一種機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汪紅 張惠立 李福貴 張正舉

摘 要：新車型研發(fā)的樣車階段，白車身焊接定位過程中，每個(gè)新車型的車身前、后大梁焊合件定位孔的直徑一致，但基于各個(gè)車型定位孔的坐標(biāo)一般不相同，以前在設(shè)計(jì)軟工裝定位單元時(shí)，對(duì)應(yīng)不同車型需要設(shè)計(jì)不同的定位夾具。該設(shè)計(jì)滿足了在不同車型白車身焊接過程中，可以柔性使用同一套定位單元實(shí)現(xiàn)不同車型大梁在下車體和總拼焊接過程中的定位夾緊。對(duì)樣車試制階段在成本、質(zhì)量、時(shí)間等方面的控制得到了提升。

關(guān)鍵詞：樣車試制;白車身焊接定位;機(jī)械可調(diào)式;柔性三維定位單元

1 背景

在新車型樣車試制過程中，定位夾緊車身大梁焊接的定位單元夾具一般不能重復(fù)利用，因?yàn)樵诿總€(gè)車型中存在X向、Y向、Z向位置的變化。在正式工裝線或樣車試制軟工裝線中已有存在NC柔性三維定位單元機(jī)構(gòu)，此類機(jī)構(gòu)通過數(shù)控程序可實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的位移移動(dòng)，但是，在樣車試制階段使用該機(jī)構(gòu)成本高，占用空間大。

為提升軟工裝夾具在各個(gè)新車型白車身焊接定位過程中的柔性，減少夾具制作成本，提高裝夾效率和質(zhì)量，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元夾具，實(shí)現(xiàn)軟工裝定位單元夾具的模塊化通用性，如圖1所示。

2 車身前、后大梁定位及現(xiàn)狀分析

2.1 車身前、后大梁定位策略

本公司的新車型在PPO焊接過程中，零件一般以總成焊合件方式運(yùn)送到焊接現(xiàn)場(chǎng)，通過下車體、側(cè)圍、總拼工位拼焊成白車身。前大梁也是以焊合件總成形式進(jìn)廠焊接。對(duì)于后大梁，后大梁與后地板焊合在一起，以后部下車體焊合件形式進(jìn)廠，定位策略方式與前大梁類似。

2.2 車身前、后大梁傳統(tǒng)定位單元夾具方式

車身前、后大梁傳統(tǒng)定位單元，通過每個(gè)車型的定位策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，每套定位單元對(duì)應(yīng)匹配于各個(gè)車型，由于每個(gè)車型結(jié)構(gòu)、尺寸不一致，各個(gè)定位點(diǎn)的汽車坐標(biāo)位置也不一樣，所以不能實(shí)現(xiàn)柔性。

3 車身前、后大梁定位單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提升軟工裝夾具的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)在下車體和總拼焊接的柔性使用。

3.1 機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元的裝配結(jié)構(gòu)

如圖1所示是前、后大梁優(yōu)化設(shè)計(jì)定位單元夾具的裝配結(jié)構(gòu)示意圖，該定位單元主要由1-X向滑移組件、2-Y向滑移組件、3-支撐柱、4-Z向滑移組件、5-勾銷組件、6-頂出機(jī)構(gòu)、7-夾緊機(jī)構(gòu)、8-連接板裝配組成。

X向滑移組件（1）與Y向滑移組件（2）通過螺栓連接重疊固定，Y向滑移組件底板固定在X向?qū)к壗M件上，實(shí)現(xiàn)位移一致性;支撐柱（3）連接到Y(jié)向?qū)к壗M件（2）上;Z向滑移組件（4）固定在支撐柱（3）垂直面，增加支基或過渡板，可以避免Z向滑移組件（4）與Y向滑移組件（2）發(fā)生干涉;連接板（8）與Z向滑移組件（4）裝配連接;勾銷組件（5）與頂出機(jī)構(gòu)（6）沿X向布局在連接板（8）上;夾緊機(jī)構(gòu)（7）沿Y向固定在連接板（8）上。

3.2 機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元的工作原理

定位單元各組件裝配完成后，作為一個(gè)整體，通過X向滑移組件底板固定在基礎(chǔ)拼臺(tái)設(shè)計(jì)位置。

工作原理：通過移動(dòng)X向滑移組件（1），實(shí)現(xiàn)X方向產(chǎn)品零件定位位置與夾具重合;移動(dòng)Y向滑移組件（2），實(shí)現(xiàn)Y方向產(chǎn)品零件定位位置與夾具重合;移動(dòng)Z向滑移組件（4），實(shí)現(xiàn)Z方向產(chǎn)品零件定位位置與夾具重合。X、Y、Z三個(gè)方向通過三坐標(biāo)測(cè)量移動(dòng)到設(shè)計(jì)位置后，勾銷組件、頂出機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)也移動(dòng)到定位單元理論開夾狀態(tài)。拿取大梁焊合件放到拼臺(tái)大梁定位單元勾銷里，關(guān)夾時(shí)，開啟勾銷組件（5）的氣動(dòng)開關(guān)，使勾銷處于工作狀態(tài)，夾緊大梁，實(shí)現(xiàn)Z方向零件夾緊;操作夾緊機(jī)構(gòu)（7），手動(dòng)（軟工裝）夾緊大梁焊合件的Y方向。零件焊完后，開夾時(shí)，打開夾緊機(jī)構(gòu)（7），打開勾銷組件（5），開啟頂出機(jī)構(gòu)（6）的氣動(dòng)開關(guān)，頂起零件總成脫離勾銷，方便整個(gè)焊接總成的起吊。

3.3 機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元的各組件結(jié)構(gòu)分析

3.3.1 X、Y、Z向滑移組件

如圖2所示是X向滑移組件結(jié)構(gòu)示意圖，Y、Z向滑移組件結(jié)構(gòu)類似?，F(xiàn)就以X向滑移組件作結(jié)構(gòu)分析說明。

（1）組成：X向滑移組件由11-X向底板、12-限位塊、13-螺桿、14-導(dǎo)軌、15-螺桿導(dǎo)套組成。

（2）工作原理：在X向滑移組件（1）上，通過導(dǎo)軌（14）滑移塊滑移到理論設(shè)計(jì)位置，然后借助內(nèi)六角扳手扭動(dòng)螺桿（13）扭緊。螺桿（13）裝配在限位塊（12）里，起到支撐固定作用，也避免導(dǎo)軌滑移脫落，螺桿導(dǎo)套（15）保證螺桿各向位移的一致性。Y向滑移組件（2）與Z向滑移組件（4）的位移調(diào)節(jié)方式類似。

（3）各結(jié)構(gòu)分析

X向底板：底板上等距布局10個(gè)100×10012銷孔，可以保證在基礎(chǔ)拼臺(tái)上任意位置實(shí)現(xiàn)2銷3螺釘固定連接。

限位塊：固定在X向底板的2端，加工一個(gè)20的過孔裝配螺桿，對(duì)螺桿起支撐固定作用。

導(dǎo)軌：沿X向布局固定在底板上，導(dǎo)軌滑塊連接在Y向滑移組件的底板中間，相向錯(cuò)位布置螺桿，實(shí)現(xiàn)±100mm值調(diào)整。

螺桿：2根螺桿加工M12的螺紋，固定在限位塊上，起到對(duì)導(dǎo)軌滑移位移的固定。

導(dǎo)套：固定在Y向滑移組件底板上，起到引導(dǎo)固定作用。

3.3.2 支撐柱

支撐柱通過過渡板固定在Y向滑移組件上，通過增高或縮短尺寸來滿足Z向滑移組件能保證±100mm值調(diào)整，支撐柱一般按50的倍數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。

3.3.3 勾銷組件

勾銷組件直接選用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件，便于采購(gòu)。

3.3.4 夾緊機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與軟工裝其它定位單元的夾緊方式一致，在這里是為實(shí)現(xiàn)Y向的夾緊。

3.3.5 頂出機(jī)構(gòu)

如圖3所示是頂出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)就頂出機(jī)構(gòu)作如下分析

（1）組成：頂出機(jī)構(gòu)由61-L連接板、62-抗扭氣缸、63-頂撐基座、64-頂撐塊組成。

（2）工作原理：先確保勾銷處于打開狀態(tài)，再開啟頂出氣缸開關(guān)，頂撐塊跟隨頂撐基座一同上升，頂起焊接總成，脫離勾銷，確保了總成的順利起吊。

（3）結(jié)構(gòu)分析：

L連接板：設(shè)計(jì)為L(zhǎng)型，方便與氣缸連接后固定在連接板（8）上。

抗扭氣缸：選用扁平抗扭氣缸，保證了頂出過程的平順進(jìn)行。

頂撐基座：與氣缸連接，隨氣缸一起運(yùn)動(dòng)，基座上再用螺栓固定頂撐塊，便于裝拆。

頂撐塊：采用尼龍加工，型面匹配產(chǎn)品頂出位置，留有5mm間隙，避免與勾銷定位面干涉。不同車型的型面不一致，需要匹配車型加工更換。

4 機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元的應(yīng)用

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，前、后大梁的定位單元夾具可以重復(fù)利用在不同車型或同一車型的不同階段。每個(gè)車型在下車體焊接時(shí)，前、后大梁焊合件定位時(shí)共需8個(gè)定位孔，也就是說，在下車體可以用8套這種機(jī)械可調(diào)式柔性三維定位單元進(jìn)行定位夾緊。以后其它車型可以不需再設(shè)計(jì)這8套夾具（除個(gè)別構(gòu)件需重新加工外）;總拼下車體定位同理。對(duì)定位大梁夾具優(yōu)化后，可以實(shí)現(xiàn)總計(jì)14套定位單元的柔性?，F(xiàn)場(chǎng)使用情況如圖4所示。

5 總結(jié)

對(duì)大梁定位單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在三方面：

1.增加了X、Y、Z三向滑移組件。各組件機(jī)構(gòu)可以三維各向獨(dú)自直接進(jìn)行機(jī)械移動(dòng)調(diào)整，不存在干涉?？梢詫?shí)現(xiàn)±100mm移動(dòng)。

2.增加勾銷組件。在軟工裝夾具上加氣動(dòng)構(gòu)件，使用勾銷定位夾緊大梁，提升了大梁的定位夾緊精度。

3.增加頂出機(jī)構(gòu)。車身在焊接完成后，在起吊總成時(shí)常會(huì)出現(xiàn)定位孔與定位銷刮擦情況，這可能會(huì)引起總成變形，也不方便吊起。布局4個(gè)頂出機(jī)構(gòu)在4套定位單元上，頂撐塊作用于前、后大梁上，把大梁頂出勾銷，再進(jìn)行起吊總成操作，避免了焊接總成與定位銷的碰撞。

該三維定位單元不但結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小;還可以三向可調(diào)，能實(shí)現(xiàn)位移大范圍調(diào)整，而且精度高;使用氣動(dòng)裝置提升了裝夾效率、焊接精度;而且此種定位單元可以柔性在不同的車型上，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，節(jié)約成本。軟工裝定位單元后續(xù)還有很多可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)軟工裝夾具的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋曉琳.汽車車身制造工藝學(xué)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社.2006.

[2]王純祥.焊接工裝夾具設(shè)計(jì)及應(yīng)用（第2版）[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2014.