一种三维工装翻转平台的研制

刘佰林

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168）

引言

三维工装平台是一个标准化、高柔性、精度高、可反复使用的设备,智能工厂的工作人员可根据生产要求拼接出不同方案要求的工装夹具，可以适用在轨道车辆、工程机械、新能源汽车、集装箱、航空等行业。然而种类繁多的工件的拼接角度是千变万化的，需要在辅助工装上继续投入各种资源，目前这种三维工装平台就很难快速适应工件对不同拼焊角度的需求，因而研发一种能快速实现自动翻转角度的三维工装翻转平台就势在必行。

1 设备的工作原理

该设备主要通过两种三维工装平台作为工装夹具的本体，其中一种三维工装平台是固定的，另一种工装平台可以正反向翻转角度来实现两种三维工装平台相对角度的变化。

2 设备的机构组成

三维工装翻转平台（如图1所示）主要由三维柔性焊接工装平台（固定）、三维柔性焊接工装平台（翻转）、支撑柱、铰接座、小齿轮、大齿圈、电机减速机、十字万向轴、翻转架、安装框架、工作行程限位安全开关等组成；三维工装平台（固定）安装在多个支撑柱上，固定基础地基上固定不动，具有翻转功能的三维工装平台安装在翻转架上，翻转架与多个铰接座使用销轴铰接的方式进行连接，铰接座、小齿轮、电机减速机、十字万向轴安装固定在基础地基的安装框架上。该设备使用高精度的伺服驱动电机作为平台旋转的动力源，伺服电机连接在驱动减速机、驱动减速机、十字万向轴、小齿轮、大齿圈、翻转架、三维柔性工装平台（翻转）进行正反方向的翻转，这样就实现了固定的三维工装平台和能翻转三维工装平台形成相对不同的需求的角度，然后在已经形成要求角度的三维柔性焊接工装平台上安装各种柔性工装夹具，拼接成需要的工装。

图1 三维工装翻转平台

2.1 三维工装平台夹具系统介绍

该夹具系统由带有众多规格相同孔的平台和具有多样功能的模块组成，孔径一般为直径28 mm和直径16 mm两种规格。

三维平台的表面使用孔阵列，该三维平台的外形尺寸从长度0.5 m、宽度1 m到长度2 m、宽度4 m，在三维平台除了底部的其他表面上，每100 mm穿一个28 mm（直径28 mm的系列）的圆形孔，或每50 mm穿一次16 mm（直径16 mm的系列）的圆形孔，尺寸线按照横平竖直阵列的方式布局，这些定位销孔是用来穿标准的定位销使用的，各种形状、功能各异的标准夹具使用定位销轴固定在三维平台上。

标准夹具表面上的孔有直径28 mm和直径16 mm两种规格。标准夹具包括各种高度规格的直角定位块、各种高度规格的立柱、V形块、快锁定位销以及各种快速夹具和其他模块等。标准夹具上还配以直径28 mm和直径16 mm的高精度定位光孔和U形孔，可以在三维平台的任意一个位置使用快锁定位销安装，标准夹具的外形和机构是标准化的，构思非常巧妙。

快锁定位销的材质使用高强度碳钢制造，硬度极高，其内部构造是使用高强度圆形钢珠与三维平台固定，将标准夹具穿销固定后，旋转手柄钢珠就会从销轴的内部向外涨紧，结构简单，实用性能强，不容易损坏，性能稳定，操作人员只要使用一只手就可以拧紧快锁定位销；各种高度规格的直角定位块可用于需要直角定位的场景，例如，需要拼接成直角的两个板材零件，就可以使用直角定位块来定位，宽度为28 mm或16 mm的U形长槽口会配置在长度比较长的直角定位块上，可以通过U形的槽口的特点，进行各种方向的拉伸来改变位置，调整好位置后，操作人员可以旋转快锁定位销锁紧定位块；悬臂类型的标准压头的夹紧方向有各种夹紧角度的。按照操作手柄的种类，有旋转螺纹夹紧的，快速夹钳夹紧的，还有外六方拧紧样式的。V形块样式的标准夹具是用来定位工件有孔位精度要求的场景的，将V形块固定在工装平台上，穿销轴固定带孔的工件，再将销轴用快速夹钳夹紧，这样就拼接出高精度的孔类工件。调高件夹具是用来调整支撑高度不同的场景的，零件拼接有高度差的时候，就可以旋转调高件来调整出不同的高度需求，然后再用快速夹紧夹具夹紧固定。这样的功能性标准夹具还有很多种。

2.2 三维工装平台（固定）结构介绍

三维工装平台固定结构（见图2）采用螺栓和快锁定位销固定方式安装在支撑柱上，支撑柱固定在土建基础和安装框架上面固定不动，立柱具有可调整高低功能，调整各个立柱的调整螺栓，使工装平台的工作面处于水平状态，调整水平后，采用焊接的方式固定在基础上的预埋钢板上；平台侧边在铸造的时候，将工艺缺口提前铸造成型，防止大齿圈回转过程中与工装平台干涉，起到避让的作用。

图2 三维工装平台（固定）结构

工装平台侧面均留有连接快锁定位销的孔，当需要拓展成多个平台的时候，多个平台之间可以穿平台专用的快锁定位销穿销固定连接，这样就可以使平台之间紧密贴合，连接非常牢固。

2.3 翻转架结构介绍

翻转架（结构见图3）的材质采用高强度焊接结构型钢，使用焊接的方式拼接成翻转架；大齿圈安装在齿圈安装架上，齿圈安装架使用螺栓固定在翻转架上，具有翻转功能的三维工装平台安装在翻转架上，三维工装平台和翻转架使用快锁定位销定位，采用高强度螺栓锁紧，这样保证了翻转架的铰接孔与大齿圈的回转中心同轴的精度，翻转架的铰接孔安装在铰接座上的销轴上，由伺服电机驱动减速机，减速机带动十字万向轴，十字万向轴带动小齿轮、小齿轮咬合大齿圈进行转动，实现平台进行正反方向的旋转功能。

图3 翻转架结构

2.4 铰接座结构介绍

铰接座（结构见图4）的材质采用高强度焊接结构型钢，使用焊接的方式拼接成翻转架；铰接座安装在安装框架的上面，翻转架用销轴安装在铰接座上，翻转架绕着旋转轴正方向旋转，铰接座上安装了防护罩，大齿圈防护罩可以罩住大齿圈，这样就起到安全防护的作用。

图4 铰接座结构

2.5 驱动结构介绍

驱动设备（结构见下页图5）由伺服电机、减速机、十字万向轴、小齿轮等组成；驱动设备安装在各自的安装座上，伺服电机驱动减速机、十字万向轴、小齿轮、大齿圈进行正反方向旋转，这样就改变了固定平台与翻转平台之间的角度。

图5 驱动结构

2.6 安全功能介绍

安全配置由行程开关、限位块、防护罩等组成，平台在旋转的时候，超过设定行程，出现意外不停止的情况下，限位块会触碰到行程开关，行程开关闭合，触发信号，信号传送给上位机PLC，控制系统会强制伺服驱动电机断电，伺服驱动电机选用掉电抱闸的类型，伺服电机断电后，抱闸会自动对电机进行抱闸，这样就保证了平台不会自动下落，保证了人员以及设备的安全。

防护罩设计成半圆形状，平台和平台之间的间隙用防护罩遮挡，平台旋转的时候，防护罩圆弧面始终与固定平台的侧面相互贴合，这样就保证了平台与平台之间是没有间隙的，人工在平台上面工作的时候，就不会掉落进缝隙之中，保护了操作人员的安全[1-3]。

3 结语

通过上述介绍可以看出，该三维工装翻转平台可以自动调整平台工件的拼接角度，角度可以在上位机操作屏幕上进行人工设定，根据生产需求，操作员可以调用不同的平台角度参数，可以一键切换平台的状态，自动化水平非常高，根据不同工件的拼接角度需求可以立即调用相对应的角度参数数值，进而提高了生产效率，节省了额外的辅助工装的投入费用，这样可以给企业提供更高的价值，在三维工装领域里开辟了一条新的工艺装备路线。