàn)形式是多種多樣的。 功能需求分析一個標準的自動化焊接工作站包含機械和電氣兩個主要分系統(tǒng)，機械系統(tǒng)主要包括焊接操作執(zhí)行裝置、