模块化焊装翻转台的结构设计和分析

郑 鋆，焦安源

(1.华晨宝马汽车有限公司 设备工程部，辽宁 沈阳 110044；2.辽宁科技大学 应用技术学院，辽宁 鞍山 114051)

0 引言

通常白车身焊装车间是整车厂自动化程度最高的区域，需要投入大量的资金，依靠众多的机器人、工艺设备(焊枪、铆枪等)和焊装夹具实现批量化的白车身生产任务。当白车身车型换代时，大部分焊装夹具会被拆除报废，所以有必要依据模块化的设计实现夹具重要部分的重新利旧。原则上仅需在原有设备的基础上经少量零部件的制造和结构调整、更换就可满足新车型[1]，且这种设计应消除因装配不同模块时产生的装配误差而导致设备使用性能降低或寿命减少等问题；同时在高产量的背景下应具备让维修部门实现故障部件模块化更换或维修的可能。基于传统的设计思路，翻转台或变位机的设计采用整体设计，即未考虑将可以实现独立功能的部件单独设计。正因这种整体设计思路，设计出的变位机不具有可拆分性，不能利旧后重组适应新的产品；且在安装调试这种大型的整体设备时，需要投入经验丰富的调试人员和大量的时间来保证设备的回转精度、降低转台的回转阻。为了避免以上问题，本文提出了一种模块化的翻转台设计。

1 模块化设计

模块化设计原则已被蔡业彬等多人总结，但基本原则是以独立功能单元作为模块，即对已分解的功能单元在结构上尽可能做到独立化，这样的模块易于组合搭配，便于构成多种变形产品[2-5]。基于这一原则，本方案在设计时将翻转台划分为五个独立模块单元，分别为驱动模块、支撑模块、转鼓模块、夹具模块和配重模块，如图1所示。

图1 模块化焊装翻转台结构

1.1 驱动模块

驱动模块是整套转台的核心部件，结构如图2所示，包含回转轴1、减速电机2、浮动板3、驱动端支撑轴承4和驱动端支架5。驱动模块与转鼓模块6依靠销子和支口定位，方便整体更换。

因白车身侧围外板件的尺寸在4 m～5 m之间，所以很难保证设备安装时驱动侧与从动侧的两个轴端具有很小的高度误差，且与机器人配合时转台只需保证足够的重复精度，所以转台设计时在驱动模块和支撑模块上采用调心滚子轴承，避免装配误差导致的双支点旋转不同轴问题。传统的结构设计是将驱动电机固定在驱动端支架上，通过控制装配误差使驱动电机与驱动端轴承同轴，这样设计就需要耗费现场的调试时间，且需要相应的设备检测同轴度误差，结果往往是可以减少不同轴的误差，但不能根本消除误差[6]，最终导致回转轴的三支点现象，即两轴承支承和电机端支撑。本文对电机采用浮动设计方法，浮动板结构如图3所示，设计成由浮动板2来连接减速电机1，浮动板2与固定端支架用弹簧3连接，弹簧3仅提供电机1旋转时的反向扭矩，并不强制限制减速电机2的位置，且可以适量的随动。这样从根本上保证了回转轴的两支点支撑。

1-回转轴；2-减速电机；3-浮动板；4-调心辊子轴承；5-支架；6-转鼓模块图2 驱动模块

1-减速电机；2-浮动板；3-弹簧图3 浮动板结构

1.2 支撑模块

支撑模块是整套系统的从动端，结构如图4所示，它和转鼓模块5相连，内部包含调心滚子轴承1、从动轴2、从动端支架3和旋转分配器4。依然考虑到回转时的不同轴误差，所以选用调心滚子轴承1，且支撑模块轴承采用浮动设计，与驱动端轴承构成固定-浮动的轴端固定方式。同时考虑到线缆旋转时的扭曲，配有旋转分配器4对电缆和气管进行分别转接，旋转分配器4的优势在于可以实现360°的回转。

1.3 转鼓模块

转鼓模块同时与驱动模块和支撑模块相连，并且承载夹具模块和配重模块，结构如图5所示。转鼓模块需要具有足够的刚性，且要保证轻量化，所以转鼓模块设计成钢板拼焊的结构，即拼焊组件1，在设计上与夹具模块的连接采用定位销2定位，并加螺栓固定，保证后期夹具的可更换性。转鼓模块也可设计成双面定位销结构，这样就可以实现两套夹具同时安装。

1.4 夹具模块和配重模块

夹具模块是焊装夹具的重要组成部分，配合转鼓模块设计成相应的定位孔结构，保证夹具的后期可更换性。配重模块目的是将旋转的质心调整到回转轴，减少旋转产生的力矩。配重模块设计成若干个单板结构，可以根据实际情况增减配重板的数量，以达到所需目的。

1-调心滚子轴承；2-从动轴；3-从动端支架；4-旋转分配器；5-转鼓模块图4 支撑模块

1-转鼓拼焊组件；2-定位销图5 转鼓模块

2 减速电机的参数确定

依据《机械设计手册》[7]，减速电机要在要求的运动速度下具有足够的扭矩和匹配的惯量来保证整套系统启动、翻转和制动的可靠。对于减速电机的参数本文使用SolidWorks的Motion模块进行仿真分析。因侧围外板夹具具有较大的质量m，在安装到转鼓模块后会得到较大的转动惯量J，所以为获得最大的驱动扭矩来兼容其他白车身单件转台，选用最大的白车身单件夹具即侧围外板夹具进行仿真计算。首先确定速度要求，转鼓要求在5 s内实现180°的旋转，使用过渡阶段采用五次拟合的step5函数规划角位移，参考实际工作状态，规划的角位移如图6所示。通过仿真计算可以得到相应的运动学参数，角速度、角加速度和猝动[8]如图7所示。

图6 角位移规划

图7 运动学参数

图8 负载端扭矩、角位移与时间的关系

3 结论

本翻转台基于模块化思想进行设计，充分考虑了因车型换代导致夹具更换的利旧可能。将整个系统设计成5个模块，并通过SolidWorks的Motion模块规划了角位移得到相应的运动学参数，之后又进行了仿真计算，确定了减速电机的扭矩参数，最终完成整套模块翻转台的设计。本模块化翻转台的设计可以节省项目的成本，缩短夹具的生产时间，对设计人员进行柔性工装的设计具有一定的参考意义。