劉志偉， 王 軍， 羅冬初， 龍 清， 黃智成， 金世炫

（1.東莞職業(yè)技術學院 智能制造學院， 廣東 東莞 523808； 2.廣東大族粵銘激光集團股份有限公司， 廣東 東莞 523808）

0 引言

在珠三角地區(qū)輕工制造業(yè)發(fā)展迅速， 零部件的種類多種多樣，很多小型的零部件需要采用焊接的方式結合在一起的，如各種五金件、連接件的結合和外殼封裝等[1-2]，均需要用到焊接工藝。其中激光拼焊采用激光能源，將若干不同的材料進行焊接拼合而形成一個整體板材、 零部件結構等，以滿足不同零部件的要求。在交通運輸裝備制造業(yè)、建筑業(yè)、橋梁、家電板材焊接生產、微機電產品的焊接等領域中被廣泛地使用[3]。

小型或微型的零件體積小，種類繁多，然而其焊接應用范圍非常廣。對于有些企業(yè)來說，樣品的制作或小批量的生產可以采用虎鉗、快速夾頭等方式，但容易出現定位不準、焊接過程變形等問題，其生產效率較低，品質良率不高，且適用性較差。 采用自動化技術設計自動化夾具可以大大提升裝夾效率，然而對有些企業(yè)來說，完全采用自動化控制設備來實現小型扁平焊接件涉及到的成本高，需要配備專門的技術人員[4-5]。 為提高生產效率和提高生產品質的需要，設計方便操作、高效率的手動裝夾方案適應一部分企業(yè)的生產需要是非常有必要的。

本文為了解決小型扁平焊接件生產工藝瓶頸問題，在不采用自動控制的情況下， 設計一套實用的快速裝夾方案，提升生產效率。 選取典型的金屬焊接件進行開發(fā)研究，對其生產工藝要求進行評估，完成總體夾緊方案、定位機構和夾緊方案設計。

1 需求與分析

某一企業(yè)要對某一零件進行焊接加工， 如果采用虎鉗裝夾，需要找正、夾緊，效率比較低。 單個焊接件的焊接操作，一次只能焊接一對工件。 在大批量生產的焊接過程中，采用虎鉗裝夾生產效率滿足不了生產要求。 由于產量較大，為提高生產效率，現需要針對該工藝設計出一套快速裝夾的焊接工裝。 要有一定的生產效率和操作便捷性，要方便工件的定位、裝夾和焊接操作，產品見圖1。 基本要求：①焊接工裝安裝在工作臺處；②完成圖中兩零件的焊接，焊縫均勻；③要求能提高焊接精度、提升生產效率、減少不良品。

圖1 焊接工藝要求

從焊接工藝特性可以知道， 操作時要先擺放好工件， 要適當地夾緊工件， 因為焊接過程中可能會有一定的變形力影響到定位的穩(wěn)定。對焊接工藝過程分析，大致包含幾個過程：①擺放好兩個工件；②適當夾緊工件；③實行工件的焊接；④松開夾緊；⑤取出工件。

2 總體方案設計

扁平焊接件的焊縫位于零件的上方， 不適宜用于定位和夾緊。 底部是比較規(guī)則的方形，中間有孔，可以充分利用該形狀特征來實現定位和夾緊部位。 本方案主要針對非自動控制的裝夾過程的優(yōu)化， 為了提高夾緊的效率和降低成本，采用常見的偏心輪機構進行設計[2-3]。

針對大批量生產焊接工藝要求， 要盡可能地提升生產效率，本文采用一次裝夾操作完成多個零件裝夾操作，以減少裝夾準備時間、裝夾時間和焊接工藝時間。大致過程如下：一次性將4 對焊接件放置定位槽中，轉動手柄，通過連接螺釘帶動壓板運動，手柄壓到位后，壓板壓緊焊接件，實現工件的壓緊，一次完成4 對焊接件的裝夾，以達到提升生產效率的目的。

2.1 定位結構設計

定位設計需要重點考慮定位的準確性和操作的方便性。 分析焊接件的結構， 其底部是比較規(guī)則的平面體結構，可以用于定位使用。 提高操作的便捷性，不使用中間的孔作為定位基準。為提高生產效率，一次性完成多組工件的裝夾，焊接件排列后，讓焊縫處于一條直線，讓焊接工藝路線成一條直線，減少焊接轉換時間。本方案一次性完成四組焊接工件的快速加工， 根據焊接件的底部結構和尺寸大小，設計了四組定位槽，定位底板結構見圖2。夾具體和定位機構設計成一體的結構， 直接在夾具體上設計定位機構，也可以根據加工工藝的需要把夾具體和定位元件進行分割，分割成若干個便于加工的零部件。 根據后面夾緊機構的安裝需要預留了夾緊機構安裝的螺紋孔，螺紋孔可以根據夾緊機構的需要進行進一步的修改。

圖2 定位底板設計

2.2 夾緊裝置設計

總體定位方案和夾緊方案規(guī)劃， 要充分考慮夾緊裝置設計的完整性，完成力源機構、中間傳力機構和執(zhí)行元件各部分的設計，同時，還要結合前面設計的定位方案進行設計。四個焊接件的壓板形成一個整體，同時壓在焊接件的上表面， 見圖3。 為了提高夾緊的效率和降低成本，本設計采用了偏心輪夾緊方式。 該夾緊方式具有結構簡單，操作便捷，效率高，成本低等優(yōu)點，偏心輪的夾緊方式已有相應的國家標準JB/T 8011.1-1999，可以直接選用偏心輪的尺寸。 由于壓緊力作用在兩個夾緊點上， 壓緊力相當于兩位的壓緊力， 增加了壓在工件上的壓緊力。 一邊壓板分別由兩個偏心輪帶動兩塊壓板活動來實現壓緊動作， 掰動偏心輪的手柄，可以帶動壓板同時壓在四個焊接工件上，大大提高了裝夾的效率和焊接的效率。

圖3 壓板夾緊示意圖

完成工件的定位固定之后， 轉動連接在偏心輪圓周上的兩個手柄，帶動偏心輪轉動，由于偏心輪的擠壓連接在另一端的壓板在彈簧力的作用下，實現工件的夾緊。相反，在松開工件時，轉動手柄，彈簧力隨之消失，壓板部分在滑槽上可以自由移開，工件沒有力的作用下，可以輕易地從定位槽上取出。

偏心夾緊機構利用轉動中心與幾何中心偏移的圓盤或軸作為夾緊元件。 結構簡單，制造方便夾緊迅速，操作靈活[1，3]。夾緊裝置的設計主要包含以下內容：自鎖條件分析、偏心距的確定、夾緊行程的確定和夾緊力的分析等。

（1）自鎖條件分析。在原始夾緊力的作用下可以實現壓板對工件的夾緊，當原始作用力取消后，需要對焊接件還是處于壓緊的狀態(tài)， 在設計偏心輪機構的時候不但要求偏心輪有傳力作用。同時與要求其有一定的自鎖性，以確保在撤銷原始力后能維持夾緊狀態(tài)。 對偏心輪的偏心角分析，0°～90°，90°～180°兩個范圍之間，在夾緊角度的變化中，180°時偏心輪受到的轉動力是最小的，這種狀態(tài)下其自鎖條件是最好的。由于彈簧的彈性作用，兩夾緊偏心輪之間的誤差可以進行彌補，所以，可以選用偏心角為180°為夾緊的狀態(tài)[1，3]。

（2）偏心距e 的確定。偏心輪的幾何中心和旋轉中心的距離是影響偏心輪轉動效果的距離。由于連接偏心輪和壓緊部分的螺栓高度是可調的，偏心距可以根據偏心輪直徑大小等標準來選擇的，結合標準JB/T8011.1-1999，根據偏心輪的直徑可以計算確定偏心輪的型號， 確定偏心輪的各個參數，同時可以確定偏心距e。 要確保夾緊時保持壓緊部分是水平的，在夾緊時偏心輪的中心高度可以確定，在偏心輪工作的距離出現小量偏差時可以調整與偏心輪相接觸的底部墊塊厚度，以達到更好的夾緊效果。

（3）夾緊行程s 的確定。 偏心輪的旋轉中心和底下接觸面之間的運動距離在一定范圍之內，從最小值到最大值之間的距離是夾緊機構的夾緊距離，這個夾緊距離要控制在合理的范圍之內，確保有效的夾緊過程。 如果過小會影響夾緊的效果，這一要求也是要在選取偏心輪時要注意偏心輪直徑和偏心距等參數的選取。兩個夾緊點是在同一水平上的，夾緊的外圓面是經過了精加工，其誤差在公差范圍之內，兩偏心輪之間的差距不大，彈簧的變形足于抵消這一誤差作用，因此，本設計采用最大夾緊行程為2e 。

（4）夾緊力分析。夾緊力設計非常關鍵，過大了會導致工件變形；過小會使夾緊不可靠。夾緊力的大小與確保穩(wěn)定定位、 可靠夾緊以及確定夾緊裝置的結構尺寸密切相關。夾緊力應適當。如果夾緊力太小，則夾緊不牢固，在加工過程中，工件可能會移位并損壞定位。其結果可能會影響加工質量，或導致工件報廢，甚至發(fā)生安全事故。 夾緊力過大會使工件變形，不利于加工質量。本文先建立夾緊力、切削力和重力組成的平衡力系，求出理論夾緊力，然后乘以2～3 倍的安全系數得出所需要夾緊力。 由于夾緊力是由調節(jié)彈簧的變形壓緊力來實現的，彈簧力的大小由彈簧自身的彈性系數和截面大小決定，夾緊力的大小可以在實際應用過程更換彈簧力來調試夾具，同時，還可以通過調節(jié)螺母的位置來改變實現微調彈簧力的作用。

這里采用估算法確定夾緊力的大小，為簡化計算，將夾具和工件看成一個剛性系統(tǒng)。根據工件所受切削力、夾緊力（大型工件應考慮重力、慣性力等）的作用情況，找出加工過程中對夾緊最不利的狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論夾緊力，最后再乘以安全系數作為實際所需夾緊力，即Fwk= KFw，其中Fwk表示實際所需夾緊力（N）；Fw表示在一定條件下，由靜力平衡算出的理論夾緊力（N）；K 為安全系數，由于焊接變形力不大，所以取K＝1.5～2。 夾緊力三要素的確定，實際是一個綜合性問題。必須全面考慮工件結構特點、 工藝方法、 定位元件的結構和布置等多種因素，才能最后確定并具體設計出較為理想的夾緊裝置。

2.3 夾具的總圖

將夾具體、定位機構和夾緊裝置組裝后，完成整套夾具的裝配，見圖4。 整套夾具主要由夾具體、壓板、連接螺釘、連接桿、手柄、編心輪、預緊彈簧等機構組成。 其中定位元件直接安裝在夾具體上， 把定位元件和夾具體設計成一體， 也可以根據加工工藝的需要把夾具體和定位元件進行分割，分割成若干個便于加工的零部件。

圖4 裝配圖

適用于扁平焊接件的快速裝夾裝置中，連接桿與連接螺釘相連，連接螺釘與壓板相連，整個壓板壓在排列放置的焊接工件上，同時壓住4 組焊接件的上平面。 焊接工藝過程： 旋轉偏心輪手柄，使夾緊機構處于松開狀態(tài)，將4 組焊接件擺放平整，放進定位槽內，讓焊接件上的焊縫排成一條直線。然后分別轉動2 組偏心輪手柄，通過連接桿帶動壓板的活動，讓整個壓板壓在工件的上表面上。 通過偏心輪的自鎖性來實現焊接件的夾緊狀態(tài)。完成焊接后，再轉動2 組偏心輪的手柄， 通過連接桿帶動作用松開壓板， 焊接件處于松開狀態(tài)，此時可以取出工件，再進入下一個工藝過程。

3 實驗結果及分析

把設計好的夾緊方案在焊接工藝上試驗，與虎鉗裝夾方案進行比較，對找正工時、夾緊工時、松開和取件工時、一個周期工時等進行統(tǒng)計分析，得到結果見表1。 經比較，一個周期工時， 虎鉗裝夾共需要55s， 采用本方案僅需要11s；由于本方案一次完成4 對焊接件的裝夾，得到每分鐘完成裝夾數，采用虎鉗裝夾方案可完成1.09pcs/min，而采有本方案可達到21.8pcs/min，大大提升了生產效率。

表1 優(yōu)化前后裝夾效率對比

4 結束語

通過對影響定位精度要素分析， 針對扁平焊接零件焊接過程中的裝夾工藝進行改進， 設計一套實用的非自動控制的快速裝夾方案， 一次操作可以完成4 組焊接件的裝夾， 可以根據實際情況增加組數。 通過對比試驗證明，本夾緊方案可以提高生產效率，有很強的實用價值，也為相似零件的裝夾方案設計提供參考。