汽车零部件機器人焊装夹具气路设计过程可分为夹具设计、气路图设计、气路安装施工3个阶段,本文将针对此3个阶段顺序给出气路图设计的一般方法,并根据实际应用中的一些共性问题,针对气路运用中的实际问题给出解决方案和优化建议。

一、機器人焊装夹具气路的组成结构

汽车零部件機器人焊装系统的基本气路结构如图1所示。包括能源装置、执行装置、控制调节装置、辅助装置、传动介质等部分。


图1 汽车零部件焊装夹具气路系统基本组成


二、機器人焊装夹具气路设计

2.1 夹具设计阶段

夾具設計階段是設計氣路的第一階段。夾具設計初期應根據夾具情況預先選擇管線材料。並且氣管管徑過小會節流,因此限制氣缸的速度;而管徑過大會造成滯流,因此增加空氣消耗量和填充時間。


图2 焊接系统示意


夾具設計階段在考慮夾具機械結構設計的同時,應爲氣路設計預留出走線孔,規劃線槽,考慮電磁閥集裝板及控制模塊安裝空間,及是否超過變位機各回轉半徑。


2.2 气路设计阶段

氣路設計的原則是讓氣路中的執行裝置定位夾緊可靠,按照一定的順序松開、夾緊並確保安全。


图3 機器人焊装夹具气路图夹具参数部分


(1)確定氣路初始每一個氣缸的伸出縮回狀態。

(2)根據各種不同的控制目的及控制功能的要求,設計氣動回路。

(3)確定回路組數。設計時可將動作互不幹擾的動作合並到同一個方向控制閥來控制,但需要根據壓緊力、氣缸動作速度等情況計算每組回路最多控制的氣缸數量。


图4 機器人焊装夹具气路图气动原理部分


(4)確定控制閥形式。在設計計算出控制閥數量後一般預留兩個空位,以便後期增加氣缸還能繼續使用。

(5)編號並設計制作標牌。按照回路的動作順序,先對回路進行排序,然後排出每一組回路中的氣缸的先後動作順序,定義控制閥。

(6)繪制氣路圖。


2.3 气路安装施工阶段

汽車焊裝夾具組裝完畢後開始氣路的安裝施工,氣路的安裝施工順序爲:三聯件、控制閥、氣缸標牌、主氣管、各回路、信號線、主進氣管。


图5 夹具主气管及线缆安装示意


三、汽车排气系统機器人焊装夹具气路的特点

(1)夾具安裝在變位機上,需要考慮主線的出線位置。氣管及線纜從旋轉軸電機的對側安裝,如圖5所示。


图6 一种带快换单元的汽车排气系统焊装夹具


(2)氣路設計時應考慮控制閥的安裝位置。排氣系統焊裝夾具焊接時一般要求夾具可以繞回轉軸做360°回轉運動,因此必須考慮安裝閥的機箱或者閥島是否會超出變位機的回轉半徑。


图7 夹具气管快换航插


(3)考慮快換功能。由于排氣系統通常長度較長,爲了滿足柔性化生産的需要,汽車廠一般需要將排氣夾具分隔成若幹個單元,單獨換型,因此設計排氣系統夾具氣路時必須考慮快換功能,如圖6所示。夾具在快換單元設置了氣管的快換航插,如圖7所示,可以實現氣路的快速更換。


四、焊裝夾具氣路設計優化建議

4.1 考虑管线分布与機器人轨迹的空间关系

機器人焊枪与从夹具底梁下方通过,如图8所示,如果管线分布不合理将会影响焊接。


图8 管线分布与機器人焊枪位置示意


优化建议:在夹具设计阶段对夹具和機器人进行运动协调仿真,在不影响焊接的情况下,尽量合理分布气动元件及管线,当采用硬管如铜管时应在气路上标明管线的走向,避让焊枪。


4.2 合理运用气路,简化夹具结构

汽車排氣系統焊裝夾具通常會遇到啓動元件防掉落的問題,如圖9所示,氣缸手動伸出,螺母安裝到位後,應保持安裝位置,不能因爲氣缸自重落下。通常的解決方案是在氣缸行程方向增加一個小型氣缸對其進行穿銷鎖止。


图9 需要防掉落的定位组件示意


優化方案:防掉落回路如圖10所示,原理是通過增加一個溢流閥,在重物升起時單向鎖定,落下時氣動解鎖,氣缸退回。通過調整氣路簡化氣路結構,降低設計制造成本。


图10 气控先导单向阀防掉落回路


4.3 合理安排走线

考慮增加走線槽。未增加線槽的夾具如圖11所示,管線淩亂。


图11 气管未按线槽布线的夹具


優化方案:增加走線槽的夾具如圖12所示,更加整齊美觀。


图12 气管按线槽布线的夹具


4.4 考虑采用阀岛

閥島是由多個電控閥構成的控制元器件,它集成信號輸入、輸出及信號的控制,是新一代氣電一體化控制元器件。由于其高度集成及高防護等級的特性,接線方式簡單,占用空間小,正逐步應用于汽車焊裝夾具領域中。


图13 电磁阀汇流排式安装


彙流排式安裝如圖13所示,需要2個機箱安裝電磁閥和電氣模塊組件,管線多且占用空間大。閥島安裝型夾具如圖14所示,其布線簡單,占用空間小。


图14 电磁阀阀岛式安装


4.5 考虑使用温度

在实际应用中会遇见气缸密封件软化或脆裂的情况。这种情况需要考虑气动元件的使用温度,一般推荐在0~60 ℃环境下使用,超过此温度应选择相应的耐超低温气缸或耐超高温气缸。

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