一种特殊X型机器人点焊钳设计

余星星

(捷福装备(武汉)股份有限公司，湖北 武汉 430000)

汽车白车身生产线3D仿真设计时，工件和夹具的断面多种多样，常规焊钳经常无法满足特殊断面的焊接需求，因此需更改钳体结构，设计特殊焊钳以保证焊钳通过性。下文详细介绍了特殊X钳的总体设计及校核过程，通过理论计算及软件模拟，详细分析了焊钳的性能参数，为项目应用提供了有效的解决方案。

1 特殊X钳的总体设计

图1是一种典型的特殊断面结构，采用常规X钳仿真时，无法布局，焊钳尾部与工件严重干涉，仅通过修改焊钳前端的钳臂结构无法满足通过性。在实际项目应用中，通过改变焊钳的整体布局，将钳体的水平布置改为特殊的垂直布置，可很好解决此问题，见图2。在完成初步的尺寸设计后，还需要通过详细的校核，才能确保设计的合理性。

图1 常规X钳布局示意图

图2 特殊X钳布局示意图

2 特殊X钳的性能校核

2.1 校核电机最大推力

焊钳的驱动部件由直线伺服电机等组成，为焊钳提供焊接压力，并通过电极臂由电极帽传递到工件上。通常X型焊钳直线伺服电机最大推力为21 kN，白车身常规点焊[1]工艺焊接压力一般在5000 N以内，按照焊钳喉深1000 mm校核电机推力。

电机所需推力：

其中：L1为旋转中心到焊点的垂直距离，L1=1000 mm；L2为旋转中心与电机输出轴的垂直距离，L2=265.5 mm；F为电极帽输出压力，F=5000 N，

经计算：

P=18832.39 N

电机所需推力小于电机最大推力，说明电机满足要求。

2.2 校核电极帽在全行程中的速度波动量

X钳的行程由动臂最大可开启的角度来衡量，此特殊X钳的设计行程15度，根据图3计算全行程中的电极帽线速度波动量。

图3 电机推力计算示意图

速度波动量：

其中：a1为焊钳闭合时转动点到电机轴的垂直距离，a1=265.5mm；a2为焊钳打开时转动点到电机轴的垂直距离，a2=239.8mm。

经计算：

i0=9.7%

电极帽线速度波动量没有特定要求，也不会对焊钳的使用造成明显影响，只是理论上来讲越小越好，从工程经验来看，10%是完全可以接受的。

2.3 校核动、静臂电极帽在修磨过程中的水平偏移量

焊钳在使用时，每焊接一定数量的焊点，需要修磨一次电极帽，电极帽的修磨量通常为单侧8 mm左右，通过cad模拟修磨量，可以确定动、静臂电极帽的偏移量，如图4。

图4 修磨时的电极帽偏移量示意图

对于此特殊焊钳，修磨时的电极帽偏移量与常规焊钳一致，取决于电极帽到动臂转动中心的水平距离L4，以及电极帽偏离角度θ，从图4可知，在L4为450 mm，θ为5度时，偏移量k0为1.3 mm，满足要求，工程应用中控制偏离角度不超过5度即可。

2.4 校核动臂软连接行程

作为通用设备，统一不同系列产品中的核心备件型号，减少备件种类是一项关键工作，既可提高设备厂的生产效率，也可降低客户的备件成本。此特殊X钳需沿用常规X钳的动臂软连接型号，因安装形式变化，需重新校核其连接行程。动臂软连接结构及动作过程如图5。

图5 软连接动作过程示意图

图5中左侧是常规X钳的动作过程，焊钳打开25度，B点为转动点；右侧是此特殊X钳的打开过程，焊钳打开15度，C点为转动点。显然，软连接的运动形态发生了明显变化，需要重新采用几何方法计算，找出新形态的理论解，计算的边界条件是软连接内外侧的长度不变。实际中采用catia软件的草图功能，进行函数运算[3]，可直观形象地得到软连接的实际形态，如果catia草图在此过程中出现内部边界交叉，则说明软连接行程不够。图5清晰地给出了软连接的新形态，说明此特殊X钳打开15度时，软连接行程足够。

2.5 焊钳的整体变形校核

在完成钳臂参数校核后，还需计算钳臂的变形量[4]，以验证焊钳钳臂布局的合理性。下面以一汽集团某一项目所应用的一把特殊X钳为例，通过CAE软件计算钳臂的总体变形量。

采用有限元软件ANSYS Workbench，使用实体单元[5]，在电极帽处加载4000 N压力，计算钳臂受力变形，求解后得到的电极帽轴向位移云图见图6，电极帽轴向最大位移为0.9 mm。

图6 电极帽轴向位移云图

求解后得到的电极帽径向位移云图见图7，动臂电极帽径向最大位移为-1.41 mm，静臂电极帽径向最大位移为-1.17 mm，相对位移为0.24 mm。

图7 电极帽径向位移云图

焊钳设计中，电极帽的位移通常轴向不超过3～5 mm，径向不超过1.5 mm，相对位移不超过0.5 mm，以上计算结果满足此要求，说明此特殊X钳钳臂的布局合理。

通过此节分析，可认为此特殊X钳，在喉深1000 mm以下，焊接压力5000 N以内，最大行程不超过15度时，完全可满足设计要求，可以在实际项目中进行应用。

3 结束语

机器人焊钳3D设计主要是在焊钳自身可靠的情况下满足仿真通过性，而钳体布局的合理性，决定了钳臂设计的合理性，好的钳体要求整体结构协调，钳臂结构简单，电机输出力能满足不同焊接情况下的压力需求，并且电极帽速度平稳，波动小，电极帽相对滑移容易控制，备件型号少。本文介绍的一种特殊X型钳体，有效的解决了该特殊断面的焊接需求，在实际项目中也得到了验证，是一个很好的设计案例。