孫國(guó)威 宋建懿

摘 要：文章介紹了一種車(chē)身焊裝線頂蓋分拼的柔性定位工裝，主要闡述了該工裝的設(shè)計(jì)原理與基本結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹了其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：頂蓋；工藝；工裝；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；多級(jí)機(jī)構(gòu)；焊接

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0088-04

Abstract： This paper introduces a flexible positioning tool for dividing the top cover of the car body welding line， mainly expounds the design principle and basic structure of the tool， and introduces in detail the design requirements of its key components.

Keywords： top cover； process； tooling； rotating mechanism； multistage mechanism； welding

1 概述

目前，由于消費(fèi)者對(duì)車(chē)型種類(lèi)需求的多樣化，車(chē)身焊裝線的柔性化是各個(gè)主機(jī)廠發(fā)展的趨勢(shì)。傳統(tǒng)的頂蓋分拼焊接拼臺(tái)一般只能焊接一種車(chē)型，如果新增加幾種車(chē)型就必須相應(yīng)增加幾條頂蓋焊裝線，包括相應(yīng)的輸送系統(tǒng)、焊接設(shè)備等，這樣不僅需要更多的成本投入，同時(shí)場(chǎng)地的利用率也很低。在此背景下，我們研究出新型的頂蓋柔性定位工裝機(jī)構(gòu)裝置，很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷。本文主要介紹新方案的設(shè)計(jì)原理和技術(shù)規(guī)范。

2 設(shè)計(jì)原理和基本結(jié)構(gòu)介紹

2.1 設(shè)計(jì)原理

柔性方案（如圖1所示）的運(yùn)動(dòng)控制方式為：手動(dòng)、電控與氣動(dòng)相結(jié)合的控制方式，以實(shí)現(xiàn)工裝的定位功能。主定位與橫梁的定位銷(xiāo)等工裝安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，切換車(chē)型時(shí)通過(guò)人工旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸進(jìn)行切換。PLC系統(tǒng)通過(guò)電控信號(hào)來(lái)控制氣缸動(dòng)作的自動(dòng)運(yùn)行，并且滿(mǎn)足氣路設(shè)計(jì)時(shí)的時(shí)序要求。該系統(tǒng)的控制單元是普通的兩位電磁閥組，電控信號(hào)是電磁閥的輸入，該電控信號(hào)的輸入一般分為以下幾種類(lèi)型，分別為：（1）人工按鍵信號(hào)輸入；（2）氣缸磁性開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入；（3）接近開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入。電磁閥通過(guò)識(shí)別各種信號(hào)以實(shí)現(xiàn)氣路設(shè)計(jì)的動(dòng)作要求。

工作原理（如圖1所示）：整個(gè)機(jī)構(gòu)主要由底座機(jī)構(gòu)、底板機(jī)構(gòu)組成，其中底座是固定在地面上的，底板和定位單元安裝在底座上。正常工作過(guò)程時(shí)，當(dāng)頂蓋通過(guò)小車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)該工位時(shí)，接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)會(huì)傳給PLC控制器，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)人員操作控制面板的前提條件。員工操作控制面板通過(guò)PLC控制夾具機(jī)構(gòu)對(duì)頂蓋零件進(jìn)行夾緊，然后員工進(jìn)行焊接工作操作。當(dāng)員工焊接完成后，通過(guò)控制面板上的按鍵輸入完成信號(hào)，PLC控制氣路信號(hào)完成設(shè)計(jì)時(shí)氣路動(dòng)作。當(dāng)需要切換不同車(chē)型時(shí)，首先人工通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸實(shí)現(xiàn)不同車(chē)型定位銷(xiāo)單元的切換，然后員工通過(guò)操作面板實(shí)現(xiàn)不同車(chē)型頂蓋定位單元夾具的切換，通過(guò)以上操作以完成不同車(chē)型定位工裝的切換。如果旋轉(zhuǎn)軸上的定位單元不能滿(mǎn)足更多中車(chē)型的焊接需要時(shí)，就可以切換底板來(lái)實(shí)現(xiàn)更多種車(chē)型的柔性需求。

2.2 基本結(jié)構(gòu)介紹

該柔性工裝結(jié)構(gòu)不僅應(yīng)包括氣缸、定位塊、限位塊、旋轉(zhuǎn)軸以及定位銷(xiāo)等工裝組件，還包括要滿(mǎn)足特定的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，同時(shí)要滿(mǎn)足機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原理。因此，設(shè)計(jì)的工裝應(yīng)該滿(mǎn)足使用要求，同時(shí)選用最合適的各個(gè)工裝組件。

2.2.1 底座機(jī)構(gòu)

如圖2所示，該工裝機(jī)構(gòu)通過(guò)膨脹螺栓來(lái)調(diào)整它的平整度和水平度，調(diào)整完成后再通過(guò)工裝L板焊接在地面的鋼板上，上側(cè)的滾輪用來(lái)進(jìn)行底板的切換與支撐，前后側(cè)各一個(gè)插銷(xiāo)座用來(lái)作為底板的固定座，同時(shí)前后各2個(gè)手動(dòng)機(jī)械鎖和前側(cè)的1個(gè)氣缸鎖用來(lái)鎖緊底板。該底座機(jī)構(gòu)可以切換安裝不同平臺(tái)的底板，以實(shí)現(xiàn)多種車(chē)型的柔性。

2.2.2 底板機(jī)構(gòu)

如圖3所示，底板機(jī)構(gòu)是零件的定位機(jī)構(gòu)，主要包括切換裝置、旋轉(zhuǎn)軸、安裝面、橫梁定位、支撐座、立板、定位單元，其中定位單元安裝在立板上實(shí)現(xiàn)不同車(chē)型的切換，安裝體上分別安裝不同車(chē)型的橫梁定位工裝。

（1）切換裝置

如圖4所示，員工通過(guò)旋轉(zhuǎn)手柄操作旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)不同車(chē)型的橫梁定位以及頂蓋尾部定位，然后機(jī)械鎖緊裝置鎖緊旋轉(zhuǎn)盤(pán)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)盤(pán)有4個(gè)鎖緊點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)4種車(chē)型的定位，該裝置可以作為標(biāo)準(zhǔn)件后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)行引用。

（2）旋轉(zhuǎn)軸、安裝體、支撐座

如圖5所示，安裝體安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)支撐座固定在底板機(jī)構(gòu)上，每個(gè)安裝體上有4個(gè)安裝面可實(shí)現(xiàn)4種車(chē)型的定位安裝需求。

（3）定位單元

如圖6所示，定位單元安裝在立板上，立板上的安裝孔是標(biāo)準(zhǔn)孔，不同車(chē)型的定位單元安裝在立板上不同孔的位置，每個(gè)定位單元分為一級(jí)和二級(jí)機(jī)構(gòu)，非工作狀態(tài)的車(chē)型的一級(jí)機(jī)構(gòu)處于打開(kāi)狀態(tài)為不同車(chē)型零件讓出空間，以此實(shí)現(xiàn)多種車(chē)型的定位。

該夾具機(jī)構(gòu)分為1、2、3、4、5、6這6個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，其中1、2、3是一級(jí)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，4、5、6是二級(jí)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，1、2、4、6是固定的，3與5是運(yùn)動(dòng)的。首先一級(jí)機(jī)構(gòu)繞著2點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，到位后二級(jí)機(jī)構(gòu)再繞著4點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到位，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循三角形幾何定理（兩邊之和大于第三邊，兩邊之差小于第三邊），保證能夠正常打開(kāi)與關(guān)閉。工裝定位位置按照尺寸工程師輸入的定位策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)可以根據(jù)造車(chē)需求適當(dāng)增加導(dǎo)向等工裝。氣缸的選型應(yīng)該選擇標(biāo)準(zhǔn)氣缸，除非有特殊要求的選擇非標(biāo)氣缸。標(biāo)準(zhǔn)氣缸可以保證維護(hù)、維修以及準(zhǔn)備備品備件的方便性。標(biāo)準(zhǔn)氣缸應(yīng)滿(mǎn)足能夠安裝的要求，同時(shí)應(yīng)該有合適的安裝磁性開(kāi)關(guān)的位置，以滿(mǎn)足氣缸前進(jìn)和后退到位后傳遞信號(hào)到PLC。

關(guān)于氣缸缸徑和行程的選擇需要通過(guò)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選型，氣缸的拉力需要克服的力用G表示，G=mg，其中g(shù)=9.8N/kg，m=定位單元的重量，在UG中可以測(cè)得m=12kg，所以G=mg=118N。一般氣缸的拉力不能實(shí)現(xiàn)百分百利用，計(jì)算公式為F*=F？滋，其中F*是標(biāo)準(zhǔn)氣缸的實(shí)際輸出拉力，F(xiàn)是標(biāo)準(zhǔn)氣缸的理論輸出拉力，？滋是氣缸實(shí)際的效率系數(shù)。根據(jù)F=PS公式，其中P是工廠使用的氣壓（標(biāo)準(zhǔn)范圍為5-7bar），取中間值P=6bar=0.6MPa；S是標(biāo)準(zhǔn)氣缸的活塞圓的受力面積（S=πD2/4），其中π=3.14，D是氣缸的缸徑，所以F=PS=0.6×3.14×D2/4×10=4.71D2。實(shí)際選型中μ一般為0.3-0.8，我們?nèi)?.5，則F*=F×μ=2.355D2。在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣缸的拉力應(yīng)大于需要克服的力，則F*>G，即2.355D2>118，D>7cm；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣缸的缸徑型號(hào)，我們選擇最小氣缸缸徑為32cm。根據(jù)數(shù)模模擬結(jié)果，如圖7所示，一級(jí)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度是a=45°，旋轉(zhuǎn)半徑為r=442mm，旋轉(zhuǎn)周長(zhǎng)L=2πr×（45÷360）=2×3.14×442×（45÷360）=35cm，二級(jí)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度是a=45°，旋轉(zhuǎn)半徑為r=247mm，旋轉(zhuǎn)周長(zhǎng)L=2πr×（45÷360）=2×3.14×247×（45÷360）=19cm，考慮打開(kāi)與夾緊狀態(tài)需要預(yù)留足夠的行程以及綜合氣缸型號(hào)與安全考慮，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號(hào)分別為WMDUKA32-T1569-75、WMDUKA32-T1569-50。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)要求

工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要按照定位策略和BOP設(shè)計(jì)出符合使用要求的工裝設(shè)備，同時(shí)為了保證工裝定位的穩(wěn)定性、使用方便性以及使用壽命高等要求，對(duì)關(guān)鍵的工裝應(yīng)進(jìn)行特殊性的設(shè)計(jì)與加工，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1 調(diào)整墊片

采用可調(diào)式結(jié)構(gòu)的定位塊（MCP BLOCK）、定位銷(xiāo)座，調(diào)整墊片厚度統(tǒng)一為3mm（1+1+0.5+0.25+0.25），調(diào)整墊片材料：不銹鋼，推薦為0Cr13（日本鋼號(hào)SUS410S）。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整墊片優(yōu)先選用，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格無(wú)法滿(mǎn)足要求的，經(jīng)許可方可采用非標(biāo)結(jié)構(gòu)，厚度均按以上3mm要求配置（如圖8所示）。

說(shuō)明：此調(diào)整墊片為產(chǎn)品尺寸匹配所需，非消除夾具制造誤差所用，夾具裝配過(guò)程產(chǎn)生的累積誤差≤±0.5mm的允許通過(guò)增減調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整，否則夾具零件尺寸必須返工到符合要求。

3.2 定位塊

夾具公用主定位基準(zhǔn)面、或與總成檢具相同的基準(zhǔn)面的定位塊與支撐板做成一體式結(jié)構(gòu)，不考慮可調(diào)，材料為45#鋼，定位型面處局部淬火HRC38～42。定位塊材料為45#鋼，定位型面硬度HRC38～42，優(yōu)先采用表面淬火，淬硬層深度≥2mm，也可采用整體淬火+低溫回火的方式；重要的安裝面、定位面及銷(xiāo)孔要求熱處理后精加工，確保所規(guī)定的粗糙度（型面、安裝面Ra3.2，銷(xiāo)孔R(shí)a1.6）。安裝面不得上色漆，要涂防銹油。

3.3 限位塊（圖9）

限位塊的材料為45鋼，熱處理HRC42～45，類(lèi)型：

A型、B型為單孔型，導(dǎo)向定位面較短。A型配合精度較差，用于位置度要求相對(duì)不高的單點(diǎn)或多點(diǎn)夾緊；B型配合精度高，用于短小擺桿的工件定位銷(xiāo)的導(dǎo)向定位。

C型為B型的加長(zhǎng)型，導(dǎo)向定位面較長(zhǎng)，配合精度高，多用于帶工件定位銷(xiāo)的夾緊的導(dǎo)向及定位，及多級(jí)夾緊機(jī)構(gòu)的除最后一級(jí)之外的擺動(dòng)件的導(dǎo)向及定位，優(yōu)先使用。

D型為V形塊導(dǎo)向定位型，特點(diǎn)是精度好，占用空間較小，但無(wú)導(dǎo)向定位行程，對(duì)上下件配合的緊密度要求較高，經(jīng)過(guò)許可方可使用。

3.4 旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)

鉸接點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)與襯套發(fā)生摩擦， 長(zhǎng)時(shí)間使用也會(huì)造成銷(xiāo)軸的磨損， 因此旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)軸除了要求具有一定的硬度和初性之外（采用45#鋼并熱處理），銷(xiāo)軸表面也要求有一定的硬度和耐磨性（淬火），同時(shí)注意防銹處理和表面粗糙度（Ra0.8）。此外，銷(xiāo)軸徑向尺寸要進(jìn)行精加工以保證其與相鄰部件之間的配合精度。

3.5 壓板、L型連接板

一般常規(guī)的L型連接板安裝部分增加+3mm的墊片進(jìn)行調(diào)整，對(duì)應(yīng)厚度一般為16mm；而對(duì)于主定位等關(guān)鍵件部位的工裝安裝部分同樣增加+3mm的墊片進(jìn)行調(diào)整，但是對(duì)應(yīng)厚度需要增大到20mm-25mm，保證定位的穩(wěn)定性和工裝剛度要求。壓板的機(jī)構(gòu)按照類(lèi)型不同一般分為三類(lèi)（如圖10所示）：（1）一體式結(jié)構(gòu)；（2）無(wú)限位塊壓板與壓塊分離式結(jié)構(gòu)；（3）有限位塊壓板與壓塊分離式結(jié)構(gòu)。

而對(duì)于壓板夾緊力的取值與選用氣缸的關(guān)系如圖11所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

這種柔性頂蓋工裝能夠兼容4*N（底板的個(gè)數(shù)）種車(chē)型，提高了生產(chǎn)線場(chǎng)地的利用率，應(yīng)用前景比較廣泛。此機(jī)構(gòu)可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊運(yùn)用在其他柔性化生產(chǎn)線上，具有推廣潛力。

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