斗車自動(dòng)焊接工裝夾具設(shè)計(jì)

李益洋 李娜 徐建 張林海 馮慶東 熊運(yùn)昌

摘要：車斗焊接時(shí)因人工焊接勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，自動(dòng)焊接又因焊接原料不平整難于定位、焊接變形等問題使得焊接技術(shù)要求較高，應(yīng)工廠要求，針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)一種雙工位自動(dòng)夾緊及讓位卸料的自動(dòng)焊接工裝夾具，它包括側(cè)板壓緊模塊、定位及吸附模塊、快速卸料模塊和底板側(cè)邊壓緊模塊等。相較于人工焊接有了更精準(zhǔn)的定位、性能平穩(wěn)可靠、設(shè)備結(jié)構(gòu)容易更換、效率高，每個(gè)斗車焊接僅需3.5分鐘，在斗車自動(dòng)化焊接夾具領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：斗車;焊接夾具;快速卸料;人工焊接;自動(dòng)化焊接

中圖分類號(hào)：S225.91+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0080-03

0? 引言

斗車在建筑工程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等生活中應(yīng)用極為廣泛，市場(chǎng)需求量很大。其生產(chǎn)工藝有焊接、鉚接、拉深成型三種[1-3]。

焊接成品強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，市場(chǎng)50%以上使用此工藝生產(chǎn)，但效率低且技術(shù)較高;鉚接加工方便，成本低，但產(chǎn)品強(qiáng)度低、承載載荷較小、壽命短;拉深成型斗車效率高，但受限于拉深加工工藝、深度較淺、壁厚不均等，適用于小型斗車[4]。對(duì)于載重較大的斗車來說，焊接占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)工藝為下料后焊接，因生產(chǎn)需要的精度要求較低，工人加工時(shí)基本沒有夾具，由全手工組對(duì)焊接，靠多次敲擊定位，其焊接時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率較低，且對(duì)工人焊接技術(shù)要求較高，特別是底板折彎件需要外力進(jìn)行調(diào)整，對(duì)零件傷害較大，另外焊接時(shí)的強(qiáng)光及產(chǎn)生的氣體對(duì)人體有較大傷害[5]。

應(yīng)企業(yè)需求，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定裝夾定位，并能夠克服焊接熱變形不便卸料的夾具，以方便機(jī)器人自動(dòng)化焊接加工。同時(shí)單個(gè)車斗整體焊接加工時(shí)間控制在5分鐘以內(nèi)，焊縫外觀順實(shí)，盡量減少人力勞動(dòng)，并同時(shí)提高生產(chǎn)效率。

1? 斗車自動(dòng)焊接工裝夾具方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)焊接方案設(shè)計(jì)，考慮裝夾與卸料時(shí)間，為提高機(jī)器人工作效率，采用雙工位;采用壓縮空氣為動(dòng)力來源;考慮焊接熱變形采用內(nèi)腔移動(dòng)定位[6]。

1.1 斗車和定位框架尺寸的確定

根據(jù)工廠項(xiàng)目要求，車斗需要三塊鋼板拼接焊成，其中側(cè)板兩塊，底板一塊，斗車模型如圖1所示，焊接斗車的原材料裁切鋼板和折彎鋼板材料為冷軋鋼帶，厚度為1.8mm，側(cè)板質(zhì)量3.13kg，底板質(zhì)量8.69kg，焊接時(shí)由于是薄板焊接，所以不留焊縫，但是側(cè)板比底板高出1mm，方便進(jìn)行角焊接。根據(jù)斗車設(shè)計(jì)出定位框架尺寸與焊接完成的斗車內(nèi)壁尺寸一致。

1.2 斗車和定位框架尺寸的確定總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)斗車產(chǎn)品及焊接原板材要求，設(shè)計(jì)斗車自動(dòng)焊接工裝夾具總體方案如圖2所示[7]。

夾具工作時(shí)，現(xiàn)由人工進(jìn)行上料，首先放入固定側(cè)板，如圖2側(cè)板壓緊模塊，觸動(dòng)接觸開關(guān)，控制側(cè)邊壓緊氣缸壓緊，其壓緊方向由導(dǎo)柱進(jìn)行導(dǎo)向，以固定側(cè)為定位，完成固定側(cè)板定位與裝夾。而后底板上料，放置于底板定位框上，側(cè)邊方向由已完成裝夾的固定側(cè)板定位，同時(shí)由直角邊、斜邊兩個(gè)夾緊氣缸帶動(dòng)壓板、旋轉(zhuǎn)銷等零件先進(jìn)行夾緊，且由真空吸盤吸緊中間面，完成底板定位和裝夾?；顒?dòng)側(cè)板上料，定位由夾緊氣缸壓緊卸料氣缸，會(huì)將活動(dòng)側(cè)板壓到設(shè)計(jì)位置完成定位并加緊。全部完成裝夾，進(jìn)行焊接。卸料時(shí)，活動(dòng)側(cè)邊壓緊氣缸、底板斜邊夾緊氣缸、真空吸盤、底板直角邊夾緊氣缸、固定側(cè)邊壓緊氣缸依次松開回復(fù)原位，最后快速卸料模塊的兩個(gè)氣缸同步帶動(dòng)活動(dòng)定位板回縮，使焊接完成的斗車與夾具之間產(chǎn)生縫隙，取下焊接完成的斗車進(jìn)行下次的裝夾與焊接。

為提高效率以及焊接機(jī)器人的利用率，設(shè)計(jì)兩個(gè)工位交替進(jìn)行裝夾和焊接，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

2? 各氣缸及真空吸盤的確定

2.1 各氣缸推力以及真空吸盤吸力的確定[8]

2.1.1 側(cè)板和底板壓緊力計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)的表1各種夾緊方式下夾緊力的估算公式得出。工件以兩平面定位，側(cè)向夾緊，所需夾緊力為：

式中：K-安全系數(shù)，一般取K=1.5～3，粗加工取大值，精加工取小值，由于本設(shè)計(jì)用于焊接，工件受力較小，故取K=2;

f-摩擦系數(shù)，由表1查得，取f=0.15。

可得，本課題所設(shè)計(jì)的側(cè)板所需壓緊力大?。?/p>

因側(cè)板原料不平整，故需加大側(cè)板壓緊力，取FS1=2000N。底板兩折彎邊兩個(gè)氣缸共同壓緊，則所需壓緊力略小，取FS2=1000N。兩個(gè)卸料三軸氣缸合力略小于側(cè)板壓緊氣缸，以100N進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 真空吸盤吸力的確定

通過對(duì)底板兩側(cè)邊壓緊力的確定，對(duì)底板進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

其中：

F1、F2分別為斗車底板直角邊和斜邊的壓緊力，F(xiàn)1=F2=FS2=1000N;

Ff-摩擦力，摩擦系數(shù)由表1可得，取f=0.15。

列出底板水平方向受力等式：

可得，本課題所設(shè)計(jì)的底板所需真空吸盤吸力的大小：

FS=1867.34N，取FS=2000N

2.2 各氣缸推力以及真空吸盤吸力的確定

2.2.1 氣缸的選型

①氣缸缸徑的確定D。

式中：

F1-活塞桿的推力（N）;p-氣缸的工作壓力（MPa），取p=0.6MPa;η-載荷率。

若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高，且工作頻率高，其載荷率一般取η=0.3～0.5，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值;若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取η=0.7～0.85，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)取η=0.8，可得：

側(cè)板夾緊氣缸缸徑：D1≈72.84mm;

經(jīng)查氣缸系列可得;缸徑應(yīng)大于D1，取D1=80mm;

底板側(cè)邊夾緊氣缸缸徑：D2≈51.50mm;

經(jīng)查氣缸系列可得;缸徑應(yīng)大于D2，取D2=63mm;

卸料三軸氣缸缸徑：D3≈51.50mm;

經(jīng)查氣缸系列可得;缸徑應(yīng)小于D3，取D3=50mm。

②氣缸行程的確定L。

為使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，氣缸行程選用應(yīng)比所需行程多出10～15mm，可得：

側(cè)板夾緊氣缸行程，L1≈25mm;

底板直角邊夾緊氣缸行程，90～180°;

底板斜邊夾緊氣缸行程，45～135°;

卸料三軸氣缸行程，L3≈25mm。

③氣缸型號(hào)的確定。

根據(jù)使用要求，選擇不同型號(hào)的氣缸，并通過以上計(jì)算，最終確定氣缸型號(hào)。

側(cè)板壓緊無特殊要求，選用亞德客JSI系列標(biāo)準(zhǔn)系列氣缸，底板側(cè)邊需要旋轉(zhuǎn)壓緊，符合要求的氣缸有亞德客系列的強(qiáng)力焊接夾緊氣缸，快速卸料模塊的氣缸需要承載較大的徑向載荷，所以選用亞德客系列三軸氣缸，具體型號(hào)如表2。

2.2.2 真空吸盤的選型

①真空吸盤選型計(jì)算。

式中：D-吸盤直徑（mm）;W-吸盤吸力（N）;t-安全系數(shù)，水平吊，t？叟4;垂直吊，t？叟8，取t=6;n-吸盤個(gè)數(shù)，n=5;p-吸盤內(nèi)的真空度（MPa），取p=0.6。

可得：D？叟71.36mm

根據(jù)使用要求，選用SMC系列真空吸盤，具體型號(hào)為ZPT100HN-A16。

②真空吸盤其它配件選型。

根據(jù)使用條件，確定真空吸盤回路圖和其系統(tǒng)特性， 真空吸盤及其他配件選型具體型號(hào)見表3。

3? 導(dǎo)柱與導(dǎo)套設(shè)計(jì)

如圖4是導(dǎo)柱、導(dǎo)套的二維圖。材料使用45鋼，熱處理淬火加高溫回火，硬度45HRC，兩端對(duì)稱。其中間段與導(dǎo)套間隙配合，兩端由框架進(jìn)行支撐。裝配時(shí)導(dǎo)套裝在柱銷固定板上，然后在與導(dǎo)柱進(jìn)行裝配，柱銷固定板可沿導(dǎo)柱自由滑動(dòng)。

4? 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種雙工位自動(dòng)夾緊及讓位卸料的自動(dòng)焊接工裝夾具，它包括側(cè)板壓緊模塊、定位及吸附模塊、快速卸料模塊和底板側(cè)邊壓緊模塊等。實(shí)際設(shè)備如圖5所示。

經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，裝夾生產(chǎn)每個(gè)斗車時(shí)間是3.5分鐘，相較于人工的14分鐘每個(gè)，大大提高了效率;且有了更精準(zhǔn)的定位、性能平穩(wěn)可靠、設(shè)備結(jié)構(gòu)容易更換、效率高，焊接平順、質(zhì)量好，在斗車自動(dòng)化焊接夾具領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

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