主夾具升降機Z軸支撐臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

仇華錚、黃昆、肖勇、李柳強

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007）

0 引言

夾具輸送系統(tǒng)是焊裝車間主線上，在側(cè)圍總成預(yù)裝后，用于輸送側(cè)圍夾緊定位集成設(shè)備的輸送關(guān)鍵設(shè)備。該主夾具輸送系統(tǒng)升降機是由3套輸送立柱構(gòu)成，每套立柱采用FNUCK伺服電機作為動力源，兩級滑臺通過鏈輪鏈條傳動、滑塊導(dǎo)軌導(dǎo)向、同步調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)主夾具升降的同步性輸送設(shè)備，目前應(yīng)用于寶駿車身車間4條生產(chǎn)線。主夾具輸送系統(tǒng)升降機機械結(jié)構(gòu)的主要失效模式是支撐臂一級滑臺滑塊損壞，且集中發(fā)生在Z軸立柱一級滑臺。該設(shè)備Z軸一級滑臺滑塊采用單導(dǎo)軌雙滑塊機構(gòu)，若出現(xiàn)其中一個滑塊出現(xiàn)損壞，單滑塊不能維持生產(chǎn)使用，必須停線進(jìn)行更換，影響生產(chǎn)輸出。

同時，在生產(chǎn)過程中，升降機輸送主夾具降到低位定位時，常出現(xiàn)刮磨主夾具定位銷的問題，長期以往，影響主夾具的定位精度[1-2]。本文以提升主夾具輸送系統(tǒng)穩(wěn)定性為目標(biāo)，針對該設(shè)備升降機結(jié)構(gòu)頻繁發(fā)生的導(dǎo)軌滑塊失效故障，設(shè)計改進(jìn)了Z軸立柱支撐臂，為主夾具輸送系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供助力。

1 Z軸立柱支撐臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)與參數(shù)

設(shè)計條件：6 s聚升高度2.5 m（實際一二級每根導(dǎo)軌升降一次2 m），舉升速度2.5/6 s，三臺聚升總重2 600 kg（前聚升重650 kg，后聚升重1 300 kg），后聚升臂長1 560 mm，后臂重心400 mm，舉升臂重150 kg，主夾具升降機由XYZ三柱支撐主夾具升降（圖1）。

主夾具輸送系統(tǒng)Z軸立柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，Z軸立柱主要由伺服電機、減速機、配重、支撐臂、導(dǎo)軌、鏈輪鏈條等構(gòu)成。

2 Z軸的動力校核與支撐臂結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 主夾具升降機3柱支撐主夾具數(shù)模圖

圖2 主夾具升降機Z軸立柱結(jié)構(gòu)圖

主夾具輸送系統(tǒng)升降機的交接主夾具過程中，每生產(chǎn)1臺車會交接2次主夾具，每天近2 000次交接，要求升降機的輸送精度、升降機的結(jié)構(gòu)強度滿足精度要求。

2.1 Z軸的支撐臂結(jié)構(gòu)參數(shù)

支撐臂輸送銷在交接主夾具低速段過程中，主夾具施加在支撐臂上的力可看作簡易懸臂梁。主夾具交接過程中支撐臂產(chǎn)生受擠壓變形，設(shè)計要求輸送銷定位水平位移≤3 mm，支撐臂可簡化懸臂梁，如圖3所示。

圖3 Z軸立柱支撐臂

A1（ABCD截面面積）=81×156=12 636 mm2

A2（abcd截面面積）=(156-16）×（81-22）= 8 260 mm2

L（支撐臂懸臂長）=1 361 mm

形心確認(rèn)：截面為Z向?qū)ΨQ，形心必然在對稱軸上。

z1=81/2=40.5 mm

z2=1/2×（81-8-14）+14=43.5

支撐臂材料彈性模量E=210 MPa，在支撐臂變形滿足最大撓度3 mm時，作用在懸臂梁上的力為

MC=111.3×1.56=173.6 N·m

改造前，升降機每個立柱支撐臂為雙滑塊單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

懸臂承重彎矩：M1=1 300 kg×9.8 N/kg×1.56 M=19 874.4 N·m

懸臂自重彎矩：M2=150 kg×9.8 N/kg×0.4 M=588 N·m

懸臂總彎矩：M=19 874.4+588=20 462.4 N·m

升降機支撐臂一級滑臺選用的導(dǎo)軌為超重載荷型、高剛性的保持器型滾柱滾動SRG系列導(dǎo)軌滑塊選型為SRG55C2SSC1，C0=266 000 N，滿足設(shè)計要求。

導(dǎo)軌使用壽命：

考慮直線導(dǎo)軌使用的環(huán)境因素、運動狀態(tài)、軌道表面硬度、系統(tǒng)溫度等的影響，使用滾柱的LM滾動導(dǎo)軌的額定壽命計算方法如公式3所示。

2.2 Z軸一層滑臺導(dǎo)軌的安裝結(jié)構(gòu)

Z軸支撐臂一層滑臺直線導(dǎo)軌及滑塊設(shè)計安裝未靠邊限位安裝，支撐臂在安裝后，滑塊的中部因未設(shè)計觀察孔，滑塊的防塵附件檢查通過內(nèi)窺鏡完成，實施難度高、觀察視野差、耗時長。若未及時發(fā)現(xiàn)滑塊損壞，更換耗時2 h，嚴(yán)重影響產(chǎn)能輸出。改造前，Z軸立柱支撐臂空載狀態(tài)下，CAE分析的變形量為0.08 mm。Z軸立柱輸送銷定位銷最大位移4.05 mm，則空負(fù)載的支撐臂變形差為3.96 mm，原Z軸支撐臂設(shè)計輸送銷的水平方向的理論變形超出了極限值，是影響滑塊受力的異常因素。

3 Z軸的支撐臂輸送穩(wěn)定性改進(jìn)

3.1 Z軸的支撐臂導(dǎo)軌滑塊增加及維護(hù)便利性改進(jìn)

將主夾具升降機Z軸支撐臂改為三滑塊結(jié)構(gòu)，提升導(dǎo)軌的安全系數(shù)。同時設(shè)計滑塊防塵附件觀察孔，便于定期維護(hù)導(dǎo)軌滑塊，觀察防塵附件的狀態(tài)[3]。從導(dǎo)軌使用壽命公式看出，降低單個滑塊的受力，可變相的增加使用壽命。在原滑塊選型SRG55C2SSC1不變的情況下，使用三滑塊結(jié)構(gòu)，滑塊壓力：

C0=266 kN，得靜態(tài)安全系數(shù)：fs≥19.7

安全系數(shù)是原結(jié)構(gòu)近2倍，設(shè)備更穩(wěn)定。同時在滑塊內(nèi)側(cè)不便于檢查防塵附件的區(qū)域，設(shè)計增加了檢查孔，便于維護(hù)維修。

3.2 支撐臂剛性強化設(shè)計

原Z軸立柱支撐臂在負(fù)載狀態(tài)下空負(fù)載的輸送銷水平偏差4.04 mm，將支撐臂改造前后數(shù)模導(dǎo)入CAE進(jìn)行分析，負(fù)載狀態(tài)下位移基本一致，改造后不影響輸送精度。改造后，Z軸立柱支撐臂空載狀態(tài)下，CAE分析的變形量為0.03 mm。優(yōu)化后，Z軸立柱輸送銷定位銷最大位移2.12 mm，則空負(fù)載的支撐臂變形差為2.09 mm，支撐臂輸送銷的水平方向的變形滿足要求，有效主夾具提升交接的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）在現(xiàn)有柔性生產(chǎn)線主夾具升降機原設(shè)計基礎(chǔ)上，對Z軸支撐臂設(shè)計為三滑塊結(jié)構(gòu)，增加了導(dǎo)軌使用壽命和安全系數(shù)。

（2）配合維護(hù)便利性，增加了滑塊防塵附件的觀察孔，對滑塊維護(hù)空間進(jìn)行了優(yōu)化，提升了設(shè)備維護(hù)維修效率。