一种大型焊接件机器人焊接变位机装夹定位装置及弹簧参数选择方法

摘要

本发明涉及一种大型焊接件机器人焊接变位机装夹定位装置及弹簧参数选择方法，针对工件底板孔位偏差的不确定性，经过了详细的弹簧受力计算，快速、便捷确定了弹簧的主要参数，将数据记录下来，用于数据比较、查阅，并作出一些判断或结论。通过此装置弹簧起到了自动调节的作用，以及锁紧装置的固定作用，保证了机器人自动焊接定位时的准确性，实现大型焊接件与机器人焊接变位机可靠快速定位装夹。

说明书

技术领域

本发明属于机器人焊接变位机装置领域，特别是涉及一种大型焊接件机器人焊接 变位机装夹定位装置及弹簧参数选择方法，提高焊接精度和焊接效率。

背景技术

目前，机器人焊接变位机装夹大型焊接件工件的操作方法是先在大型焊接件底板 面上气割开一个圆孔，再将大型焊接件底板面气割圆孔套在机器人焊接变位机固定圆柱锥 面上来定位的，采用上述装夹定位存在以下几个方面的缺陷和不足：

(1)在用气枪切割工件底面的定位圆孔时不容易控制圆孔的大小，当工件底板面 圆孔气割孔偏大时无法进行精确定位，焊接过程中大型焊接件旋转变位时会左右滑动，进 而导致焊接机器人定位不准确，会带来安全隐患及焊接质量问题；

(2)工件底板面圆孔气割时如果定位孔太小，大型焊接件底板将无法安装，需要反 复试垫不同厚度的垫片来调整调平，严重影响工作效率，而且需要在高空下作业，存在着不 安全隐患而且费工费时效率低下；

(3)大型焊接件由于重量较大，在定位装夹过程中，需要用到其它辅助吊装装置， 辅助吊装装置在使用过程中容易受到空间位置关系限制，影响施工定位安装质量。

发明内容

为了克服现有的机器人焊接变位机装夹大型焊接件工件方法及装置的不足，本发 明提供一种大型焊接件机器人焊接变位机装夹定位装置及弹簧参数选择方法，该方法与控 制装置是将机器人焊接变位机固定圆柱锥面改为可上下浮动又可锁紧的圆柱圆锥面，同时 适当缩小大型焊接件底板面上气割圆孔孔径，实现大型焊接件与机器人焊接变位机可靠快 速定位装夹。发明方法与控制装置操作简单，使用方便、安全可靠。

为达到上述目的，本发明的设计方案是：一种大型焊接件机器人焊接变位机装夹 定位装置，它包括壳体，壳体通过螺栓固定安装在机器人焊接变位机的上顶面并与变位机 的腔体相配合形成圆柱形腔体，所述圆柱形腔体的中心位置通过螺栓安装有锁紧装置，锁 紧装置的内部套装有夹紧螺杆，夹紧螺杆外部套装有弹簧；所述弹簧的下端通过圆柱形腔 体的上端面支撑固定，上端通过夹紧螺杆的轴环支撑固定，夹紧螺杆的轴环上端与浮动圆 柱的下端面相配合，浮动圆柱设置在壳体的内部并通过定位台阶配合定位，浮动圆柱的中 心加工有定位孔，定位孔与夹紧螺杆的顶部圆柱配合定位，所述浮动圆柱设置在壳体外部 的圆柱端设置有定位锥端。

所述锁紧装置通过紧定螺栓固定安装在机器人焊接变位机的中心孔。

上述中所采用弹簧的参数选择方法，它包括以下步骤：

1)确定弹簧5的最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n、工作行程h、初算弹簧外径D′₂、 弹簧材料直径d、弹簧类别N、端部结构和弹簧材料；

2)根据最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n和工作行程h计算得到初算弹簧刚度P′； 根据最大工作载荷P_n计算得到初算工件极限载荷P_j′，其中：

$p^{\prime }=\frac{p_n-p_1}{h};$

p′_j≥1.25×p_n；

3)根据初算弹簧外径D′₂和弹簧材料直径d计算弹簧中径D；

4)根据弹簧中径D、弹簧材料直径d、初算工件极限载荷P_j′及弹簧材料查机械设计 手册(第五版)11-21页表11-2-19《圆柱螺旋压缩弹簧计算表》得到单圈刚度p′_d、工作极限 载荷下的单圈变形量f_j和工件极限载荷P_j；

5)根据单圈刚度p′_d和弹簧刚度P′计算有效圈数n，根据有效圈数n计算总圈数n₁，

其中，

$n=\frac{p_d^{\prime }}{p^{\prime }};$

n₁＝n+2；

6)根据单圈刚度p′_d和总圈数n₁计算得到弹簧刚度p″，其中：

$P^{\prime \prime }=\frac{p_d^{\prime }}{n_1};$

7)根据总圈数n₁和工作极限载荷下的单圈变形量f_j计算极限载荷下的变形量F_j， 其中：

F_j＝n₁×f_j；

8)根据极限载荷下的变形量F_j、总圈数n₁和弹簧材料直径d计算得到节距t，其中：

$t=\frac{F_j}{n}+d;$

9)根据有效圈数n、节距t和弹簧材料直径d计算自由高度H₀，其中：

H₀＝n×t+1.5×d；

10)根据弹簧中径D和弹簧材料直径d计算弹簧内径D₁和弹簧外径D₂，其中：

D₂＝D+d；

D₁＝D-d；

11)根据节距t、弹簧中径D计算螺旋角α，其中：

$\alpha =\arctan \frac{t}{\pi D};$

12)根据螺旋角α、弹簧中径D和总圈数n₁计算展开长度L，其中：

$L=\frac{{\mathrm{\pi Dn}}_1}{cos\alpha };$

13)根据自由高度H₀、最小工作载荷P₁和弹簧刚度p″计算最小载荷时的高度H₁，其 中：

$H_1=H_0-\frac{p_1}{p^{\prime \prime }};$

14)根据自由高度H₀、最大工作载荷P_n和弹簧刚度p″计算最大载荷时的高度H_n，其 中：

$H_n=H_0-\frac{p_n}{p^{\prime \prime }};$

15)根据自由高度H₀、工件极限载荷P_j和弹簧刚度p″计算极限载荷时的高度H_j，其 中：

$H_j=H_0-\frac{p_j}{p^{\prime \prime }};$

16)根据最小载荷时的高度H₁和最大载荷时的高度H_n计算实际工作行程h′，其中：

h′＝H₁-H_n；

17)根据最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n和工件极限载荷P_j分别计算工作区范 围；

18)根据自由高度H₀和弹簧中径D计算高径比b，其中：

$b=\frac{H_0}{D};$

所述步骤1)中选择的弹簧材料为60Si2Mn硅锰合金弹簧钢。

所述步骤1)中选择的端部结构为端部并紧、磨平，两端支撑圈各1圈。

所述60Si2Mn硅锰合金弹簧钢采用热弯成型的弹簧，成型之后进行应进行淬火和 回火处理。

所述淬火处理的加热温度为850℃～870℃，冷却介质为油，淬火之后硬度为 60HRC。

所述回火处理的加热温度为380℃～420℃，冷却介质为水，回火之后硬度为42HRC ～48HRC。

本发明有如下有益效果：

1、通常情况下，焊接零件下料时，尺寸存在不可避免的误差。在使用焊接机器人进 行装夹固定时，需要人工操作调节，以便固定焊接件。现通过此种变位机自动夹紧装置进行 焊接件的固定，避免了人工操作的繁杂过程，提高了劳动生产率，改善了工人的劳动强度。 且操作简单，使用方便、安全可靠。

2、通过上述的专用弹簧能够根据实际工作情况和工作载荷选择相应的材料和成 型方法进而保证了弹簧正常工作，同时提高了弹簧的性能。

3、通过在浮动圆柱的下部装夹弹簧能够保证浮动圆柱在外力作用以及弹簧的作 用下于腔体内部上下移动，进而保证其与工件底部的焊接中心孔相配合，提高了定位精度。

4、采用60Si2Mn硅锰合金弹簧钢能够有效的延长弹簧的使用寿命。

5、采用淬火和回火处理提高了弹簧的强度和性能。

6、通过在浮动圆柱的顶部设置定位锥端能够方便的与工件底部的焊接中心孔相 配合，同时保证有效的避免了因为焊接中心孔的大小不一所导致的定位不准的缺陷。

7、通过锁紧装置能够将夹紧螺杆进行锁紧，将焊件锁死，防止机器人自动翻转时， 焊件产生移位的现象。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的整体结构示意图。

图中：机器人焊接变位机1、紧定螺栓2、夹紧螺杆3、锁紧装置4、弹簧5、壳体6、定位 台7、夹具体8、工件9、焊接中心孔10、定位锥端11、浮动圆柱12、定位孔13、顶部圆柱14、轴环 15、定位台阶16、腔体17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1，一种大型焊接件机器人焊接变位机装夹定位装置，它包括壳体6，壳体6 通过螺栓固定安装在机器人焊接变位机1的上顶面并与变位机的腔体17相配合形成圆柱形 腔体，所述圆柱形腔体的中心位置通过螺栓安装有锁紧装置4，锁紧装置4的内部套装有夹 紧螺杆3，夹紧螺杆3外部套装有弹簧5；所述弹簧5的下端通过圆柱形腔体的上端面支撑固 定，上端通过夹紧螺杆3的轴环15支撑固定，夹紧螺杆3的轴环15上端与浮动圆柱12的下端 面相配合，浮动圆柱12设置在壳体6的内部并通过定位台阶16配合定位，浮动圆柱12的中心 加工有定位孔13，定位孔13与夹紧螺杆3的顶部圆柱14配合定位，所述浮动圆柱12设置在壳 体6外部的圆柱端设置有定位锥端11。

进一步的，所述锁紧装置4通过紧定螺栓2固定安装在机器人焊接变位机1的中心 孔。

进一步的，工件9上加工有焊接中心孔10，焊接中心孔10与浮动圆柱12的定位锥端 11相配合，通过锥端定位能够提高定位精度。

进一步的，工件9的边缘通过夹具体8定位固定安装在定位台7上，通过夹具体8进 一步的提高了夹紧效果，防止在翻转过程中发生位移。

上述中所采用弹簧的参数选择方法，它包括以下步骤：

1)确定弹簧5的最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n、工作行程h、初算弹簧外径D′₂、 弹簧材料直径d、弹簧类别N、端部结构和弹簧材料；上述参数的选择是根据弹簧5工作过程 中实际的工况所确定，通过上述的初始参数能够为后续弹簧参数的选择提供数据基础，方 便后续弹簧参数的进一步确定。

2)根据最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n和工作行程h计算得到初算弹簧刚度P′； 根据最大工作载荷P_n计算得到初算工件极限载荷P_j′，其中：

$p^{\prime }=\frac{p_n-p_1}{h};$

p′_j≥1.25×p_n；

3)根据初算弹簧外径D′₂和弹簧材料直径d计算弹簧中径D；

4)根据弹簧中径D、弹簧材料直径d、初算工件极限载荷P_j′及弹簧材料查机械设计 手册(第五版)11-21页表11-2-19《圆柱螺旋压缩弹簧计算表》得到单圈刚度p′_d、工作极限 载荷下的单圈变形量f_j和工件极限载荷P_j；其中所查阅的工具书为：

5)根据单圈刚度p′_d和弹簧刚度P′计算有效圈数n，根据有效圈数n计算总圈数n₁，

其中，

$n=\frac{p_d^{\prime }}{p^{\prime }};$

n₁＝n+2；

6)根据单圈刚度p′_d和总圈数n₁计算得到弹簧刚度p″，其中：

$P^{\prime \prime }=\frac{p_d^{\prime }}{p^{\prime }};$

7)根据总圈数n₁和工作极限载荷下的单圈变形量f_j计算极限载荷下的变形量F_j， 其中：

F_j＝n₁×f_j；

8)根据极限载荷下的变形量F_j、总圈数n₁和弹簧材料直径d计算得到节距t，其中：

$t=\frac{F_j}{n}+d;$

9)根据有效圈数n、节距t和弹簧材料直径d计算自由高度H₀，其中：

H₀＝n×t+1.5×d；

10)根据弹簧中径D和弹簧材料直径d计算弹簧内径D₁和弹簧外径D₂，其中：

D₂＝D+d；

D₁＝D-d；

11)根据节距t、弹簧中径D计算螺旋角α，其中：

$\alpha =\arctan \frac{t}{\pi D};$

12)根据螺旋角α、弹簧中径D和总圈数n₁计算展开长度L，其中：

$L=\frac{{\mathrm{\pi Dn}}_1}{cos\alpha };$

13)根据自由高度H₀、最小工作载荷P₁和弹簧刚度p″计算最小载荷时的高度H₁，其 中：

$H_1=H_0-\frac{p_1}{p^{\prime \prime }};$

14)根据自由高度H₀、最大工作载荷P_n和弹簧刚度p″计算最大载荷时的高度H_n，其 中：

$H_n=H_0-\frac{p_n}{p^{\prime \prime }};$

15)根据自由高度H₀、工件极限载荷P_j和弹簧刚度p″计算极限载荷时的高度H_j，其 中：

$H_j=H_0-\frac{p_j}{p^{\prime \prime }};$

16)根据最小载荷时的高度H₁和最大载荷时的高度H_n计算实际工作行程h′，其中：

h′＝H₁-H_n；

17)根据最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n和工件极限载荷P_j分别计算工作区范 围；

18)根据自由高度H₀和弹簧中径D计算高径比b，其中：

$b=\frac{H_0}{D};$

进一步的，所述步骤1)中选择的弹簧材料为60Si2Mn硅锰合金弹簧钢。

进一步的，所述步骤1)中选择的端部结构为端部并紧、磨平，两端支撑圈各1圈。

进一步的，所述60Si2Mn硅锰合金弹簧钢采用热弯成型的弹簧，成型之后进行应进 行淬火和回火处理。

进一步的，所述淬火处理的加热温度为850℃～870℃，冷却介质为油，淬火之后硬 度为60HRC。

进一步的，所述回火处理的加热温度为380℃～420℃，冷却介质为水，回火之后硬 度为42HRC～48HRC。

实施例2：

下面以一个实际工况下的数据，通过上述的参数选择方法进行弹簧参数的选择过 程如下：

1)根据实际工况可以确定浮动圆柱12的载荷为：290kg×9.8N/kg＝2842N；

工件和浮动圆柱12的总载荷为：2842N+15031kg×9.8N/kg＝150127N；

根据上述的参数进一步初步确定弹簧5的最小工作载荷：P₁＝4000N>2842N；

最大工作载荷：P_n＝6000N<150127N；

根据壳体6和工件9的间距初步确定工作行程：h＝50±1mm；

根据轴环15的直径初步确定弹簧外径：D′₂≈200mm；

采用弹簧材料直径为：d＝20mm；

弹簧类别：N＝103～106次；

端部结构为端部并紧、磨平，两端支撑圈各1圈；

弹簧材料为60Si2Mn硅锰合金弹簧钢。

2)根据最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n和工作行程h计算得到初算弹簧刚度P′； 根据最大工作载荷P_n计算得到初算工件极限载荷P_j′，其中：

$p^{\prime }=\frac{p_n-p_1}{h}=\frac{6000-4000}{50}=40N/mm;$

p′_j≥1.25×p_n＝1.25×6000＝7500N>10000N；

3)根据弹簧外径D₂和弹簧材料直径d初步计算弹簧中径D；

4)根据弹簧中径D、弹簧材料直径d、初算工件极限载荷P_j′及弹簧材料查机械设计 手册(第五版)11-21页表11-2-19《圆柱螺旋压缩弹簧计算表》得到单圈刚度p′_d、工作极限 载荷下的单圈变形量f_j和工件极限载荷P_j；

通过查表得到：

d D P_jf_jp′_d20 190 10612 46.66 227

5)根据单圈刚度p′_d和弹簧刚度P′计算有效圈数n，根据有效圈数n计算总圈数n₁，

其中，

n₁＝n+2＝7.675圈；

6)根据单圈刚度p′_d和总圈数n₁计算得到弹簧刚度p″，其中：

$P^{\prime \prime }=\frac{p_d^{\prime }}{n_1}=\frac{227}{7.675}=29.6N/mm;$

7)根据总圈数n₁和工作极限载荷下的单圈变形量f_j计算极限载荷下的变形量F_j， 其中：

F_j＝n₁×f_j＝7.675×46.66＝358.12mm；

8)根据极限载荷下的变形量F_j、总圈数n₁和弹簧材料直径d计算得到节距t，其中：

$t=\frac{F_j}{n}+d=\frac{358.12}{7.675}+20=66.7mm;$

9)根据有效圈数n、节距t和弹簧材料直径d计算自由高度H₀，其中：

H₀＝n×t+1.5×d＝5.675×66.7+1.5×20＝408.5mm；

10)根据弹簧中径D和弹簧材料直径d计算弹簧内径D₁和弹簧外径D₂，其中：

D₂＝D+d＝190+20＝210mm；

D₁＝D-d＝190-20＝170mm；

11)根据节距t、弹簧中径D计算螺旋角α，其中：

12)根据螺旋角α、弹簧中径D和总圈数n₁计算展开长度L，其中：

13)根据自由高度H₀、最小工作载荷P₁和弹簧刚度p″计算最小载荷时的高度H₁，其 中：

$H_1=H_0-\frac{p_1}{p^{\prime \prime }}=408.5-\frac{4000}{29.6}=273.36mm;$

14)根据自由高度H₀、最大工作载荷P_n和弹簧刚度p″计算最大载荷时的高度H_n，其 中：

$H_n=H_0-\frac{p_n}{p^{\prime \prime }}=408.5-\frac{6000}{29.6}=205.80mm;$

15)根据自由高度H₀、工件极限载荷P_j和弹簧刚度p″计算极限载荷时的高度H_j，其 中：

$H_j=H_0-\frac{p_j}{p^{\prime \prime }}=408.5-\frac{10612}{29.6}=49.99mm;$

16)根据最小载荷时的高度H₁和最大载荷时的高度H_n计算实际工作行程h′，其中：

h′＝H₁-H_n＝273.36-205.80＝67.56mm；

17)根据最小工作载荷P₁、最大工作载荷P_n和工件极限载荷P_j分别计算工作区范 围；

$\frac{P_1}{p_j}=\frac{4000}{10612}\approx 0.38$

$\frac{p_n}{p_j}=\frac{6000}{10612}\approx 0.57$

18)根据自由高度H₀和弹簧中径D计算高径比b，其中：

$b=\frac{H_0}{D}=\frac{408.5}{190}=2.15<2.6;$

从而证明了此弹簧的稳定性。

最后，根据上述的参数进行下料，再将下料的60Si2Mn硅锰合金弹簧钢热弯成型弹 簧，为了确保弹簧的强度和性能，应进行淬火和回火处理。

淬火处理：

加热温度：850～870℃；

冷却介质：油；

硬度：60HRC；

回火处理：

加热温度380～420℃；

冷却介质：水；

硬度：42～48HRC。

本发明装置具体工作原理和工作过程为：

通过上述的装置能够方便焊接件的定位作业，同时通过上述的弹簧选择方法能够 适应不同机型的使用，进而提高其通用性。

通过自动调节的弹簧，在承受焊件重力时自动压缩，起到了自动调节焊件定位的 作用，在不承受焊件重力时自动将浮动圆柱顶起。

当焊件自动定位后，通过锁紧装置，将焊件锁死，防止机器人自动翻转时，焊件产 生移位的现象。

结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方 式。技术人员均可在不违背本发明的创新点及操作步骤，在权利要求保护范围内，对上述实 施例进行修改。本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。