關(guān)于焊接工裝夾具設(shè)計(jì)過程的研究

樊志家，高超

沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 遼寧沈陽 110000

1 序言

在“中國(guó)制造2025”的時(shí)代背景下，中國(guó)制造向自動(dòng)化、智能化邁進(jìn)，機(jī)器人裝備作為自動(dòng)化生產(chǎn)的主力軍，在改革的大潮中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文針對(duì)機(jī)器人焊接的焊裝夾具設(shè)計(jì)過程進(jìn)行研究，焊裝夾具作為機(jī)器人自動(dòng)化焊接的重要輔助設(shè)備，即保證了焊接工作的高效安全，也保證了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性[1]。

2 焊裝夾具的應(yīng)用領(lǐng)域及主要作用

焊裝夾具是汽車生產(chǎn)線上的重要工藝設(shè)備，事關(guān)整個(gè)汽車的產(chǎn)品質(zhì)量，在焊接生產(chǎn)中，焊裝夾具即能完成本工序的零件組裝、定位焊接，同時(shí)還能夠檢驗(yàn)和校正上一道工序的焊接質(zhì)量；焊裝夾具依靠準(zhǔn)確、可靠的定位和夾緊系統(tǒng)，有效地防止和減輕焊接變形，減小制品的尺寸偏差，以自動(dòng)化設(shè)備代替手工勞動(dòng)，大大改善了工人的作業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)化焊接生產(chǎn)過程[2-4]。本文針對(duì)某項(xiàng)目焊裝夾具設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析，夾具布置如圖1所示，簡(jiǎn)述焊裝夾具的設(shè)計(jì)流程及基本原則。

3 焊裝夾具設(shè)計(jì)流程

3.1 焊裝夾具設(shè)計(jì)依據(jù)

設(shè)計(jì)依據(jù)是以客戶提供的產(chǎn)品三維模型、產(chǎn)品圖樣、產(chǎn)品技術(shù)要求和有關(guān)技術(shù)要求等輸入信息，在設(shè)計(jì)焊裝夾具之前，應(yīng)了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征、工藝需要等信息，并結(jié)合企業(yè)自身的加工制作水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。認(rèn)真分析用戶提供的產(chǎn)品圖樣，將各零部件的基準(zhǔn)定位信息記錄并標(biāo)記，如圖2所示，方便在后續(xù)設(shè)計(jì)中查閱。

3.2 設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作

在正式開始焊裝夾具設(shè)計(jì)之前，應(yīng)根據(jù)之前分析圖樣得到的信息，在產(chǎn)品三維模型上，將產(chǎn)品需要焊接的位置標(biāo)記焊縫位置分布，如圖3所示，以免在設(shè)計(jì)過程中丟漏焊縫，造成設(shè)計(jì)時(shí)間延誤；根據(jù)產(chǎn)品圖樣的定位信息，確定產(chǎn)品在焊裝夾具底板上的擺放位置，在滿足支撐定位的前提下，盡量使產(chǎn)品里夾具底板近一些，方便產(chǎn)品靠近夾具底板一側(cè)焊縫在變位機(jī)旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，機(jī)器人可以更好的焊接姿態(tài)進(jìn)行焊接；同時(shí)確定焊接所采用的焊槍型號(hào)，并要求提供焊槍的完整數(shù)模，將焊槍以合理的角度擺放至產(chǎn)品焊縫上，直觀的反應(yīng)焊接過程，一般每條焊縫放置兩把焊槍，位于焊縫兩端，焊槍布置應(yīng)與產(chǎn)品對(duì)接面有45°夾角，如圖4所示，與焊縫走向有75°夾角，如圖5所示。

圖1 焊裝夾具布置圖

圖2 產(chǎn)品圖樣基準(zhǔn)信息

圖3 繪制焊縫信息

圖4 焊槍擺放角度

圖5 焊槍擺放角度

3.3 產(chǎn)品的定位系統(tǒng)

產(chǎn)品的定位分為定位銷及定位面，其中，定位銷分為圓形定位銷和菱形定位銷，圓形定位銷作為主要定位基準(zhǔn)，菱形定位銷為防轉(zhuǎn)定位銷；定位面一般為支撐面，支撐面應(yīng)有對(duì)應(yīng)的壓緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓緊，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品焊裝作業(yè)中一直保持在確定的位置上。在產(chǎn)品定位過程中，應(yīng)注意以下常見問題，以免浪費(fèi)設(shè)計(jì)時(shí)間。

1）在零件與焊接總成基準(zhǔn)不一致時(shí)，通常按焊接總成基準(zhǔn)定位。

2）在零件單件基準(zhǔn)無法使用時(shí)，可以選擇總成中此件的功能性位置進(jìn)行定位。

3）支撐面一般選擇在零件的基準(zhǔn)面上，以保證不同批次產(chǎn)品定位基準(zhǔn)相同，產(chǎn)品焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

4）壓緊位置應(yīng)選擇在距離焊縫近且底部有支撐的位置，原則上無支撐不壓緊，在底部無支撐的情況下仍需要壓緊來固定零件，則可以采用彈簧壓頭和增加壓緊限位擋塊，以免壓緊導(dǎo)致零件變形，影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

5）壓緊機(jī)構(gòu)一般采用壓臂缸進(jìn)行壓緊，壓臂的打開角度是由裝件時(shí)夾具平臺(tái)的角度決定的，例如，夾具平臺(tái)人工裝件的角度為15°，則遠(yuǎn)離人側(cè)的壓臂缸打開角度需＞105°，以免壓臂在裝件過程中落下，影響裝件效率。

3.4 典型的定位機(jī)構(gòu)

在焊裝夾具的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量選擇已經(jīng)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的電網(wǎng)夾緊機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)的零部件，提高夾具的通用化、系列化程度，以提高焊接生產(chǎn)線的可維護(hù)性。以下介紹幾種此項(xiàng)目使用的典型機(jī)構(gòu)。

1）抽銷機(jī)構(gòu)，如圖6所示。當(dāng)產(chǎn)品孔的軸線方向與取件方向（一般為豎直方向）的夾角＞5°時(shí)，定位銷應(yīng)設(shè)計(jì)成活動(dòng)銷，在裝件之前由閥片控制氣缸帶動(dòng)定位銷伸出，裝件后完成焊接，在取件前有閥片控制氣缸實(shí)現(xiàn)定位銷的縮回，完成銷定位工作。此機(jī)構(gòu)可以根據(jù)產(chǎn)品孔的形式，對(duì)伸出銷進(jìn)行修改，廣泛應(yīng)用于焊裝夾具的銷孔定位機(jī)構(gòu)。

2）浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)，如圖7所示。在要求多點(diǎn)同時(shí)壓緊或曲面壓緊時(shí)，為了讓所有壓點(diǎn)都能有效壓緊，可選擇浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際情況，可以改變擺臂的形狀，通常擺臂回轉(zhuǎn)處間隙不能超過0.5mm，以保證良好的浮動(dòng)壓緊效果。

3）圓管支撐壓緊機(jī)構(gòu)，如圖8所示。在焊裝夾具的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常有圓柱類零件需要支撐壓緊，此機(jī)構(gòu)是底部V形塊+可調(diào)節(jié)支撐銷來進(jìn)行支撐，夾緊與之對(duì)應(yīng)，可調(diào)節(jié)性良好，提高圓柱類零件的定位準(zhǔn)確性。

4）U形支撐+彈簧壓緊機(jī)構(gòu)，如圖9所示。此機(jī)構(gòu)常用于方管的定位支撐，U形塊單側(cè)與方管一面接觸，方管另一面依靠彈簧壓緊機(jī)構(gòu)來定位，U形塊另一側(cè)起初導(dǎo)向作用，產(chǎn)品取出時(shí)需克服彈簧壓緊機(jī)構(gòu)與方管的摩擦力。常規(guī)的U形支撐兩側(cè)面都與方管表面接觸，發(fā)生焊接變形時(shí)，易導(dǎo)致工件無法取出，影響焊接生產(chǎn)。

圖6 抽銷機(jī)構(gòu)

圖7 浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)

圖8 圓管支撐壓緊機(jī)構(gòu)

圖9 U形支撐+彈簧壓緊機(jī)構(gòu)

采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)能大大地提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

3.5 夾具框架及氣路布置等相關(guān)附件

1）夾具框架是整個(gè)夾具的基石，它的強(qiáng)度及穩(wěn)定性影響著整個(gè)產(chǎn)品的定位準(zhǔn)確性和焊接質(zhì)量，夾具框架一般由矩形管焊接而成，夾具框架上焊接夾具底板，所有的夾具定位組立都連接在此板上，夾具底板在滿足強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡可能增大開口率，以達(dá)到減輕整體重量，使夾具在回轉(zhuǎn)過程中受到的慣性矩變小，延長(zhǎng)變位機(jī)等回轉(zhuǎn)元件的壽命。夾具底板的固定通常由4釘2銷定位固定，4釘四角分布，2銷對(duì)角線布置，在一些比較大型的夾具上，應(yīng)增加聯(lián)接螺釘數(shù)量，并在定位銷孔處增加耐磨套，以保證夾具底板的定位可靠性。

2）氣路管線布置依據(jù)各氣動(dòng)元件的工作位置及工作順序進(jìn)行分組，并分配電控閥進(jìn)行控制，通常一個(gè)電磁閥最多同時(shí)控制4個(gè)氣缸（40mm缸徑，行程＜50mm），使氣缸的動(dòng)作穩(wěn)定并快速響應(yīng)。

3）為了滿足焊裝夾具的安裝調(diào)試及安裝等要求，夾具底板上需增加用于夾具吊裝的吊裝孔，要求吊裝時(shí)，夾具整體趨于水平狀態(tài)；同時(shí)還有用于夾具定位調(diào)整的坐標(biāo)檢測(cè)孔，坐標(biāo)檢測(cè)孔一般采用3個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)孔，為了操作方便，有時(shí)也布置4個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)孔；布置傳感器接線端子箱及氣管走向，應(yīng)盡量避開焊縫區(qū)域，無法避開焊縫的管線應(yīng)做防燙、防飛濺處理，以免管線損壞。

4）完成工程圖樣、機(jī)電交流文件、氣路原理圖等相關(guān)文件的編寫和繪制，完成設(shè)計(jì)工作。

4 結(jié)束語

本文從項(xiàng)目輸入著手，按照常規(guī)的設(shè)計(jì)工作流程，完成焊裝夾具的設(shè)計(jì)，通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的焊裝夾具設(shè)計(jì)流程，能快速、高效、高質(zhì)量的完成夾具設(shè)計(jì)任務(wù)，減少不必要的冗余時(shí)間，對(duì)之后項(xiàng)目的焊裝夾具設(shè)計(jì)工作有借鑒和指導(dǎo)意義。