裝載機側(cè)圍總成機器人焊接夾具的設(shè)計*

岑升波

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616）

裝載機是工程建設(shè)中的主要機械，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、礦山、港口和建筑等項目建設(shè)中[1]，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，國家對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不斷加大，市場對裝載機的需求量也不斷增加。焊接技術(shù)是裝載機生產(chǎn)的最重要技術(shù)之一[2]，其中焊接夾具不僅是保證裝載機焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素[3-5]，還能提高生產(chǎn)的自動化程度和產(chǎn)品的焊接效率[6-7]，并能較好地控制焊接變形[8-9]。

裝載機駕駛室為駕駛員提供了安全可靠的駕乘空間，能在發(fā)生意外時發(fā)生塑性變形，充分吸收撞擊的能量，從而降低駕駛員受到的傷害[10-11]，而側(cè)圍作為裝載機駕駛室的重要組成部分，其焊接質(zhì)量的好壞直接影響到司乘人員的安全。側(cè)圍在生產(chǎn)過程中基本都是依靠工人手動定位、焊接，工序煩瑣，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，同時焊接人員的工作空間有限、生產(chǎn)環(huán)境差。為改變現(xiàn)狀，課題組應(yīng)企業(yè)需求，針對裝載機側(cè)圍總成的焊接工藝設(shè)計一種方便上下料、可實現(xiàn)快速定位和裝夾的夾具，同時能夠克服焊接變形，保證產(chǎn)品的尺寸精度，為企業(yè)機器人自動化焊接生產(chǎn)提供強有力的輔助，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善工人工作環(huán)境，降低人力成本。

1 裝載機側(cè)圍總成結(jié)構(gòu)分析和焊接夾具設(shè)計要求

1.1 側(cè)圍總成結(jié)構(gòu)特點

裝載機側(cè)圍總成的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其組成的零件較多，一共由19個零部件焊接而成，總焊縫長度達到3 711 mm，為保證焊接精度，所有零件均需要六點定位，在對定位元件的布置位置和尺寸有嚴(yán)格要求的同時，還要保證空間上不能干涉，造成夾具定位復(fù)雜。側(cè)圍的零件處于不同空間位置，特別是后側(cè)圍焊合總成，該部件與框架是傾斜連接固定的，為保證每個零件能可靠裝夾，對夾緊元件在空間上的布置也有一定的要求。

圖1 裝載機側(cè)圍總成的結(jié)構(gòu)

1.2 側(cè)圍總成焊接夾具設(shè)計要求

根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)使用要求，側(cè)圍總成的焊接夾具應(yīng)滿足以下工作要求：

1）焊接夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)適應(yīng)人體工程要求，充分考慮焊接操作的方便與安全可靠，并注意要有較好的開敞性，考慮焊槍的可焊空間，符合側(cè)圍的生產(chǎn)工藝要求，確保焊槍的最佳焊接姿態(tài)。

2）焊接夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須保證操作者順利放件和取件，運動部位靈活，無卡滯現(xiàn)象，操作過程中不與夾具干涉。

3）焊接夾具定位可靠（準(zhǔn)確、穩(wěn)定），重復(fù)定位精度小于0.1 mm；夾緊牢靠（壓緊狀態(tài)組件不松動、不偏移、無壓痕或變形），應(yīng)盡可能采用孔定位和外形面定位，定位部位盡量不選外形復(fù)雜的曲面，基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)孔選擇時一定要按照圖紙規(guī)定，保證沖壓件、焊接夾具、焊接檢具基準(zhǔn)上的統(tǒng)一，上下工序間必須采用統(tǒng)一定位基準(zhǔn)以減小基準(zhǔn)不統(tǒng)一引起的誤差。

4）焊接夾具設(shè)計時應(yīng)該考慮互換性和適應(yīng)柔性生產(chǎn)，元件的選擇應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，且定位塊應(yīng)在主要的定位方向具有可調(diào)性，并考慮易磨損件的拆換方便，以便于焊接夾具修理。

5）焊接夾具應(yīng)具有快速定位和夾緊功能，提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)節(jié)拍≥5JPH。

2 焊接夾具設(shè)計

2.1 焊槍姿態(tài)模擬

為保證焊槍的可焊空間，在設(shè)計焊接夾具之前，先建立焊槍模型，模擬焊槍在焊接時的狀態(tài)，保證焊槍能順利通過所有的焊縫，同時保證焊槍的電極帽中心垂直于工作表面且通過焊縫中心。在保證焊槍與工件無干涉的條件下，對側(cè)圍總成的焊接夾具進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2 支撐和定位元件設(shè)計

焊接夾具中最重要的部分就是支撐和定位元件，它是保證焊接工件在夾具中獲得正確裝配位置的關(guān)鍵部件。針對側(cè)圍總成的結(jié)構(gòu)特點，采用六點定位原理進行夾具設(shè)計，約束側(cè)圍總成的剛性運動，抑制焊件的熱變形。由于側(cè)圍總成的尺寸較大，必須通過吊裝完成，為避免夾緊元件和定位元件在吊裝線路上與焊件發(fā)生干涉，吊裝前需將夾緊元件與定位元件移開。為提高工件的裝夾效率，夾緊元件和定位元件均采用氣動方式驅(qū)動，定位方式采用可移動式定位銷和定位塊相組合，定位塊主要布置在側(cè)圍框架以及后側(cè)圍焊合總成下方，起到支撐和定位作用。由于側(cè)圍總成在焊接的過程中，不可避免地產(chǎn)生一定的裝配誤差，將支撐機構(gòu)設(shè)計為可調(diào)支撐模式，可以提高夾具的裝配精度。定位銷布置在側(cè)圍總成的前立柱焊合件、上縱梁焊合件兩側(cè)，采用氣缸驅(qū)動完成焊件四個角的定位。在裝夾時需保證所有定位銷有效部分均進入零件定位孔內(nèi)，所有定位面均與零件貼合，以此提高重復(fù)定位精度。

支撐塊和定位元件采用的材料為T10A鋼，考慮到支撐塊和定位元件與側(cè)圍總成接觸容易發(fā)生磨損而失去作用，該部分定位元件增加表面淬火處理工藝，提高其耐磨性能，保證其使用壽命，并能夠有效防止焊接飛濺的黏附。同時定位塊和支撐塊不允許采用焊接的方式連接，應(yīng)采用螺釘緊固、銷釘定位的連接方式，方便損壞件拆換，有利于焊接夾具的維修。

2.3 夾緊機構(gòu)的設(shè)計

夾緊機構(gòu)的作用是對焊接工件施加一定夾緊力，約束工件的自由度，保證焊接后工件尺寸精度合格。夾緊機構(gòu)一般與支撐機構(gòu)是成組出現(xiàn)的，共同固定在底座基板上。本設(shè)計采用氣動夾緊，共采用12個夾緊器和12個氣缸，能夠?qū)⒀b載機的側(cè)圍總成牢牢地固定在焊接夾具上。夾緊架構(gòu)由夾緊臂和3塊壓塊組成，夾緊機構(gòu)采用T10A鋼，使用內(nèi)六角螺栓將其與定位塊連接，可以用來調(diào)整夾緊臂的工作范圍。由于焊接零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為準(zhǔn)確固定住傾斜姿態(tài)的零件，根據(jù)零件的外輪廓，設(shè)計出相對應(yīng)的壓緊塊，如圖2所示。

圖2 夾緊機構(gòu)

2.4 可調(diào)整支座設(shè)計

支撐機構(gòu)、定位元件和夾緊機構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)了側(cè)圍焊接時所需的定位精度，同時也保證了焊槍以最佳姿態(tài)焊接所需的工作空間。但為了更好地滿足企業(yè)柔性生產(chǎn)的需求，提高焊接夾具零配件的利用率，將夾具設(shè)計為可調(diào)整式支座，采用L型支座，中間焊接了加強筋提高支座的強度和穩(wěn)定性，支座安裝了可調(diào)整連接板，實現(xiàn)夾具高度上的調(diào)整?？烧{(diào)整支座的結(jié)構(gòu)簡單，方便加工和焊接，調(diào)整方便靈活，也滿足了企業(yè)輕量化的要求。

2.5 氣缸的選擇

根據(jù)設(shè)計需要，選擇雙作用單活塞氣缸，并利用杠桿原理進行夾緊。由于側(cè)圍總成各拼接零件厚度是不一樣的，所以所需的夾緊力也有區(qū)別，壓力過小將會失去夾緊作用，壓力過大的則會造成約束力過大導(dǎo)致焊縫開裂。側(cè)圍框架部分的材料較厚為2 mm，所需的夾緊力大約為500 N，而側(cè)圍內(nèi)側(cè)的封邊和門框板較薄為1 mm，所需的夾緊力大約為300 N。此時，框架處的杠桿比為2.5，薄板處的杠桿比為4.5。氣缸直徑D為：

其中，γ為杠桿比，F(xiàn)為夾緊力，p為壓縮氣體0.6 MPa，η為氣缸的效率，取0.8。將以上參數(shù)代入公式，側(cè)圍框架部分計算結(jié)果為D1＝57.60 mm，而側(cè)圍薄板部分計算結(jié)果為D2＝59.86 mm。經(jīng)查氣缸標(biāo)準(zhǔn)表可得，缸徑應(yīng)大于計算值，所以氣缸缸徑D＝63 mm，活塞桿直徑為20 mm，選擇的型號為亞德客MCKA63-75Y氣缸。實際氣缸的輸出為1 869.40 N，框架部分實際夾緊力為598.21 N，薄板部分實際夾緊力為332.34 N。氣缸為垂直輸出，選擇雙鉸耳垂直安裝，側(cè)圍總成的焊接夾具整體效果如圖3所示。

圖3 側(cè)圍總成焊接夾具

3 總結(jié)

1）根據(jù)裝載機側(cè)圍總成的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了適用于焊接機器人的氣動夾具，定位夾緊迅速穩(wěn)定可靠，使側(cè)圍各部件獲得準(zhǔn)確的位置和可靠的夾緊，操作靈活簡便，能夠大幅度減小側(cè)圍的焊后變形量。

2）經(jīng)過生產(chǎn)實踐，在相同的生產(chǎn)節(jié)拍中，采用機器人輔以本套焊接夾具，可以大幅度降低人力成本并改善勞動環(huán)境[12-15]。原本需要5名熟練工人流水線式焊接生產(chǎn)，現(xiàn)在只需要2名工人，負(fù)責(zé)上下件及電阻補焊工作，而且氣動夾具的裝夾效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，在裝載機側(cè)圍總成的自動化焊接領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。