四面體夾具及其切換機構設計與應用

蒙文范、郭維、盧群英

(上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007)

0 引言

現(xiàn)代化汽車企業(yè)為了降低成本、節(jié)省場地空間一般都要進行混線柔性化生產(chǎn)，同時也要考慮未來車型能快速導入及時響應需求，以期許在激烈的市場競爭中占據(jù)主動權。

焊裝車間公共補焊線，要建設成無人全自動化多柔性高效率生產(chǎn)線，要求至少能補焊4平臺多種車型。要實現(xiàn)4平臺多種車型混線生產(chǎn)，難點是定位夾具的設計，本文將介紹四面體和其線旁輔助切換機構的設計。

1 方案分析

根據(jù)車型給的定位信息（定位信息是由專業(yè)科室指定），以其中的某一種A車型的車身坐標系為基準，其他車型以雪橇孔重合移動后，得到的4平臺車型定位孔分布情況（圖1）。

圖1 車型定位孔分布圖

從圖1分析出，各平臺車型定位孔在同一坐標系里面坐標都不一樣，所以必須設計出4種不同定位單元。同時，4平臺定位孔距離又很近，傳統(tǒng)的定位工裝很難做設計避讓，所以設計采用四面體夾具+線旁輔助切換機構的形式，以下是詳細說明。

2 結構構設計

包括四面體夾具與線旁輔助切換機構。其中四面體夾具安裝在滑橇上，隨著滑橇和白車身一起輸送；線旁輔助切換結構放置在生產(chǎn)線左右兩邊，只布置在切換工位，每條生產(chǎn)線布置一個輔助切換工位。

2.1 四面體夾具設計

定位單元設計：定位夾具要能實現(xiàn)4平臺車型定位，要有4種不一樣的定位單元，各個定位單元要相互避讓，不能干涉，根據(jù)這個功能需求，設計了如下四面體夾具結構，其包括四面體夾具本體與自鎖機構（圖2）。

圖2 四面體夾具

2.1.1 本體設計

如圖3所示，四面體本體包括四組定位組件單元，如圖三。每一組定位組件分別定位一種平臺車型，每一組件包括基本的定位塊、定位銷，它們通過各自連接板與旋轉(zhuǎn)連接板6連接。旋轉(zhuǎn)連接板通過連接軸8、軸承3、軸承5與支座（支座通過緊固螺栓連接在滑橇本體上）連接在一起，這樣旋轉(zhuǎn)連接板就設計成了可360°旋轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)盤9是為了與線旁切換機構回轉(zhuǎn)軸嚙合塊相互嚙合而設計。四面體本體設計是以其中一平臺為設計基準，旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°分別切換到另外一種平臺車型。

圖3 四面體本體

旋轉(zhuǎn)四面體軸與軸承的選型設計尤為關鍵，受力分析不當或者設計結構不合理，后期使用的時候都可能會出現(xiàn)車身定位不精確、斷軸、軸承容易損壞及壽命短等問題。因此，采用了雙軸承支承形式（圖4）。其設計的轉(zhuǎn)動軸直徑D為50.0 mm，材料為45優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼，加工時要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理、表面發(fā)黑處理。 軸承的選型：軸承本身具有游隙，定位夾具要求的精度為±0.1 mm，主要受徑向載荷，四面體轉(zhuǎn)速低，所以軸承采用圓錐滾子軸承，型號為33010，其基本額定負載達76.8 kN,為了使四面體能達到精度要求，采用雙軸承型式，兩軸承的安裝距離L為100.0 mm。兩軸承設計的安裝距離L要考慮其合理性問題，必須保證L的長度不小于75.0 mm，因為軸承本身有游隙，L過小時，作用力F作用于四面體回轉(zhuǎn)體上就會使回轉(zhuǎn)體晃動，而達不到夾具±0.1 mm的定位要求[1]。

圖4 軸承安裝

2.1.2 自鎖機構設計

由于四面體不帶電氣等動力單元，所以四面體的打開與鎖緊必須要通過線旁切換結構來實現(xiàn)。如圖5所示，自鎖機構主要是根據(jù)四連桿自鎖機構原理設計,其主要包括鎖緊楔形塊、鎖緊楔形軸、鉸鏈A、鉸鏈B等，圖中（a）為四面體的自鎖狀態(tài)。如圖5（a）所示，四面體處于鎖緊狀態(tài)，此時鉸鏈機構的各個鉸鏈連接點處于一直線上形成死點，鎖緊楔形塊與鎖緊楔形軸相互嚙合，故而四面體本體被鎖緊。四面體本體上有4塊鎖緊楔形塊，鎖緊楔形塊沿軸承軸線均等分布，四面體本體每旋轉(zhuǎn)90°都有一塊楔形塊與楔形軸能嚙合，即四面體每旋轉(zhuǎn)90°都可以實現(xiàn)自鎖，保證每個面的定位單元能夠準確定位。圖5（b）中鉸鏈A設計有鎖緊限位與打開限位，保證鎖緊與打開位置唯一準確；鉸鏈B設計有上延伸桿與下延伸桿，是為了線旁結構切換而設計。

圖5 自鎖機構

2.2 線旁輔助切換夾具設計

線旁輔助切換機構是對四面體夾具進行打開與鎖緊切換的輔助機構，放置在線旁兩側，如圖六，主要包括推動氣缸、伺服電機、旋轉(zhuǎn)軸、鎖緊氣缸和解鎖氣缸。其中推動氣缸的作用是推動伺服電機與旋轉(zhuǎn)軸進與出，推動氣缸采用自鎖氣缸，自鎖氣缸可以保證氣缸前進或者后退到位后產(chǎn)生自鎖，從而避免機構誤動作而產(chǎn)生的安全隱患；伺服電機的作用是可以利用程序精確控制旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)四面體回轉(zhuǎn)角度的精確控制；旋轉(zhuǎn)軸是帶動四面體回轉(zhuǎn)運動的部件，端頭設計有嚙合塊是為了與四面體上的回轉(zhuǎn)盤嚙合，實現(xiàn)動力的傳遞；鎖緊氣缸的作用是自鎖機構在打開狀態(tài)且四面體回轉(zhuǎn)動作完成后使四面體鎖緊，氣缸頭處設計有撞塊，其與自鎖機構鉸鏈B直接發(fā)生碰撞；解鎖氣缸的作用是打開自鎖機構，與鎖緊氣缸一樣氣缸頭處設計有撞塊，其與自鎖機構鉸鏈B直接發(fā)生碰撞。

圖6 線旁切換機構

圖7 四面體切換過程圖

2.1.1 切換原理

四面體夾具的切換過程主要分為8個步驟，如圖7為切換的具體過程：

（1）初始狀態(tài)：四面體夾具隨著滑橇運行到切換工位時，檢測開關檢測到四面體夾具已經(jīng)到位時，此時即為初始狀態(tài)。

（2）嚙合：四面體到位后，線旁切換機構的推動氣缸動作推著伺服電機與旋轉(zhuǎn)軸向前運動使旋轉(zhuǎn)軸端的嚙合塊與四面體夾具本體上的回轉(zhuǎn)盤嚙合。

（3）解鎖：嚙合動作完成后，解鎖氣缸發(fā)生作用，氣缸向前推進，氣缸頭上的撞塊撞向自鎖機構鉸鏈B的下延伸桿，自鎖機構的楔形軸與四面體本體上的楔形塊脫離，自鎖機構被解鎖。

（4）旋轉(zhuǎn)切換：解鎖完成后，伺服電機輸出軸帶動四面體本體作回轉(zhuǎn)運動。伺服電機可作360°回轉(zhuǎn)運動，當做90°、180°、270°三種角度旋轉(zhuǎn)時分別對應切換到的一種車型。

（5）解鎖氣缸回退：伺服電機作完回轉(zhuǎn)運動后，解鎖氣缸退回原位[2]。

（6）鎖緊：解鎖氣缸回位后，鎖緊氣缸發(fā)生作用，氣缸在壓縮空氣的作用下向前推進，氣缸頭上的撞塊撞向自鎖機構鉸鏈B的上延伸桿，自鎖機構的楔形軸與四面體本體上的楔形塊嚙合，自鎖機構被鎖緊。

7.伺服電機回退。

8.鎖緊氣缸回退。

2.1.2 四面體夾具的應用

該機構已成功應用于上汽通用五菱柳東和東部車身多條補焊線上，如圖8為整體結構，包括補焊工位和切換工位。寶駿二期公共補焊線和東部車身補焊線各有2條線，單線設計節(jié)拍為40 J/h，每條線設計8個補焊工位，一個切換工位（切換工位放在空中），共運用了256套四面體夾具，16套切換夾具。四面體夾具和切換機構的制造成本都比較低，因其不帶動力單元結構有效減少生產(chǎn)運行成本，降低能源消耗；同時，其在生產(chǎn)時夾具不動作，輸送時是汽車白車身隨四面體夾具一起輸送到下個工位，產(chǎn)生非增值時間少，節(jié)省了寶貴時間成本，提高節(jié)拍。從目前運用的情況看，四面體夾具結構緊湊，占用空間小，定位精度高，維護維修方便簡單等，經(jīng)過補焊線焊出的白車身焊點穩(wěn)定[3]。

經(jīng)過多年持續(xù)生產(chǎn)和新車型不斷的導入改造，采用四面體夾具做為定位的公共補焊線已經(jīng)累計生產(chǎn)了市面上的熱賣的五菱宏光/S、寶駿630、寶駿560、寶駿730、寶駿510以及新寶駿RS-5等數(shù)百萬輛。

圖8 四面體夾具與切換機構

3 結束語

四面體夾具的成功設計應用，很好地解決了多車型在公共補焊線的混線批量生產(chǎn)問題，同時也方便未來新車型快速導入，只要某種車型停產(chǎn)或者不需要經(jīng)過此補焊線，就可以直接把車型的定位單元拆除，再設計新車型定位單元即可以實現(xiàn)新車型導入，而不影響其他車型的定位與生產(chǎn)。四面體夾具與線旁夾具用低成本、高價值的設計理念不斷為公司與社會創(chuàng)造價值。