排氣系統(tǒng)生產線上多種產品的焊接夾具快換方式及其設計要點

于 潔

（安川首鋼機器人有限公司，北京 100176）

0 前言

隨著社會進步人們的需求逐漸提高，市場更加需要具有特色、符合個人需求的汽車產品。傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)已不能滿足市場對多品種大批量產品的生產需要，生產柔性化對企業(yè)的生存能力至關重要。我國的汽車制造業(yè)尤其是轎車零部件制造業(yè)中，符合產品性能特點、高柔性、高質量的焊接夾具設計已經成為決定工業(yè)機器人設備能否高效、合理應用的核心問題。在此主要介紹轎車排氣系統(tǒng)生產線上多種產品的焊接夾具快換方式和設計要點。

1 焊接夾具在排氣系統(tǒng)生產線上的應用

1.1 轎車排氣系統(tǒng)的構成

轎車的排氣系統(tǒng)通常是指汽車中用于收集和排放廢氣的系統(tǒng)，是轎車中的重要組成部分。按照排氣系統(tǒng)距離發(fā)動機的遠近位置將排氣系統(tǒng)分為熱端和冷端，轎車排氣系統(tǒng)的構成如圖1所示[1]。

熱端部分是直接連接發(fā)動機的排氣口，主要包括歧管、催化凈化器、排氣溫度傳感器等。

圖1 轎車排氣系統(tǒng)的構成

冷端部分承接熱端，主要包括中消、后消、排氣管、尾管、掛鉤等零部件。

1.2 焊接夾具在排氣系統(tǒng)生產中的重要應用

目前轎車排氣系統(tǒng)需要采用大量焊接工藝來完成各部分零件的組裝，焊接過程中會產生大量的煙塵、弧光、金屬飛濺，焊接工作量大，環(huán)境惡劣，因此焊接機器人在排氣系統(tǒng)自動化生產中得到廣泛的應用。

為了使焊接機器人更好地完成焊接工藝，生產出穩(wěn)定合格的產品，需要對焊接產品實現準確的定位和可靠的夾緊，需要設計各種專用焊接夾具。焊接夾具的設計必須建立在對排氣系統(tǒng)各組成零部件的使用特性和功能有足夠了解的基礎上。熱端部分的主要功能是分解和凈化高溫有害氣體，要求焊縫密封性高。冷端部分的主要功能是消除噪聲，焊縫密封性要求相對較低。無論是熱端部分的產品還是冷端部分的產品，自動焊接夾具不僅能保證產品結構精度方面的要求，還能提高產品質量，減輕工人的勞動強度，在焊接生產實現機械化、自動化進程等方面都起著非常重要的作用。

2 排氣系統(tǒng)中多種產品的夾具快換方式及設計要點

傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)生產中一般是每種產品需要制作專門的焊接夾具，這種針對性強、結構單一的焊接夾具利用率低，當企業(yè)遇到多種產品時，需增加夾具數量來滿足不同的需求，造成資源浪費，增加企業(yè)生產制造成本，因此需要焊接夾具具有靈活的快換方式來滿足多種產品的生產需要。

焊接夾具的快換是指在機械機構上設法實現減少安裝螺栓上緊及取下時間。以不取下螺栓而達到鎖定的功能為目標，在非常短的時間內高效地完成夾具的轉換工作?？鞊Q的目的是縮短換模時間，提高生產能力，降低生產成本。

排氣系統(tǒng)中的冷端部分通常由尺寸較長的圓管、不同規(guī)格的消聲包以及形狀各異的掛鉤組成。針對上述冷端產品的特點，將焊接夾具快換方式分為兩大類。第一類為不需要拆卸的快換方式，在傳統(tǒng)的固定夾具中，安裝螺栓是最常見的，但是螺栓的松緊動作所耗費的時間通常占快換時間的較大部分。因此如何設計無需拆卸的快換方式成為夾具快換中的重中之重，可以通過以下3種方法來實現：①在不同管徑的產品條件下，夾具的快換方式采用旋轉方法，實現每次快換僅需旋轉一次即可完成不同產品定位之間的切換；②在不同規(guī)格的消聲包產品條件下，夾具的快換方式可采用滑軌，實現每次快換僅需操作人員很輕便地移動滑塊來切換不同產品的不同定位狀態(tài)；③采用擺缸的旋轉實現兩種定位和壓緊組件全自動化的切換。第二類為需要拆卸的快換方式，即將每個拆卸的部分做成快換單元，每個快換單元內安裝固定的結構，采用C型開口墊圈，將其墊在螺帽下，只需將螺帽旋轉放松一圈后，即可從C型墊圈的開口處取下，達到完全松開目的。上緊時反向行之，僅需旋轉一圈即可達到擰緊目的[2-5]。

2.1 焊接夾具不需要拆卸的快換方式

焊接夾具快換盡量優(yōu)先選用不拆卸的方式，這樣可以縮短快換時間，降低快換難度，提高快換工作的安全性，下面介紹3種無需拆卸的快換方法。

2.1.1 不同管徑產品的焊接夾具旋轉快換方式和設計要點

冷端部分不同管徑的產品對比如圖2所示。

圖2 冷端部分不同管徑的產品對比

排氣系統(tǒng)中，經常會遇到多種管徑、多種走向的管徑產品，將不同管徑的定位機構設計安裝在一個公共底座上，利用公共底座上的轉軸，采用旋轉方式來切換不同的定位狀態(tài)。這樣不僅可以實現多種產品定位之間的靈活切換，還節(jié)省快換時間。3種不同直徑圓管的定位和壓緊方式快換組件如圖3所示。

（1）設計每種管徑的定位裝置。傳統(tǒng)定位管徑外圓的方法很多，常采用V形塊定位法，其特點是：①方便簡單，成本低廉，是機械加工設備常用的附件。②一般與壓板和螺栓結合使用。③配合擋塊等零件，夾具可以很快對產品進行定位和固定，特別是對于回轉體產品效果最好。但本設計夾具圓管外圓的定位采用U形，其優(yōu)點為：U形的三平面均可通過相應的調整墊片來進行調整，更加準確和可靠。因此做成3種相似但不同的U形塊來分別定位不同管徑的外圓。

（2）將3種管徑的定位機構放在一個公共的連接座上，連接座上設計一個帶凸起的轉軸和一個安裝底座，安裝底座上設計與轉軸相配合的軸套，通過連接座的轉軸旋轉來切換不同產品的定位位置，當轉軸旋轉到位時，通過快換插銷鎖住位置，并通過接近開關信號來識別當前的定位機構裝置所處狀態(tài)。

（3）圓管壓緊部分的設計。可在壓塊的不同高度位置打上圓孔，目的是當遇到不同管徑時，通過壓塊上的不同圓孔位置來調節(jié)壓塊的上升和下降，進而隨著管徑的變化做出相應調整。

綜上所述，該結構是一種用于管路定位的快換裝置，它包括其上設置至少一個管固定組件、鎖止部件、檢測部件的安裝支座。該鎖止部件用于鎖定或解鎖不同裝夾狀態(tài)；該結構所提供的管固定組件可根據生產線選擇不同的管路配置來滿足生產需求的裝夾狀態(tài)，無需拆卸更換安裝底座，大大降低操作人員的工作量，節(jié)省時間，提高生產效率，進而提高生產線的生產能力。

圖3 3種不同直徑的圓管的定位和壓緊方式快換組件

2.1.2 不同規(guī)格的消聲包某處的定位和壓緊可以采用滑軌切換的方式

小消聲包掛鉤處的定位和壓緊快換組件如圖4所示。

不同規(guī)格的消聲包有很多不同的定位位置，其中最明顯的是消聲包上的掛鉤位置。當定位小消聲包掛鉤位置時，該機構會影響和干涉大消聲包的定位，此時需要對該機構進行不同產品、不同狀態(tài)的處理，因此在機構下面增加滑軌，以方便地切換不同產品的不同狀態(tài)，當遇到小消聲包掛鉤產品時，操作人員將掛鉤的定位和壓緊機構向左側滑動到位，用快換插銷進行鎖定，并由相應的接近開關來檢測該機構是否滑動到位；當遇到大消聲包產品時，操作人員將該機構向右側滑動到位，并用快換插銷進行鎖定，相應的接近開關檢測該機構是否滑開到位。該方式無需拆卸底座即可切換不同的生產狀態(tài)，操作簡單，方便靈活，大大降低操作人員的工作量，節(jié)省時間，提高生產效率，進而提高生產線的生產能力。

2.1.3 采用擺缸的旋轉實現全自動化切換方式的設計要點

高效、穩(wěn)定、安全一直是企業(yè)生產部門的目標，如何快速地完成夾具快換工作是其努力的方向。因此采用擺缸的旋轉實現全自動切換狀態(tài)，全自動快換組件如圖5所示。圖5中左側的兩種產品是五孔法蘭產品和四孔法蘭產品，可采用圖5中右側所示的結構來實現。

圖4 小消聲包掛鉤處的定位和壓緊快換組件

圖5 夾具的全自動快換組件

（1）將四孔法蘭的定位和壓緊建立在一個整體單元上，五孔法蘭的定位和壓緊建立在另一個整體單元上。兩個快換單元的切換靠中間的旋轉擺缸來實現。

（2）在快換到位時加上限位塊，由于擺缸的旋轉速度較快，為了減少擺動到位時帶來的沖擊，在到位時增加緩沖裝置。當旋轉到位后，需要氣缸帶著定位銷進行鎖定，保證當前的狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

（3）到位時最好通過接近開關來識別當前是哪一種產品的定位和壓緊達到了工作所需狀態(tài)。

（4）考慮到快換時的氣路問題，可將該旋轉機構所涉及氣缸的相應電磁閥安裝在旋轉機構的空白處，這樣與電磁閥連接的氣管與壓緊機構和其他氣缸不產生相對運動，無需擔心氣管是否會因擺缸的旋轉而產生磨損和損壞，但是從總氣源連接到旋轉機構上電磁閥的氣管應盡可能長，以防止旋轉機構旋轉時導致氣路損壞。

綜上所述，全自動的切換狀態(tài)在現今快速、高效的生產中非常重要，不但大大節(jié)省操作人員的操作時間，而且可以保證快換的準確性和安全性。

2.2 焊接夾具需要拆卸的快換方式

由于排氣產品主要通過掛鉤等連接方式固定在汽車底盤下，而不同類型的汽車安裝底盤導致多種排氣產品的掛鉤形狀差別很大，如果焊接夾具采用不拆卸的快換方式，往往很難實現多種掛鉤的定位和壓緊，這時需將定位和壓緊裝置做成一個快換單元，如圖6所示。

（1）先將不同掛鉤產品的定位和壓緊做成一個快換單元，每個掛鉤的定位和壓緊單獨設計。

（2）在設計快換單元的公共底座時，由于該底座無需拆卸，因此需在公共底座上建立兩個固定定位銷，在快換單元上設計與定位銷相配合的定位套，以實現夾具快換過程中的快速定位。公共底座上應有安裝快換單元的粗導向，方便操作人員了解大致的快換位置。

（3）在每個快換單元安裝位置處設計C型開口墊圈，將其墊在螺帽下，只需將螺帽旋轉放松一圈后即可從C型墊圈的開口處取下，達到完全松開目的。上緊時反向行之，僅需旋轉一圈即可擰緊。

（4）在公共底座上應有接近開關裝置檢測和識別當前的快換單元是哪一種產品的快換單元。

（5）人工更換時快換單元時，應將快換單元的質量盡可能控制在20 kg以內，否則需要專用夾具更換設備，如夾具快換小車等。

采用上述方法設計的快換單元可將每個快換單元更換時間控制在10 min內，大大提高機器人焊接系統(tǒng)的整體生產效率。

圖6 掛鉤處定位和壓緊的獨立快換單元組件

3 結論

詳細介紹在轎車排氣系統(tǒng)中夾具針對產品的不同情況所采用不同的快換方式，每種快換方式的設計理念不同，但最終目標都是以高效、準確、安全的快換方式來實現夾具快換。隨著現代社會汽車產業(yè)的快速發(fā)展，汽車產量和品種的迅速增加，柔性化的設計理念越來越重要，只有進一步提高焊接夾具的柔性化設計水平，才能使設備能更好地服務于用戶，與汽車行業(yè)的飛速發(fā)展同步前進。

參考文獻：

[1]李積俠.轎車排氣系統(tǒng)機器人焊接夾具的設計要點及柔性化[J].電焊機，2013，43（2）：94-97.

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[4]張四新，關麗.機械制造工藝與夾具設計[M].武漢：華中科技大學出版社，2017.

[5]歐艷華，谷禮雙.零件加工工藝與夾具設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.