適用于小型扁平焊接件的快速裝夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉志偉， 王 軍， 羅冬初， 龍 清， 黃智成， 金世炫

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院， 廣東 東莞 523808； 2.廣東大族粵銘激光集團(tuán)股份有限公司， 廣東 東莞 523808）

0 引言

在珠三角地區(qū)輕工制造業(yè)發(fā)展迅速， 零部件的種類多種多樣，很多小型的零部件需要采用焊接的方式結(jié)合在一起的，如各種五金件、連接件的結(jié)合和外殼封裝等[1-2]，均需要用到焊接工藝。其中激光拼焊采用激光能源，將若干不同的材料進(jìn)行焊接拼合而形成一個(gè)整體板材、 零部件結(jié)構(gòu)等，以滿足不同零部件的要求。在交通運(yùn)輸裝備制造業(yè)、建筑業(yè)、橋梁、家電板材焊接生產(chǎn)、微機(jī)電產(chǎn)品的焊接等領(lǐng)域中被廣泛地使用[3]。

小型或微型的零件體積小，種類繁多，然而其焊接應(yīng)用范圍非常廣。對(duì)于有些企業(yè)來說，樣品的制作或小批量的生產(chǎn)可以采用虎鉗、快速夾頭等方式，但容易出現(xiàn)定位不準(zhǔn)、焊接過程變形等問題，其生產(chǎn)效率較低，品質(zhì)良率不高，且適用性較差。 采用自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)化夾具可以大大提升裝夾效率，然而對(duì)有些企業(yè)來說，完全采用自動(dòng)化控制設(shè)備來實(shí)現(xiàn)小型扁平焊接件涉及到的成本高，需要配備專門的技術(shù)人員[4-5]。 為提高生產(chǎn)效率和提高生產(chǎn)品質(zhì)的需要，設(shè)計(jì)方便操作、高效率的手動(dòng)裝夾方案適應(yīng)一部分企業(yè)的生產(chǎn)需要是非常有必要的。

本文為了解決小型扁平焊接件生產(chǎn)工藝瓶頸問題，在不采用自動(dòng)控制的情況下， 設(shè)計(jì)一套實(shí)用的快速裝夾方案，提升生產(chǎn)效率。 選取典型的金屬焊接件進(jìn)行開發(fā)研究，對(duì)其生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行評(píng)估，完成總體夾緊方案、定位機(jī)構(gòu)和夾緊方案設(shè)計(jì)。

1 需求與分析

某一企業(yè)要對(duì)某一零件進(jìn)行焊接加工， 如果采用虎鉗裝夾，需要找正、夾緊，效率比較低。 單個(gè)焊接件的焊接操作，一次只能焊接一對(duì)工件。 在大批量生產(chǎn)的焊接過程中，采用虎鉗裝夾生產(chǎn)效率滿足不了生產(chǎn)要求。 由于產(chǎn)量較大，為提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)需要針對(duì)該工藝設(shè)計(jì)出一套快速裝夾的焊接工裝。 要有一定的生產(chǎn)效率和操作便捷性，要方便工件的定位、裝夾和焊接操作，產(chǎn)品見圖1。 基本要求：①焊接工裝安裝在工作臺(tái)處；②完成圖中兩零件的焊接，焊縫均勻；③要求能提高焊接精度、提升生產(chǎn)效率、減少不良品。

圖1 焊接工藝要求

從焊接工藝特性可以知道， 操作時(shí)要先擺放好工件， 要適當(dāng)?shù)貖A緊工件， 因?yàn)楹附舆^程中可能會(huì)有一定的變形力影響到定位的穩(wěn)定。對(duì)焊接工藝過程分析，大致包含幾個(gè)過程：①擺放好兩個(gè)工件；②適當(dāng)夾緊工件；③實(shí)行工件的焊接；④松開夾緊；⑤取出工件。

2 總體方案設(shè)計(jì)

扁平焊接件的焊縫位于零件的上方， 不適宜用于定位和夾緊。 底部是比較規(guī)則的方形，中間有孔，可以充分利用該形狀特征來實(shí)現(xiàn)定位和夾緊部位。 本方案主要針對(duì)非自動(dòng)控制的裝夾過程的優(yōu)化， 為了提高夾緊的效率和降低成本，采用常見的偏心輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-3]。

針對(duì)大批量生產(chǎn)焊接工藝要求， 要盡可能地提升生產(chǎn)效率，本文采用一次裝夾操作完成多個(gè)零件裝夾操作，以減少裝夾準(zhǔn)備時(shí)間、裝夾時(shí)間和焊接工藝時(shí)間。大致過程如下：一次性將4 對(duì)焊接件放置定位槽中，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，通過連接螺釘帶動(dòng)壓板運(yùn)動(dòng)，手柄壓到位后，壓板壓緊焊接件，實(shí)現(xiàn)工件的壓緊，一次完成4 對(duì)焊接件的裝夾，以達(dá)到提升生產(chǎn)效率的目的。

2.1 定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定位設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮定位的準(zhǔn)確性和操作的方便性。 分析焊接件的結(jié)構(gòu)， 其底部是比較規(guī)則的平面體結(jié)構(gòu)，可以用于定位使用。 提高操作的便捷性，不使用中間的孔作為定位基準(zhǔn)。為提高生產(chǎn)效率，一次性完成多組工件的裝夾，焊接件排列后，讓焊縫處于一條直線，讓焊接工藝路線成一條直線，減少焊接轉(zhuǎn)換時(shí)間。本方案一次性完成四組焊接工件的快速加工， 根據(jù)焊接件的底部結(jié)構(gòu)和尺寸大小，設(shè)計(jì)了四組定位槽，定位底板結(jié)構(gòu)見圖2。夾具體和定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一體的結(jié)構(gòu)， 直接在夾具體上設(shè)計(jì)定位機(jī)構(gòu)，也可以根據(jù)加工工藝的需要把夾具體和定位元件進(jìn)行分割，分割成若干個(gè)便于加工的零部件。 根據(jù)后面夾緊機(jī)構(gòu)的安裝需要預(yù)留了夾緊機(jī)構(gòu)安裝的螺紋孔，螺紋孔可以根據(jù)夾緊機(jī)構(gòu)的需要進(jìn)行進(jìn)一步的修改。

圖2 定位底板設(shè)計(jì)

2.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)

總體定位方案和夾緊方案規(guī)劃， 要充分考慮夾緊裝置設(shè)計(jì)的完整性，完成力源機(jī)構(gòu)、中間傳力機(jī)構(gòu)和執(zhí)行元件各部分的設(shè)計(jì)，同時(shí)，還要結(jié)合前面設(shè)計(jì)的定位方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。四個(gè)焊接件的壓板形成一個(gè)整體，同時(shí)壓在焊接件的上表面， 見圖3。 為了提高夾緊的效率和降低成本，本設(shè)計(jì)采用了偏心輪夾緊方式。 該夾緊方式具有結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，偏心輪的夾緊方式已有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8011.1-1999，可以直接選用偏心輪的尺寸。 由于壓緊力作用在兩個(gè)夾緊點(diǎn)上， 壓緊力相當(dāng)于兩位的壓緊力， 增加了壓在工件上的壓緊力。 一邊壓板分別由兩個(gè)偏心輪帶動(dòng)兩塊壓板活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)壓緊動(dòng)作， 掰動(dòng)偏心輪的手柄，可以帶動(dòng)壓板同時(shí)壓在四個(gè)焊接工件上，大大提高了裝夾的效率和焊接的效率。

圖3 壓板夾緊示意圖

完成工件的定位固定之后， 轉(zhuǎn)動(dòng)連接在偏心輪圓周上的兩個(gè)手柄，帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于偏心輪的擠壓連接在另一端的壓板在彈簧力的作用下，實(shí)現(xiàn)工件的夾緊。相反，在松開工件時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，彈簧力隨之消失，壓板部分在滑槽上可以自由移開，工件沒有力的作用下，可以輕易地從定位槽上取出。

偏心夾緊機(jī)構(gòu)利用轉(zhuǎn)動(dòng)中心與幾何中心偏移的圓盤或軸作為夾緊元件。 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便夾緊迅速，操作靈活[1，3]。夾緊裝置的設(shè)計(jì)主要包含以下內(nèi)容：自鎖條件分析、偏心距的確定、夾緊行程的確定和夾緊力的分析等。

（1）自鎖條件分析。在原始夾緊力的作用下可以實(shí)現(xiàn)壓板對(duì)工件的夾緊，當(dāng)原始作用力取消后，需要對(duì)焊接件還是處于壓緊的狀態(tài)， 在設(shè)計(jì)偏心輪機(jī)構(gòu)的時(shí)候不但要求偏心輪有傳力作用。同時(shí)與要求其有一定的自鎖性，以確保在撤銷原始力后能維持夾緊狀態(tài)。 對(duì)偏心輪的偏心角分析，0°～90°，90°～180°兩個(gè)范圍之間，在夾緊角度的變化中，180°時(shí)偏心輪受到的轉(zhuǎn)動(dòng)力是最小的，這種狀態(tài)下其自鎖條件是最好的。由于彈簧的彈性作用，兩夾緊偏心輪之間的誤差可以進(jìn)行彌補(bǔ)，所以，可以選用偏心角為180°為夾緊的狀態(tài)[1，3]。

（2）偏心距e 的確定。偏心輪的幾何中心和旋轉(zhuǎn)中心的距離是影響偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)效果的距離。由于連接偏心輪和壓緊部分的螺栓高度是可調(diào)的，偏心距可以根據(jù)偏心輪直徑大小等標(biāo)準(zhǔn)來選擇的，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)JB/T8011.1-1999，根據(jù)偏心輪的直徑可以計(jì)算確定偏心輪的型號(hào)， 確定偏心輪的各個(gè)參數(shù)，同時(shí)可以確定偏心距e。 要確保夾緊時(shí)保持壓緊部分是水平的，在夾緊時(shí)偏心輪的中心高度可以確定，在偏心輪工作的距離出現(xiàn)小量偏差時(shí)可以調(diào)整與偏心輪相接觸的底部墊塊厚度，以達(dá)到更好的夾緊效果。

（3）夾緊行程s 的確定。 偏心輪的旋轉(zhuǎn)中心和底下接觸面之間的運(yùn)動(dòng)距離在一定范圍之內(nèi)，從最小值到最大值之間的距離是夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊距離，這個(gè)夾緊距離要控制在合理的范圍之內(nèi)，確保有效的夾緊過程。 如果過小會(huì)影響夾緊的效果，這一要求也是要在選取偏心輪時(shí)要注意偏心輪直徑和偏心距等參數(shù)的選取。兩個(gè)夾緊點(diǎn)是在同一水平上的，夾緊的外圓面是經(jīng)過了精加工，其誤差在公差范圍之內(nèi)，兩偏心輪之間的差距不大，彈簧的變形足于抵消這一誤差作用，因此，本設(shè)計(jì)采用最大夾緊行程為2e 。

（4）夾緊力分析。夾緊力設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，過大了會(huì)導(dǎo)致工件變形；過小會(huì)使夾緊不可靠。夾緊力的大小與確保穩(wěn)定定位、 可靠夾緊以及確定夾緊裝置的結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)。夾緊力應(yīng)適當(dāng)。如果夾緊力太小，則夾緊不牢固，在加工過程中，工件可能會(huì)移位并損壞定位。其結(jié)果可能會(huì)影響加工質(zhì)量，或?qū)е鹿ぜ?bào)廢，甚至發(fā)生安全事故。 夾緊力過大會(huì)使工件變形，不利于加工質(zhì)量。本文先建立夾緊力、切削力和重力組成的平衡力系，求出理論夾緊力，然后乘以2～3 倍的安全系數(shù)得出所需要夾緊力。 由于夾緊力是由調(diào)節(jié)彈簧的變形壓緊力來實(shí)現(xiàn)的，彈簧力的大小由彈簧自身的彈性系數(shù)和截面大小決定，夾緊力的大小可以在實(shí)際應(yīng)用過程更換彈簧力來調(diào)試夾具，同時(shí)，還可以通過調(diào)節(jié)螺母的位置來改變實(shí)現(xiàn)微調(diào)彈簧力的作用。

這里采用估算法確定夾緊力的大小，為簡化計(jì)算，將夾具和工件看成一個(gè)剛性系統(tǒng)。根據(jù)工件所受切削力、夾緊力（大型工件應(yīng)考慮重力、慣性力等）的作用情況，找出加工過程中對(duì)夾緊最不利的狀態(tài)，按靜力平衡原理計(jì)算出理論夾緊力，最后再乘以安全系數(shù)作為實(shí)際所需夾緊力，即Fwk= KFw，其中Fwk表示實(shí)際所需夾緊力（N）；Fw表示在一定條件下，由靜力平衡算出的理論夾緊力（N）；K 為安全系數(shù)，由于焊接變形力不大，所以取K＝1.5～2。 夾緊力三要素的確定，實(shí)際是一個(gè)綜合性問題。必須全面考慮工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、 工藝方法、 定位元件的結(jié)構(gòu)和布置等多種因素，才能最后確定并具體設(shè)計(jì)出較為理想的夾緊裝置。

2.3 夾具的總圖

將夾具體、定位機(jī)構(gòu)和夾緊裝置組裝后，完成整套夾具的裝配，見圖4。 整套夾具主要由夾具體、壓板、連接螺釘、連接桿、手柄、編心輪、預(yù)緊彈簧等機(jī)構(gòu)組成。 其中定位元件直接安裝在夾具體上， 把定位元件和夾具體設(shè)計(jì)成一體， 也可以根據(jù)加工工藝的需要把夾具體和定位元件進(jìn)行分割，分割成若干個(gè)便于加工的零部件。

圖4 裝配圖

適用于扁平焊接件的快速裝夾裝置中，連接桿與連接螺釘相連，連接螺釘與壓板相連，整個(gè)壓板壓在排列放置的焊接工件上，同時(shí)壓住4 組焊接件的上平面。 焊接工藝過程： 旋轉(zhuǎn)偏心輪手柄，使夾緊機(jī)構(gòu)處于松開狀態(tài)，將4 組焊接件擺放平整，放進(jìn)定位槽內(nèi)，讓焊接件上的焊縫排成一條直線。然后分別轉(zhuǎn)動(dòng)2 組偏心輪手柄，通過連接桿帶動(dòng)壓板的活動(dòng)，讓整個(gè)壓板壓在工件的上表面上。 通過偏心輪的自鎖性來實(shí)現(xiàn)焊接件的夾緊狀態(tài)。完成焊接后，再轉(zhuǎn)動(dòng)2 組偏心輪的手柄， 通過連接桿帶動(dòng)作用松開壓板， 焊接件處于松開狀態(tài)，此時(shí)可以取出工件，再進(jìn)入下一個(gè)工藝過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

把設(shè)計(jì)好的夾緊方案在焊接工藝上試驗(yàn)，與虎鉗裝夾方案進(jìn)行比較，對(duì)找正工時(shí)、夾緊工時(shí)、松開和取件工時(shí)、一個(gè)周期工時(shí)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到結(jié)果見表1。 經(jīng)比較，一個(gè)周期工時(shí)， 虎鉗裝夾共需要55s， 采用本方案僅需要11s；由于本方案一次完成4 對(duì)焊接件的裝夾，得到每分鐘完成裝夾數(shù)，采用虎鉗裝夾方案可完成1.09pcs/min，而采有本方案可達(dá)到21.8pcs/min，大大提升了生產(chǎn)效率。

表1 優(yōu)化前后裝夾效率對(duì)比

4 結(jié)束語

通過對(duì)影響定位精度要素分析， 針對(duì)扁平焊接零件焊接過程中的裝夾工藝進(jìn)行改進(jìn)， 設(shè)計(jì)一套實(shí)用的非自動(dòng)控制的快速裝夾方案， 一次操作可以完成4 組焊接件的裝夾， 可以根據(jù)實(shí)際情況增加組數(shù)。 通過對(duì)比試驗(yàn)證明，本夾緊方案可以提高生產(chǎn)效率，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，也為相似零件的裝夾方案設(shè)計(jì)提供參考。