L型板智能焊接系統(tǒng)夾具單元設(shè)計

智能焊接平臺夾具單元設(shè)計

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I

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L型板智能焊接系統(tǒng)夾具單元設(shè)計

L-PlateIntelligentWeldingSystemFixtureUnitDesign

摘要

近年來，我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，新車型的推出和局部結(jié)構(gòu)及外形的改進，都需要更換焊裝夾具。焊裝夾具生產(chǎn)中，L型板的用量非常多，L型板的焊接工藝目前仍以手工焊為主，焊接效率低，焊接后外觀成型不良、常出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象，且焊后零件應(yīng)力過大、變形較大，零件精度、焊縫質(zhì)量不能夠得到有效保證。智能焊接平臺以工業(yè)機器人為載體，抓取工件，通過機器人的多姿態(tài)調(diào)整實現(xiàn)船型焊接，不僅改變了工人的作業(yè)環(huán)境，還提升了生產(chǎn)率以及工件的焊接質(zhì)量。智能焊接平臺更是以焊接技術(shù)和智能技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，為我國的焊接自動化技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。

關(guān)鍵詞：焊接機器人；智能焊接；船型焊接；夾具

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Abstract

Inrecentyears,therapiddevelopmentofChina'sautomobileindustry,theintroductionofnewmodelsandlocalstructureandappearanceoftheimprovement,needtoreplacetheweldingfixture.Intheproductionofweldingjig,theamountofL-plateisverymuch,L-plateweldingprocessisstilldominatedbymanualwelding,weldingefficiencyislow,afterweldingappearancemoldingbad,oftennotweldingpenetrationphenomenon,andafterweldingpartsstressistoolarge,largedeformation,partsprecision,weldqualitycannotbeeffectivelyguaranteed.Theintelligentweldingplatformtakestheindustrialrobotasthecarrier,grabstheworkpiece,andrealizestheship-shapeweldingthroughthemulti-attitudeadjustmentoftherobot.Itnotonlychangestheworkingenvironmentoftheworkers,butalsoimprovestheproductivityandtheweldingqualityoftheworkpiece.Intelligentweldingplatformisthecombinationofweldingtechnologyandintelligenttechnologyproductsforourcountry'sweldingautomationtechnologydevelopment.

KeyWords：Weldingrobots；IntelligentWelding；Ship-TypeWelding；Fixtures

目錄

TOC\o"1-3"\h\z

摘要

I

Abstract

II

第1章緒論

1

1.1設(shè)計研究背景及其意義

1

第2章方案整體規(guī)劃

2

2.1機器人選取

2

2.2KUKA機器人的系統(tǒng)構(gòu)成

3

2.3設(shè)施規(guī)劃布局

6

2.4機械手工作流程

6

2.4.1抓件

6

2.4.2焊接

7

2.4.3放件

9

2.5機器人焊接時的注意事項

10

2.6小結(jié)

10

第3章智能焊接平臺的結(jié)構(gòu)和原理

12

3.1焊接平臺自動上料的需求和意義

12

3.2自動上料工作流程

13

3.3自動上料設(shè)計原理

14

3.4信息采集

17

3.4.1主要功能

18

3.5焊接平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

19

3.5.1主要功能

19

3.5.2設(shè)計氣缸組件

20

3.5.3設(shè)計所需的材料

20

3.5.4設(shè)計規(guī)范

21

3.5.5夾具裝調(diào)范疇

21

3.6焊接平臺整體工作流程

22

3.7小結(jié)

27

第4章強度校核

29

第5章非標(biāo)件出圖

26

5.12D出圖時的注意事項

26

5.2特殊位置公差要求

26

第6章智能焊接平臺應(yīng)用前景

28

結(jié)論

29

參考文獻

30

致謝

錯誤!未定義書簽。

第1章緒論

1.1設(shè)計研究背景及其意義

焊接已成為應(yīng)用最為廣泛的材料連接方式，在眾多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。焊接的現(xiàn)場環(huán)境會產(chǎn)生大量的有害氣體、弧光等都會對工人的身體造成很大的傷害。而且焊接的工藝過程是比較復(fù)雜的，人工焊接時工人需要長時間保持著某一個姿態(tài)，其工作強度較大、焊接生產(chǎn)效率不高、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。伴隨著焊接工業(yè)機械化、自動化的發(fā)展，焊接工藝及裝備現(xiàn)代化成為焊接技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，是焊接產(chǎn)品高質(zhì)量的重要保證。用自動化焊接方法代替人工焊接已經(jīng)成為全球工業(yè)制造必然的發(fā)展趨勢，在一些行業(yè)中將逐步替代傳統(tǒng)的人工焊接。智能焊接平臺正是在此基礎(chǔ)上被設(shè)計出來，工業(yè)機器人通過快換盤連接抓手，抓手氣動夾緊，送料裝置自動上料，傳感器和PLC整體協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)人機交互，達到智能焊接的目的。6軸機器人可實現(xiàn)多姿態(tài)調(diào)整，滿足各種焊接需求，且可保證抓手夾持工件的焊縫始終在水平位置，實現(xiàn)船型焊接，提升生產(chǎn)效率，提高焊接質(zhì)量。人的工作只需在固定位置進行上料，隨后機器人即可自動完成焊接，下料等一整套工序，節(jié)省了大量的人力物力。汽車行業(yè)中，對工裝夾具中L型板的需求量巨大，每年大約100萬件，單套設(shè)備預(yù)計年10萬件，預(yù)計年增加產(chǎn)值2000萬元，新增利稅25萬元。

通過以上的對比我們可以發(fā)現(xiàn)，我國在自動化船型焊焊接的市場前景非常廣闊，如何在短時間內(nèi)有效提高L型板的焊接效率和質(zhì)量，節(jié)省大量的時間去創(chuàng)新和發(fā)展，提升工裝夾具的精度，使我國汽車白車身焊接躋身世界競爭的行列中去，成為擺在我們面前迫切解決的一件大事。機遇與挑戰(zhàn)并存，開發(fā)全自動L型板船型焊接從而促進汽車制造業(yè)發(fā)展，提高我國焊接水平刻不容緩。

需求

現(xiàn)有工藝落后，人問題

所以，有需求

第2章方案整體規(guī)劃

選取設(shè)計所需的各個零件，根據(jù)整體設(shè)計規(guī)劃使用CATIA做出三維模型，并使用自己所掌握的技術(shù)進行校核，檢查是否符合設(shè)計要求，對所發(fā)現(xiàn)的問題加以修改，形成最終產(chǎn)品。

2.1機器人選取

KUKA機器人分為六個大類，小型機器人，低有效載荷機器人，中等有效載荷機器人，高有效載荷機器人，重型機器人和特殊型號機器人[2]。

（1）小型機器人是指KUKA機器人序列中最精巧，最敏捷，最迅速的機器人[2]；

（2）低有效載荷機器人是指有效載荷在6~16kg的機器人[2]；

（3）中等有效載荷機器人是指有效載荷在30~60kg的機器人[2]；

（4）高有效載荷機器人是指有效載荷在100~240kg的機器人[2]；

（5）重型機器人是指有效載荷在360~1000kg的機器人[2]；

（6）特殊型號機器人專用機器人，比如鑄造機器人，碼垛機器人等等[2]。

智能焊接平臺機器人選取為KUKA系列kr210r2700_extra型，屬于高有效載荷機器人，如圖2-1，該型號機器人為六自由度，負載為210kg，工作半徑為2700mm，相對于L型板的焊接有足夠大的工作負載，可滿足對多種型號L形板的抓手切換，抓手帶件重44.6kg，如圖2-3所示。確保不會超負荷，機器人的具體參數(shù)如圖2-2。

圖2-1KUKA機器人

圖2-2具體參數(shù)

圖2-3工件及抓手重量

理論上完全符合工作需求。

2.2KUKA機器人的系統(tǒng)構(gòu)成

機器人系統(tǒng)分為主體，機器人控制柜和連接電纜。

主體是機器人外部工作的一部分，它執(zhí)行加工產(chǎn)品的加工工作。機器人本體分為手，手臂，搖臂，轉(zhuǎn)盤和基架。

手：根據(jù)不同的型號，機器人裝備了一個三軸的中央手，用于125（100，90）、150或200KG的負荷。固定在手臂上通過法蘭，通過轉(zhuǎn)軸（軸1、軸2和軸三）驅(qū)動軸5、軸6和軸4.在軸6的連接法蘭上可以安裝工具。測量裝置在每個固定軸上，通過它配上一個電子測量探頭（配件）可以檢測各個軸的機械零點位置，并且可以由控制器來接納機械零點位置。

手臂：加裝在機器人軸3的驅(qū)動單元中的手臂構(gòu)件。傳動裝置是通過一個帶內(nèi)裝軸承裝置的，手臂從側(cè)面法蘭式地連接在搖臂上，并且用基軸驅(qū)動裝置A3驅(qū)動。手臂的轉(zhuǎn)軸是這樣選擇的：在凈負荷不超過125KG的情況下可以不需要配重來作為手臂的質(zhì)量平衡?？墒褂玫能浖刂茢[動范圍為+58°至-210°,這個角度相對的是軸3的機械零點位置，即當(dāng)手臂的長軸和搖臂成90°時（如圖所示）手臂外殼在后面承接手軸4至6的驅(qū)動部分。像搖臂和轉(zhuǎn)盤的外殼一樣，它也是采用CAD和FEM進行優(yōu)化處理的輕金屬鑄件。

搖臂：軸2的從動件是搖臂。它繞轉(zhuǎn)軸2（3）以可使用的軟件控制角度+93°至-40°擺動，軸2的機械零點位置是這個角度相對的，垂直位置時的搖臂。除了軟件限位開關(guān)以外，通過具有緩沖功能的機械式限裝置來限定可使用的軟件控制擺動范圍。

圖2-4手臂

圖2-5基軸驅(qū)動裝置A1至A3

用于基軸驅(qū)動的驅(qū)動單元由一個無刷交流伺服電機以及用詞單片制動裝置和空心軸旋轉(zhuǎn)變壓器（兩個都裝在內(nèi)）組成，結(jié)構(gòu)式一樣的軸1至軸3的驅(qū)動單元。

永久磁片制動在電機靜態(tài)時有固定停止功能或者在緊急制動時支持所涉及的軸剎車。不允許用于機器人通常的停車在緊急制動下。

轉(zhuǎn)盤：轉(zhuǎn)盤位于搖臂和基架之間的構(gòu)件。它通過專用的減速傳動裝置，可旋轉(zhuǎn)的與基架螺栓連接，并且繞轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動?？墒褂玫能浖刂妻D(zhuǎn)動范圍是：從機械零點位置開始測量，各185°在（+）和（-）方向。除了軟件限位開關(guān)以外，它還通過具有緩沖功能的機械式限位裝置來限定。這個限位系統(tǒng)是通過一個在兩面都起作用、位于基架內(nèi)的隨動限位裝置進行工作的，這個隨動限位裝置機械式的限定了兩個185°的大轉(zhuǎn)動范圍。

圖2-6機器人各部分示意圖

圖2-7機器人活動范圍示意圖

基座：基座是機器人的固定部分，在它上面轉(zhuǎn)盤連接搖臂，手臂，和手轉(zhuǎn)動。它的地腳法蘭有用于機器人固定的多個通孔和兩個配合孔，機器人連接可以通過它定位在兩個定位銷上。在基架外殼內(nèi)的法蘭上固定有軸一的專用減速傳動裝置。在這個法蘭上，也安裝了在兩邊都起到作用的隨動限位裝置，它一個轉(zhuǎn)盤上的限位塊共同對軟件限定的活動范圍進行機械式的保險，這個范圍是：軸1轉(zhuǎn)動370°。在基架內(nèi)，穿有一組電氣導(dǎo)線，這些導(dǎo)線一同穿在柔性保護軟管內(nèi)，不受力地繞著機器人的轉(zhuǎn)軸1引向轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤和基架之間的空間由一個可拿掉的整體罩蓋圍住。在接線盒上有插座，用于連接從機器人到控制柜的連接線。

2.3設(shè)施規(guī)劃布局

在軟件CATIA中，將已經(jīng)建立的夾具，抓手，放入，通過裝配確定各個零件所在的位置，根據(jù)所設(shè)計的想法放置傳送裝置，進行校核，確定可行性。如圖2-8所示，根據(jù)實際經(jīng)驗進行改進，形成最終的布局圖。如2-8所示。

圖2-8優(yōu)化改進布局圖

2.4機械手工作流程

2.4.1抓件

能夠?qū)崿F(xiàn)抓取，且姿態(tài)較好，無超軸現(xiàn)象。如圖2-9（2-10）。

圖2-9抓件姿態(tài)

圖2-10抓手

2.4.2焊接

焊縫橫截面面積由焊絲的熔化速度（送絲速度）、熔敷效率及焊接速度決定。根據(jù)焊縫體積與填充焊絲體積相等的關(guān)系可得以下關(guān)系式：

S焊縫L=ΦS焊絲( （2-1）

式中：S焊縫—焊縫橫截面面積；

L—焊縫長度；

Φ—焊接熔敷效率；

S焊絲—焊絲橫截面面積；

V送絲1，V焊接1,分別為第一道焊縫的送絲速度、焊接速度；

V送絲2，V焊接2，V送絲N，V焊接N—對應(yīng)的第二道和第N道焊縫的送絲速度、焊接速度。

由于S焊縫=d為焊絲直徑則，

（2-2）

查閱焊縫的設(shè)計圖紙，便能算出焊縫的橫截面面積。選用合適的焊絲后，根據(jù)式（2-2）可以推算出對應(yīng)的焊接速度及送絲速度。由于送絲速度反映焊接電流的大小，這樣便可以得到焊接的主要工藝參數(shù)，即焊接電流及焊接速度[4]。

因抓起為散件，為保證焊接正常進行，選取重要點進行點焊固定，如圖2-11，圖2-12，圖2-13，圖2-14，圖2-15，圖2-16所示。

圖2-11第一點定點

圖2-12第二點定點

圖2-13第三點定點

圖2-14第四點定點

圖2-15第五點定點

圖2-16第六點定點

焊接時，由于焊縫復(fù)雜，機器人姿態(tài)較多保證焊接質(zhì)量前提下，應(yīng)保證機器人滿足：

1）機器人不超軸，使機器人壽命更加長些；

2）機器人各個焊接姿態(tài)均有余量，即使出現(xiàn)安裝誤差較大的情況時，機器人還能夠正常工作；

3）機器人的落地位置應(yīng)保證距離抓件位置，焊接位置，放件位置，均是最近的距離，使機器人效率更高。

2.4.3放件

焊接結(jié)束，機器人運動至下件箱，抓手氣缸打開，將焊接好的L型板，排放入料箱中，機器人回到初始位置完成一次時序。如圖2-17。

圖2-17放件姿態(tài)

2.5機器人焊接時的注意事項

（1）必須對機器人進行示教

機器人在進行自動抓取工件焊接前，相關(guān)操作人員必須示教機器人抓手及焊槍的軌跡和設(shè)定相關(guān)焊接條件等；由于必須示教，所以此類型機器人不面向多品種少量生產(chǎn)的產(chǎn)品焊接。

（2）必須確保工件的精度

因為機器人沒有眼睛，所以只能重復(fù)相同的路徑；機器人的軌跡精度為±0.1mm，并以此精度重復(fù)相同的動作；焊接偏差大于焊絲半徑時，有可能導(dǎo)致焊接質(zhì)量不好，所以工件精度應(yīng)保持在焊絲半徑之內(nèi)。

（3）焊接條件的設(shè)定

相關(guān)操作人員進行示教時須輸入相關(guān)焊接程序，機器人焊槍姿態(tài)和角度，電流、電壓、速度等焊接條件。所以示教操作人員必須充分掌握焊接知識和焊接技巧。

（4）焊接的傷害

在室內(nèi)焊接時要保持良好的通風(fēng)；不要在有脫脂、清洗或噴射作業(yè)的場地附近實施焊接，因為電弧產(chǎn)生的熱和射線能和空氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生具有強烈毒性和刺激性的氣體。

（5）焊接可能會引發(fā)火災(zāi)或爆炸

要保護自己和他人避免在焊接過程中受到火花和焊件的傷害；因為飛濺火花容易引起燃燒釀成火災(zāi)，所以一定不要在有可燃材料的地方實施焊接；警惕火災(zāi)，在焊接區(qū)域內(nèi)要放置滅火器；焊接前，現(xiàn)場工作人員應(yīng)交出所有易燃、易爆物比如汽油、火柴、打火機等。

（6）必須注意安全

機器人是一種高速的運動設(shè)備，應(yīng)在機器人工作區(qū)域內(nèi)設(shè)置安全防護欄。并且在其進行自動運行時絕對不允許人員靠近機器人；操作人員必須在接受相關(guān)勞動安全方面的專門教育之后進行操作，否則不準(zhǔn)操作。

2.6小結(jié)

分析現(xiàn)存L型板焊接工藝存在的問題：

（1）手工焊居多，焊接精度得不到保障，焊工勞動強度大，勞動條件差。焊接時，工人長時間在高溫和有毒煙塵環(huán)境中進行操作，作業(yè)環(huán)境極差；

（2）焊接一致性差，外觀成型不良、焊接變形大，易出現(xiàn)未焊透、焊接后工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均；

（3）工件裝夾占用焊接時間，與自動化焊接方法相比，焊條電弧焊使用的焊接電流較小，而且需要經(jīng)常更換焊條，焊接效率低。

提出了基于工業(yè)機器人的智能船形焊工藝：

1）規(guī)劃了工業(yè)機器人通過快換盤連接抓手，抓手持件的工藝系統(tǒng)；

2）設(shè)計并完善了船形焊過程中的抓手，夾具；

3）對夾具系統(tǒng)提出了要求：定位準(zhǔn)確、重復(fù)定位精度高，工件抓取可靠、操作靈活、方便。

第3章智能焊接平臺夾具單元的設(shè)計

3.1焊接平臺自動上料的需求和意義

焊接，是材料廣泛使用的最普遍的聯(lián)接方式，但對于焊接工人們卻有很大危害，焊接的現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣，容易引發(fā)各種疾病，其中包括焊工硅肺、錳中毒、氟中毒、金屬煙熱及電光性眼炎等（如表3-1所示常用碳鋼焊條在焊接過程中產(chǎn)生煙塵的化學(xué)成分）。其中化學(xué)污染的醫(yī)學(xué)臨床表現(xiàn)為咳嗽、咯痰、胸悶、氣短以及咯血。

表3-1常用碳鋼焊條在焊接過程中產(chǎn)生煙塵的化學(xué)成分（mg/m3）[5]

煙塵成分

E4313

E4303

E5015

F2O3

45.31

48.12

24.03

SiO3

12.12

17.93

24.93

MnO

TiO2

CaO

MgO

Na2O

K2O

CaF2

KF

NaF

6.97

5.18

0.31

0.25

5.81

7.01

___

___

___

7.18

2.61

0.95

0.27

6.03

6.81

___

___

___

6.30

1.22

10.34

___

6.39

___

18.92

7.95

13.71

為保證工人身體健康，提高工人勞動幸福度，讓工人從笨重的手工勞動中解脫出來，是眾多企業(yè)追求的目標(biāo)之一。我們設(shè)計的智能焊接平臺，很好的解決了這一問題，能夠在工作時，自動上料，這樣工人就遠離焊接工作區(qū)。只需在安全圍欄外外監(jiān)控著機器人的工作即可。且機器人沒有疲勞，一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)拍也是固定不變的，因此安排生產(chǎn)計劃會非常明確。

在焊接過程中，應(yīng)用合理的夾具設(shè)備，有利于更好的安排流水線生產(chǎn)，便于平衡各工位時間，有效降低非生產(chǎn)的用時。對具有多種車型的企業(yè)，若能科學(xué)地考慮共用或混型夾具。還有利于建造混型流水線，從而提高生產(chǎn)效率。

焊接夾具從驅(qū)動的方式分類主要有：無驅(qū)動夾具、手動夾具和氣動夾具。其中：無驅(qū)動類型的夾具主要是指只有像定位塊、定位銷等定位組件的夾具，它在夾緊定位過程中不需要動力；手動夾具的動力源來自人力推動，它利用了四連桿機構(gòu)自鎖的原理：氣動夾具的動力源來自工業(yè)壓縮空氣，這種驅(qū)動方式的夾具自動化程度較高，可節(jié)約流水線產(chǎn)品生產(chǎn)時間，因而在汽車焊裝工藝生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。簡圖如下3-1。

圖3-1自動上料臺

3.2自動上料工作流程

L型板由3塊尺寸不同，重量不同的散件組成。由3條傳送帶，多組氣缸實現(xiàn)自動上料。首先如圖3-1中第一部分，人工將多個工件放入這三條傳送帶，傳送帶由電機驅(qū)動，到達氣缸推程范圍內(nèi)，再由氣缸推送到指定位置。PLC總體協(xié)調(diào)，保證上件速度與機器人抓件節(jié)拍一致，不會出現(xiàn)卡頓，等待，無法工作的情況。

當(dāng)光電傳感器檢測到傳送帶上的工件通過時，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電傳感器具有響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，形式多樣靈活的特點，信號轉(zhuǎn)換迅速，安裝位置對傳送帶正常工作無影響，工件在傳送帶摩擦力的作用下，緩慢的向船形焊焊接平臺輸送。輸送到傳送帶一端，由傳送帶下落到QGCX氣缸的推程中，QGCX氣缸按照需求選用200mm，200mm，300mm，600mm的推程。工作順序如圖3-2所示，當(dāng)氣缸將工件推送到位置后，有接觸式傳感器對其進行檢測，檢測無誤后，將信號傳給PLC。3塊散件的自動上料，夾緊，流程類似，不一一闡述。3塊工件上件完成后，PLC對機器人發(fā)出指令，進行下一步工作。如圖3-3所示。

圖3-2氣缸啟動順序圖

圖3-3上料概覽圖

3.3自動上料設(shè)計原理

將工件放入傳送帶后，工件隨傳送帶運動。運動到一端，落入凹槽，傳感器檢測到信號。QGCX20-300G1-SK2型氣缸運動，具體工作流程如圖3-2所示，將工件推動到指定位置氣缸基本參數(shù)如表3-2。

表3-2基本技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)及型號表

帶開關(guān)型

QGGCX12-K

QGGCX16-K

QGGCX20-K

QGGCX25-K

QGGCX32-K

QGGCX40-K

最大行程（mm）

200

300

400

500

600

工作介質(zhì)

干燥潔凈壓縮空氣

使用壓力范圍（MPa）

0.150.80

給油方式

不要（給油也可）

耐壓（MPa）

1.20

使用溫度范圍（℃）

-560

使用速度（mm/Sec）

50500

行程誤差（mm）

0250+1.0250600+1.5

訂貨舉例：QGCX40-100B2Z-TK2磁性開關(guān)型號CK-JIR（2個）

氣缸的安裝及外形尺寸如圖3-4所示。

圖3-4氣缸的安裝及外形尺寸

QGCX20-300G1-SK2型氣缸運動主要有以下特點：

1）氣缸缸筒采用精拉薄壁不銹鋼管，可降低其摩擦系數(shù)，從而提高氣缸的耐磨性。

2）氣缸活塞桿螺紋采用滾壓工藝，并且鍍鉻拋光，具有良好的防銹、耐磨性。

3）密封件結(jié)構(gòu)先進、品質(zhì)精良，可在無油情況下正常工作，啟動壓力低、壽命長。

4）氣缸前蓋裝有含油軸承，摩擦系數(shù)低，啟動壓力低。

5）氣缸筒與前后蓋連接采用精密擠壓鉚合工藝，強度高、質(zhì)量可靠。

圖3-5實物圖

QGCX系列小型氣缸是雙作用單活塞桿氣缸，具有不可調(diào)緩沖裝置，選用前后腳架式連接方式。可帶磁性開關(guān)。圖3-5為實物圖。

選用的氣缸均為氣動驅(qū)動產(chǎn)品，工作介質(zhì)為壓縮空氣。與電驅(qū)動產(chǎn)品相比，獲得相同的性能，氣動驅(qū)動的產(chǎn)品重量比電驅(qū)動的產(chǎn)品要小的多。并且工作介質(zhì)為壓縮空氣相對于液壓更加的環(huán)保，響應(yīng)速度也更加的快。

SMC寬型氣爪MHL2-25D2是利用壓縮空氣作為動力，用來夾取或抓取工件的執(zhí)行裝置。SMC寬型氣爪具有手指行程長，適合夾持體積大的物體，采用雙活塞設(shè)計，能夠保持夾緊力，采用密封件，防塵性較好等特點后被國內(nèi)自動化企業(yè)廣泛使用。其主要作用是替代人的抓取工作，可有效地提高生產(chǎn)效率及工作的安全性。SMC氣動手指系列是工業(yè)領(lǐng)域中常用的氣動夾爪裝置之一?；疽?guī)格如表3-3所示。

表3-3基本規(guī)格表

缸徑（mm）

10

16

20

25

32

40

使用流體

空氣（不給油）

動作方式

雙作用

最高使用壓MPa

0.6

最低使用壓MPa

0.1

環(huán)境和流體溫度

-1060℃

重復(fù)精度

±0.1mm

夾持力

14

45

74

131

228

396

接管口徑

M5X0.8

Rc1/8

SMC寬型氣爪MHL2-25D2，3D圖如下3-6，2D圖如下3-7所示。

圖3-6SMC氣缸3D數(shù)模

圖3-7SMC氣缸2D數(shù)模

3.4信息采集

采用接近開關(guān)進行信息采集，型號：MJA2S3M12，如圖3-8所示。

圖3-8接近開關(guān)型號及參數(shù)

3.4.1主要功能

（1）檢驗距離

檢測工件的極限位置；檢測推桿的停止位置，氣缸閥門的開或關(guān)位置。如圖3-9所示。

圖3-9接近開關(guān)的應(yīng)用

圖3-10二維、三維及實物圖

3.5焊接平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.5.1主要功能

夾具單元部分，L型支撐塊4、5、6（29、30、36）通過螺栓、銷與BASE板（4）固定連接，L型連接塊3、4、5（32、33、34）通過螺栓、銷與L型支撐塊4、5、6（29、30、36）及立板直線導(dǎo)軌（31）固定連接，L型支撐塊4、5、6（29、30、36）和L型連接塊3、4、5（32、33、34）、L型連接塊3、4、5（32、33、34）與立板直線導(dǎo)軌（31）之間安裝有墊片，用于調(diào)整兩零件之間的距離；滑塊2（35）可在立板直線導(dǎo)軌（31）上前后滑動，滑塊2（35）上面安裝有立板墊塊（28），立板墊塊（28）一端通過螺栓、銷與滑塊2（35）、立板推桿（27）固定連接，立板墊塊（28）另一端通過螺栓、銷與L型立板氣缸連接件（37）固定連接，同時立板墊塊（28）與立板推桿（27）、L型立板氣缸連接件（37）之間有墊片，用于調(diào)整兩零件之間的距離；L型立板氣缸支座1（38）通過螺栓、銷與BASE板（4）固定連接，L型支撐塊6（45）與BASE板（4）、肋板氣缸連接件（23）通過螺栓、銷固定連接，L型立板氣缸支座1（38）與肋板氣缸連接件（23）、L型立板氣缸連接件（37）上均有圓孔，用于定位立板氣缸（39）；U型支撐座3、4、5（40、42、44）通過螺栓、銷與BASE板（4）固定連接，用于定位支撐立板滑軌（41），立板滑軌（41）溝槽底部安裝有接近開關(guān)（43），用于檢測立板的位置信號，裝配過程中要確保直線導(dǎo)軌（31）上表面與立板滑軌（41）溝槽底面、立板接盤（）25溝槽底面相對與BASE板（4）的高度在同一水平線上。底板上料、裝夾裝置與立板相同此處不再敘述。L型支撐塊7（52）通過螺栓、銷與BASE板（4）固定連接，L型連接塊7（75）通過螺栓、銷與L型支撐塊（52）、支撐板3（57）固定連接，支撐板3（57）上方安裝有肋板滑軌(54)，兩零件通過螺栓、銷固定連接，肋板料箱由肋板料箱板1、2、3、4、5（55、56、60、61、63）通過螺栓、銷固定連接組成，肋板料箱內(nèi)安裝有肋板壓塊（59）用于壓緊肋板，肋板料箱板1（55）上安裝有接近開關(guān)（62），用于檢測肋板是否進入肋板料箱；U型支撐座6（76）通過螺栓、銷與BASE板（4）、肋板氣缸支撐座2（77）固定連接，U型支撐座6（76）與肋板氣缸支撐座2（77）之間安裝有墊片，用于調(diào)整兩零件之間的距離；肋板氣缸連接件（79）與肋板氣缸2（78）通過螺紋配合固定連接，肋板氣缸連接件（79）通過螺栓、銷與肋板推桿連接塊（80）固定連接，而肋板推桿（58）平置于肋板滑軌（54）表面上并與肋板推桿連接塊（80）通過螺栓固定連接，且肋板氣缸連接件（79）與肋板推桿連接塊（80）之間安裝有墊片，用于調(diào)整兩零件之間的距離，從而調(diào)整肋板推桿距肋板滑軌的高度；導(dǎo)軌支撐板1、2（69、71）通過螺栓與BASE板（4）固定，肋板直線導(dǎo)軌1、2（70、72）通過螺栓、銷與；導(dǎo)軌支撐板1、2（69、71）固定連接，肋板直線導(dǎo)軌1、2（70、72）上方通過螺栓、銷安裝有支撐板2（50），支撐板2（50）上方通過螺栓、銷安裝有支撐板1（49），支撐板1（49）上方安裝有U型連接件（51），U型連接件（51）下端通過螺栓、銷安裝有肋板氣缸支撐座1（67’）的，同時肋板氣缸支撐座1（67）與肋板氣缸1（48）通過螺母連接，肋板氣缸支撐塊1（67）通過螺栓、銷與BASE板（4）固定連接，支撐板1（49）上端面與L型連接塊6（66）通過螺栓、銷固定連接，L型連接塊6（66）通過螺栓、銷與SMC氣缸（65）固定連接，SMC氣缸（65）兩端分別與Z型夾塊（64）通過螺栓、銷固定連接，用于夾緊肋板。T型連接塊（88）通過螺栓、銷與BASE板（4）、I型支撐件（89）固定連接，I型支撐件（89）用于定位支撐工件立板（86）；工件限位板1、2（87、90）、工件彈性限位塊1（85）通過螺栓、銷與I型支撐件（89）固定連接，用于定位工件立板（86），工件連接件1、2、3、4（82、83、92、96）通過螺栓、銷與BASE板固（4）定連接，工件支撐件1、2、3、4（91、94、95、97）通過螺栓、銷與工件連接件1、2、3、4（82、83、92、96）固定連接，工件支撐件1、2、3、4（91、94、95、97）用于定位支撐工件，工件限位板3（93）、工件彈性限位塊2（98）通過螺栓、銷與工件支撐件2（94）固定連接，用于定位工件立板，工件支撐件5（99）通過螺栓、銷與工件支撐件4（97）固定連接。

3.5.2設(shè)計氣缸組件

本次設(shè)計需要氣缸夾緊單元,從而氣缸組件充當(dāng)了夾緊單元和保護單元。根據(jù)L型板的數(shù)模特點將氣缸夾緊端為平面，為保證工件上件過程平穩(wěn)，共4個氣缸組件有效的將L型板進行夾緊定位同時也很好的保證了放取時的平衡性。經(jīng)過初步測量，通過數(shù)模上夾緊單元的有效距離距離以及固定夾緊點（若未給出明確的夾緊點，則在選擇夾緊點時應(yīng)選平面，避免曲面及包絡(luò)體。）明確氣缸的位置。

3.5.3設(shè)計所需的材料

（1）40CR

40CR鋼具有相對較好的淬透性，較高的韌性和抗力，歸屬超高強度鋼，具有抗沖擊能力和高疲勞極限是在經(jīng)過硬化和回火處理后，具有韌性能夠在低溫下。鋼適用于生產(chǎn)具有更高鋼強度和更大回火部分的部件，并且可用于彎曲機模具等。

（2）Q235A

Q235A是低碳鋼，具備優(yōu)秀的塑性和涂膠機能，成型本領(lǐng)很好，具有很小的拉長率，大多數(shù)情況下在熱軋狀況去下利用Q235A，鋼板制造涂膠構(gòu)造等機械零件可用軋制的鋼筋與鋼板，列如螺栓、鉚釘、套環(huán)和銜接桿等。

（3）45號鋼

退火和標(biāo)準(zhǔn)化比淬火和回火更有效，并且具有很大的強度進入切割過程。

提高硬度方法可以標(biāo)準(zhǔn)化，如果低于160HBS的硬度會改變其切削性能。當(dāng)直徑大于一定值時，機械功能得到加強在淬火和回火后。對于中小型零件，它可以獲得更高的韌性，對于一些大的零件，可以進行標(biāo)準(zhǔn)化。因此，處理效果更好，通常在淬火和正火狀態(tài)下使用45＃。

本次設(shè)計有調(diào)整墊片、底座、連接板用到Q235A，定位銷用40CR,45#鋼用于定位塊與壓緊塊

3.5.4設(shè)計規(guī)范

1.本次設(shè)計左右前地板門檻外板夾具的主要有：base板定位機構(gòu)夾緊機構(gòu)

2.設(shè)備必須有足夠的空間進行安裝和粘合，膠點分布容易接觸。

3.夾具BASE板上的基準(zhǔn)孔需要統(tǒng)一增加基準(zhǔn)孔蓋板（STD.CAP）從而進行防護處理。

4.除了上述參考孔蓋板外，還可以攻制M4螺紋，并且不允許在任何其他位置進行螺紋攻絲。

5.較高機械效率和良好的制造技術(shù)是夾具該具有的。

6.夾具方便操作，人機工程學(xué)設(shè)計要符合。

7.在設(shè)計過程中使用小而簡單的連接器可以減輕設(shè)備的總重量?？梢猿浞譁p少連接器的使用在設(shè)計過程中。

8.方管可承受的最大值載荷不能超過。

9.為了滿足設(shè)計要求，請盡量減少連接器和型材的數(shù)量，以避免結(jié)構(gòu)溢出。

10.夾具各部件的幾何公差必須符合安裝標(biāo)準(zhǔn)。

11.公差的標(biāo)準(zhǔn)要符合大正標(biāo)準(zhǔn)（例如定位塊寬度+-0.05基準(zhǔn)面到銷孔+-0.05等）

3.5.5夾具裝調(diào)范疇

1.必須組裝的零部件（包括采購零件和外部零件）必須經(jīng)過檢驗部門檢查才能組裝好。

2.作為夾具框架，在進行裝配時要求校正水平度。對于校正精度：布局簡單、精度要求較低的夾具不低于0.5mm/1000mm；關(guān)于構(gòu)造較繁瑣、精度要求較高的涂膠、點焊、沖孔、及鉚接等工藝?yán)玫膴A具不小于0.2mm/1000mm（要確保定位銷和定位面的行位公差）

3.由于方鋼的硬度較低，在裝配過程中，容易產(chǎn)生表面劃痕、局部凹陷等問題，所以對于裝配工人要求格外注意防止此類問題的發(fā)生。

4.在進行定位銷的安裝過程中，需使用橡膠錘輕輕敲入，如果配合上發(fā)生過緊可以使用機油潤滑然后敲打。

5.嚴(yán)禁拆裝反復(fù)。

6.裝配好的夾具預(yù)防被水淋濕，需要及時風(fēng)干淋濕部分。

7.按照提供的夾具裝配尺寸圖進行有效的裝配，粗裝配（檢測調(diào)整前）需要使用游標(biāo)卡尺，裝配誤差在±2mm之間。

8.安裝螺釘與型材接觸面必須使用墊片。

3.6焊接平臺整體工作流程

工件上料、裝夾、抓取過程：1）底板氣缸（2）、立板氣缸(39)、肋板氣缸2（78）同時運動，底板氣缸（2）運動，氣缸桿伸長，經(jīng)L型底板氣缸連接件（16）、底板墊塊(7)帶動滑塊1（17）在底板直線導(dǎo)軌（8）上做往復(fù)運動，滑塊1（17）在底板直線導(dǎo)軌（8）上做往復(fù)運動帶動底板推桿（6）運動，使底板推桿（6）處于打開狀態(tài)；立板氣缸(39)運動，氣缸桿伸長，經(jīng)L型立板氣缸連接件（37）、立板墊塊（28）帶動滑塊2（35)在立板直線導(dǎo)軌（31）上做往復(fù)運動，從而帶動立板推桿（27）運動，使立板推桿（27）處于打開狀態(tài)；2）工件傳送過程：L型板由3塊尺寸不同，重量不同的散件組成。人工分別將底板、立板、肋板放入3條傳送帶（22、24、47），傳送帶由電機驅(qū)動，底板、立板、肋板經(jīng)傳送帶傳送分別滑落至底板、立板、肋板接盤，完成上料。3）底板氣缸（2）運動，氣缸桿收縮，經(jīng)L型底板氣缸連接件（16）、底板墊塊(7)帶動滑塊1（17）在底板直線導(dǎo)軌（8）上做往復(fù)運動，從而帶動帶動底板推桿（6）運動，從而推動底板在底板接盤（5）、底板滑軌（3）中運動，使底板最總到達由U型底板定位件（11）、工件支撐件4（97）、工件支撐件5（99）所固定的位置，底板滑軌（3）中安裝有限位開關(guān)1（13），底板到達限位開關(guān)1（13所在位置時，限位開關(guān)1（13發(fā)出信號；立板氣缸(39)運動，氣缸桿收縮，經(jīng)L型立板氣缸連接件（37）、立板墊塊（28）帶動滑塊2（35)在立板直線導(dǎo)軌（31）上做往復(fù)運動，從而帶動立板推桿（27）運動，從而推動立板在立板接盤（25）、立板滑軌（41）中運動，使立板最終到達由工件彈性限位塊1（85）、工件限位板1（87）、I型支撐件（89）、工件限位板2（90）、工件限位板3（93）、工件彈性限位塊2（98）、工件支撐件5（99）所固定的位置，并使立板一端緊靠底板，立板滑軌（41）底部安裝有限位開關(guān)2（43），立板到達限位開關(guān)2（43）所在位置時，限位開關(guān)2（43）發(fā)出信號；肋板氣缸2（78）運動，氣缸桿收縮，經(jīng)滑塊4（73）帶動固定在一起的肋板推桿連接塊（80）、肋板推桿（58）在肋板滑軌（54）中來回運動，從而推動肋板在肋板滑軌（54）中運動至Z型壓塊（64）所在位置，SMC氣缸（65）運動，氣缸桿收縮，帶動Z型壓塊（64）運動，使Z型壓塊（64）壓緊工件；肋板氣缸1（48）運動，氣缸桿伸長，帶動肋板氣缸支撐座1（67’）、U型連接件（51）、支撐板1（49）、支撐板2（50）、滑塊3、4（68、73）運動，帶動滑塊3、4（68、73）分別在肋板直線導(dǎo)軌1、2（70、72）上往復(fù)運動，使肋板最終到達由工件支撐件1、3（91、95）所固定的位置，并使肋板緊靠立板、底板，從而工件的立板、肋板、底板分別夾緊。4）抓件時：氣缸3（15）工作，氣缸（15）雙導(dǎo)桿收縮，使同氣缸（15）固定的夾緊塊（22）壓緊工件立板（53），夾緊塊（22）上安裝有壓力傳感器，通過壓力傳感器的反應(yīng)，確保壓緊工件立板（53）所需的力度，從而確定氣缸3（15）所需提供的壓緊力；氣缸2（12）工作，帶動連接在一起的推桿（8）、連接件（9）和彈簧頂塊（10），推桿（8）定位工件肋板(52），彈簧頂塊（10）定位工件立板（53）；氣缸1（1）工作，使固定在一起的氣缸1壓臂（2）、壓塊1（6）和壓塊2（7）壓緊工件，可調(diào)螺栓（3）和壓塊2（7）上安裝有壓力傳感器，通過壓力傳感器的反應(yīng)，確保壓緊工件（5）所需的力度，從而確定氣缸1（1）所需提供的壓緊力，完成抓件流程。5)六軸機械手臂運轉(zhuǎn)，帶動抓手，到達焊接指定位置，完成焊接動作。

放件時：氣缸3（15）工作，氣缸導(dǎo)桿伸長，使同氣缸3（15）固定的夾緊塊（22）松開工件（5）；氣缸2（12）工作，氣缸導(dǎo)桿伸長，使固定在一起的推桿（8）、連接件（9）和彈簧頂塊（10）松開工件（5）；氣缸1（1）工作，氣缸1壓臂（2）打開，使同氣缸1壓臂（2）固定在一起的可調(diào)螺栓（3）、壓塊1（6）和壓塊2（7）松開工件（5），從而完成放件流程。

圖3-11焊接平臺二維圖

圖3-12焊接平臺二維圖

圖3-13焊接平臺二維圖

圖3-14焊接平臺二維圖

圖3-15焊接平臺二維圖

具體工作流程如圖所示。

第一步，上件；

圖3-16上件

第二步，送料；

圖3-17送料

圖3-18送料

圖3-19送料

圖3-20送料

第三步，工件到達指定位置，上件完成，發(fā)出信號，機器人抓取工件開始焊接。整個工作流程如圖3-16所示。

圖3-21工作流程圖

3.7小結(jié)

智能焊接平臺的優(yōu)點：

（1）提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。焊接電流、電壓、焊接速度及焊接桿伸長度等焊接參數(shù)對焊接結(jié)果都有一定的影響。應(yīng)用智能化機器人的焊接技術(shù)，各種參數(shù)都是固定一致的，因而整個焊接過程會比人工穩(wěn)定得多，能夠保證焊縫具有較高的均勻穩(wěn)定性，進而提升了整體的焊接質(zhì)量。

（2）改善勞動條件。采用機器人焊接時，工人只需安全防護圍欄外在特定的崗位裝卸工件，從而遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等有害物質(zhì)，大大改善焊接環(huán)境，很大程度上也減免了人工操作，并且整體性的降低了工人的勞動強度。

（3）提高勞動生產(chǎn)率。機器人進行工作，避免了人們的各種疲勞因素，因而可以實現(xiàn)24小時不間斷的工作，在這樣的狀況下，整體的生產(chǎn)效率必然會得到最為有效的提高,并且機器人的能夠高質(zhì)量、高效率的完成工作。

（4）產(chǎn)品生產(chǎn)周期明確，容易控制產(chǎn)量。每臺機器人都有固定的節(jié)拍，生產(chǎn)效率都是一定的，因而安排生產(chǎn)計劃十分明確。

（5）通過智能化的機器人進行焊接，不僅大大縮短了基礎(chǔ)的產(chǎn)品更換準(zhǔn)備周期，而且在一定程度上減少了相當(dāng)多的設(shè)備成本投資，并且它可以實現(xiàn)較為合理的焊接自動化，尤其是一些小批量產(chǎn)品的焊接。

（6）可用于完成人工難以進行的焊接作業(yè)。如在空間站建設(shè)、核能設(shè)備維修、深水焊接等極限條件的焊接。

（7）為焊接柔性化生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。

第4章強度校核

當(dāng)氣缸啟動時，推桿推動工件進行移動，推桿受到氣缸的正應(yīng)力、工件的重力及導(dǎo)軌對工件的摩擦力，結(jié)構(gòu)受力簡化為下圖，現(xiàn)對推桿進行強度校核：

受力分析如圖4-1所示：

圖4-1受力分析

已知：G=40N,Ff=12N,Fz=60N，材料為Q235，強度為235MPa。

列平衡方程得：

（4-1）

（4-2）

解得：

（4-3）

故滿足強度要求

第5章非標(biāo)件設(shè)計

2D制圖規(guī)范，規(guī)定了制圖注意事項、形位公差以及尺寸公差要求，總裝圖，零件圖投圖標(biāo)準(zhǔn)，達到2D出圖統(tǒng)一化、規(guī)范化?？傃b圖需要三視圖、等軸測試圖，有時需要幾個等軸側(cè)視圖。對于復(fù)雜的零件圖可以用幾個視圖來表達。

5.12D出圖時的注意事項

（1）檢查3D中連接處是否有丟落孔，確認孔型、孔位是否正確，定位塊、壓塊型面是否割好。

（2）模擬打開過程是否干涉。

（3）止塊安裝方向是否正確。

（4）在畫夾具過程中，所建的輔助點線面，夾具完成后必須隱藏。

（5）夾具各零部件的顏色是否正確。（定位塊、壓塊用棕色，連接塊用藍色）

（6）是否存在著旋轉(zhuǎn)過高，打開取件不便等問題。

（7）若有錯誤，及時溝通并用標(biāo)準(zhǔn)問題單記錄向3D設(shè)計人員反饋。

（8）制圖時必須使用編制的標(biāo)準(zhǔn)圖框。

（9）所有下發(fā)到生產(chǎn)的圖紙必須有受控圖章，作廢圖紙一定要有作廢圖章。

（10）要保證2D圖與3D零件相符。

（11）圖紙一定處在工作視圖，圖框必須處在背景視圖，圖框里面填寫的比例必須與視圖的比例一致，充分利用圖紙空間，圖紙布滿圖框，居中擺放。

（12）零件比較復(fù)雜時，需投一個軸側(cè)圖。

（13）不要丟落尺寸公差（注意裝配關(guān)系）、加工符號、加工面、頁數(shù)、圖號、比例、數(shù)量、材料、對稱說明以及技術(shù)要求，擺放位置不要隨便變動。

5.2特殊位置公差要求

零件的精度直接決定夾具總體的精度，例如型面的粗糙度要求1.6、加工面的粗糙度要求3.2。零件的精度既需要根據(jù)廠商要求，又要根據(jù)零件的實際情況來確定。對于壓臂來說，壓臂的兩側(cè)面要止塊相接觸，那么壓臂的兩側(cè)面加工的時候就需要局部加工，銑床加工。兩側(cè)面的粗糙度要達到3.2，寬度需要減公差，定位塊、壓塊與型模接觸的地方表面粗糙度要達到1.6。

對于特殊位置的精度，具體要求如下表：

表4-1特殊位置公差表

特殊位置公差要求

01、壓臂兩側(cè)面

+0.1/0（壓臂與鉸鏈不是摩擦配合時）

02、壓臂兩側(cè)面

03、面面

0/-0.1（壓臂與鉸鏈?zhǔn)悄Σ僚浜蠒r）

±0.1

04、面孔

±0.05

05、同組銷孔

±0.02

06、異組銷孔

±0.05

07、定位銷座防轉(zhuǎn)

+0.1/0

08、定位銷止轉(zhuǎn)面

0/-0.1

09、型板兩側(cè)面

0/-0.1

成本核算、技術(shù)經(jīng)濟性分析與環(huán)境

第6章智能焊接平臺應(yīng)用前景

焊接是一種將材料與具有特定功能的結(jié)構(gòu)永久連接的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從載重數(shù)十萬噸的船舶到重量不到一克的微電子元件，都不同程度地依賴于焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造的各個領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命，以及生產(chǎn)的成本、效率和市場反應(yīng)速度。電弧焊占有重要地位。電弧焊接設(shè)備以其體積小、效率高等優(yōu)點，在航空航天、造船、壓力容器、機械制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。進一步為2025年“中國制造”,手工焊接已經(jīng)逐漸被淘汰,焊接自動化已經(jīng)成為一個不可避免的趨勢,從工業(yè)機器人誕生直到現(xiàn)在,工業(yè)機器人在焊接領(lǐng)域包括汽車行業(yè),工程機械、通用機械、金屬結(jié)構(gòu)和軍火產(chǎn)業(yè)在許多行業(yè),機器人焊接是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一,自2025年“中國制造”推廣以來，因其精度高、效率高