轎車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊接夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及柔性化

李積俠

(安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京 100176)

0 前言

工業(yè)機(jī)器人自問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，在提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮了重要作用。在我國(guó)的汽車制造業(yè)、尤其是轎車零部件制造業(yè)中，已經(jīng)裝備了大量的弧焊機(jī)器人設(shè)備。隨著汽車品牌、款式的增長(zhǎng)和更新，符合產(chǎn)品性能特點(diǎn)、高柔性、高質(zhì)量的工裝夾具設(shè)計(jì)已經(jīng)成為決定弧焊機(jī)器人設(shè)備能否高效、合理應(yīng)用的核心問(wèn)題。在此主要介紹轎車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊接夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及柔性化。

1 轎車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成和特性

轎車排氣系統(tǒng)是轎車的重要組成部分，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣凈化與排放。按照排氣系統(tǒng)距離發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)近位置，排氣系統(tǒng)分為熱端、冷端兩部分，如圖1所示。

熱端部分直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口，主要包括歧管（根據(jù)排量不同，一部分是法蘭直接與催化凈化器相連接）、催化凈化器、二級(jí)凈化器、掛鉤、法蘭、及氧傳感器、螺母等零件。冷端部分承接熱端，主要包括中消、后消、排氣管、尾管、掛鉤及法蘭等零件。

設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)焊接夾具必須對(duì)各部分組成部件的使用特性、功能要求有足夠的了解。熱端部件的主要功能是凈化，焊縫密封要求高。同時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤的硬連接較多，所以尺寸精度控制較嚴(yán)格。冷端部件的主要功能是消聲（也含有二級(jí)凈化），焊縫密封要求相對(duì)較低，部分焊縫允許二次起弧，但介于冷凝液體腐蝕的考慮，通常對(duì)起弧點(diǎn)有位置要求。主要通過(guò)掛鉤等軟連接方式固定，尺寸精度控制可適度放寬。

2 轎車排氣系統(tǒng)焊接夾具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 熱端焊接夾具

熱端是轎車排氣零件中最復(fù)雜的，一般需要3～4道工序才能焊接完成。由于零件復(fù)雜，夾具也相對(duì)復(fù)雜。一般為進(jìn)氣法蘭+歧管焊接夾具，歧管分總成+催化凈化器+波紋管+氧傳感器螺母焊接夾具，總成+掛鉤+支架焊接夾具。

2.1.1 進(jìn)氣法蘭+歧管焊接夾具

此工序的焊縫較多，歧管的焊縫空間分布比較復(fù)雜，焊接完成后工件變形問(wèn)題較為嚴(yán)重。同時(shí)，進(jìn)氣法蘭是與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝面連接的重要基準(zhǔn)面，平面度要求高，所以該夾具中法蘭的夾緊反變形設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。進(jìn)氣法蘭的定位根據(jù)工件圖紙基準(zhǔn)要求，選用法蘭上基準(zhǔn)孔及安裝面，壓緊一般選用帶死點(diǎn)的壓緊機(jī)構(gòu)或選擇力大的氣缸帶鉸鏈機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2、圖3），考慮到用戶維護(hù)條件的情況，也可以采用液壓壓緊。同時(shí)適當(dāng)調(diào)整法蘭焊縫的焊接順序，減輕因進(jìn)氣法蘭焊縫集中而產(chǎn)生的焊接變形。

對(duì)于焊縫空間分布復(fù)雜的工件，由于焊槍姿態(tài)和焊縫位置干涉問(wèn)題，一道工序中完成所有焊縫較為困難。此時(shí)需要增加拼點(diǎn)工序，先通過(guò)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的拼點(diǎn)夾具將散件點(diǎn)固成型，再用只定位夾緊工件主基準(zhǔn)的簡(jiǎn)單自動(dòng)焊夾具實(shí)現(xiàn)所有焊縫滿焊。

圖2 帶歧管焊接夾具

圖3 熱端焊接夾具

歧管焊接夾具的前后工序定位基準(zhǔn)必須一致。為了使歧管和進(jìn)氣法蘭焊接后幾個(gè)環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量一致性和焊縫成形好，這幾個(gè)環(huán)焊縫分布盡量靠近變位機(jī)回轉(zhuǎn)中心，并最好選用雙軸變位機(jī)。另外，為了保證工件每次都能裝到位，焊后一致性好，必須限制管插入到進(jìn)氣法蘭的插入量。

2.1.2 歧管分總成+催化凈化器+波紋管+氧傳感器螺母焊接夾具

歧管分總成的定位可參考歧管分總成焊接夾具，注意定位基準(zhǔn)一致。凈化器可使用筒體外型面定位并壓緊（見(jiàn)圖4）。波紋管是柔性件，又稱撓性節(jié)，定位時(shí)需要考慮限制其長(zhǎng)度方向尺寸。由于波紋管外層鋼絲較細(xì)，容易被飛濺燙壞影響外觀，所以波紋管部分的夾具需要考慮全護(hù)罩結(jié)構(gòu)。出氣法蘭定位，定位法蘭上的孔及法蘭安裝面，再氣缸壓緊即可。

2.1.3 總成+掛鉤+支架焊接夾具

圖4 熱端總成焊接夾具

在保持前法蘭定位基準(zhǔn)一致的前提下，首要考慮裝件的操作性，以此來(lái)確定此套夾具的工件空間位置。根據(jù)圖紙對(duì)掛鉤的要求選擇主定位基準(zhǔn)。為了保證焊接質(zhì)量，掛鉤定位必須設(shè)計(jì)成可調(diào)整的，方便調(diào)整掛鉤位置，如圖5所示。

熱端工件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，夾具設(shè)計(jì)不但要考慮夾具的結(jié)構(gòu)，而且要考慮裝卸工件是否方便。

2.2 冷端焊接夾具

冷端分中消和后消，一般焊接消聲器、連接管件、法蘭、掛鉤及支架等零件。冷端工件數(shù)量少、尺寸大、焊縫分散，因此夾具結(jié)構(gòu)空間余量大，有利于獲得良好的焊槍姿態(tài)。根據(jù)工件結(jié)構(gòu)不同，一般中、后消各用兩道工序。先完成各法蘭、管件、消聲器間的連接環(huán)縫焊接，再焊接掛鉤等小件焊縫。

圖5 掛鉤、支架焊接夾具

2.2.1 中、后消總成焊接夾具

最終焊接完成的中消進(jìn)氣法蘭和熱端連接，出氣法蘭和后消連接，所以此序焊接夾具必須保證進(jìn)氣法蘭和出氣法蘭的相對(duì)位置。中消進(jìn)氣法蘭和出氣法蘭一般定位法蘭上的孔及法蘭安裝面，法蘭孔采用銷子定位，法蘭面一側(cè)支撐，另一側(cè)用氣缸壓緊。凈化器、消聲器定位采用下面V型兩端支撐、上面壓緊的方式，這樣操作工安裝工件時(shí)工件軸線方向不會(huì)偏移，壓緊后工件位置準(zhǔn)確，焊縫質(zhì)量也很好。凈化器和消聲器之間的連接管采用可調(diào)機(jī)構(gòu)支撐，適當(dāng)兼容彎管造成的偏差，如圖6所示。

圖6 中消焊接夾具

由于中、后消在熱端后面，為防止從熱端過(guò)來(lái)的少量冷凝水腐蝕，中、后消環(huán)焊縫的焊接一般有起弧點(diǎn)位置要求，因此在夾具設(shè)計(jì)前期需要全面了解圖紙的要求。后消聲器包進(jìn)出氣管處焊縫為三層薄板焊接，焊接難度較大，焊口處的定位需根據(jù)零件特征慎重選擇。

為了提高環(huán)焊縫焊接質(zhì)量，工件環(huán)焊縫盡量靠近變位機(jī)回轉(zhuǎn)中心，有利于機(jī)器人協(xié)調(diào)。

2.2.2 中、后消掛鉤夾具

掛鉤夾具的焊縫多為較短的直焊縫，夾具結(jié)構(gòu)滿足焊接姿態(tài)條件比較容易達(dá)到。工件的空間擺放需要考慮最小回轉(zhuǎn)半徑要求和取件方便原則。掛鉤的定位結(jié)構(gòu)盡量考慮多方向調(diào)整，以方便滿足相對(duì)尺寸精度要求。

3 夾具的柔性化設(shè)計(jì)

汽車品種迅速增加，這不僅對(duì)汽車排氣系統(tǒng)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)提出了更高要求，而且對(duì)夾具的設(shè)計(jì)也提出了高要求。這種要求主要體現(xiàn)在焊接夾具的柔性化設(shè)計(jì)上。柔性化設(shè)計(jì)具體體現(xiàn)為：一是夾具和梁整體快換，這種形式適合產(chǎn)品差異比較大的零件；另一種是夾具梁和電磁閥端子等共用，只快換夾具，這種形式適合有共同之處的產(chǎn)品，一般為同一車型的不同排量工件夾具之間的快換。有時(shí)一套夾具可兼顧兩三種甚至四五種類似產(chǎn)品的焊接。

3.1 夾具和夾具梁整體快換設(shè)計(jì)

夾具和夾具梁的整體快換設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在夾具梁和變位機(jī)之間的快換上，夾具梁兩端各安裝一個(gè)L板，每個(gè)L板上安裝有定位銷，變位機(jī)兩端也安裝有L板。安裝L板一側(cè)采用定位銷套，另一側(cè)采用鍵槽的定位方式。連接時(shí)，夾具和夾具梁整體從上向下安裝，先是夾具兩側(cè)的定位銷依靠重力插入銷套和鍵槽中定位，再是連接板兩側(cè)的螺釘翻轉(zhuǎn)壓緊連接板。這種快換結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便可靠，定位重復(fù)性效果好，已經(jīng)成為安川首鋼機(jī)器人有限公司的通用快換結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示。

圖7 夾具和變位機(jī)連接

3.2 夾具梁不動(dòng)、夾具整體或部分快換設(shè)計(jì)

夾具梁不動(dòng)、夾具整體或部分快換設(shè)計(jì)分兩種：一種是主要用在快換產(chǎn)品有共同之處，種類也就兩三種（見(jiàn)圖8、圖9），黑色圈里是兩種產(chǎn)品不同之處，白色圈里為共同之處，共同處夾具不做快換，不同處做成快換。另一種為產(chǎn)品種類比較多，比較類似，互換性要求高時(shí)，將夾具梁分成相同的標(biāo)準(zhǔn)模塊（見(jiàn)圖10、圖11），夾具梁上的定位銷按標(biāo)準(zhǔn)尺寸分布，夾具可按照夾具梁的要求每塊做成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的底板，底板做標(biāo)準(zhǔn)的銷套梁配上的銷子配合定位。使用C型快換墊快速夾緊。更換產(chǎn)品時(shí)，只需更換快換小部件即可。另外需要注意，人工更換時(shí)小件夾具或快換的部件質(zhì)量要控制在20 kg以內(nèi)，否則需要專用夾具更換設(shè)備，如夾具更換小車等。部件更換時(shí)，氣缸與閥間的氣管可通過(guò)多路快換接頭拆開(kāi)，閥留在夾具梁上，快換夾具共同使用。電控線纜采用多針航空快插方式，快換夾具共同使用。使用快換結(jié)構(gòu)，單套夾具更換時(shí)間控制在10 min內(nèi)，可大大提高機(jī)器人焊接系統(tǒng)的整體生產(chǎn)效率。

圖8 中消類似產(chǎn)品比較

圖9 中消類似產(chǎn)品夾具快換示意

圖10 快換夾具梁

圖11 快換夾具

4 結(jié)論

介紹了轎車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成和機(jī)器人焊接夾具的柔性化設(shè)計(jì)及優(yōu)化。隨著現(xiàn)代社會(huì)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)量和品種迅速增加，柔性化機(jī)器人焊接夾具將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。只有進(jìn)一步提高排氣系統(tǒng)焊接夾具的設(shè)計(jì)水平，才能使設(shè)備能更好的服務(wù)用戶，服務(wù)社會(huì)，與汽車行業(yè)的飛速發(fā)展同步前進(jìn)。