橋殼焊接翻轉自定心夾具設計

劉艷萍，林方軍，劉均偉，王震震

1.煙臺科技學院智能工程學院 山東煙臺 265600

2.山東蓬翔汽車有限公司研發(fā)中心 山東煙臺 265600

驅動橋屬于汽車傳動系統(tǒng)的末端零件，其中橋殼是汽車主要的承載件和傳力件，是主減速、差速和半軸等的裝配基體[1]。驅動輪傳來的力矩、制動力和反作用力等[2]，對橋殼質量及一致性均提出較高的要求。同時為了降低制造成本，提高生產(chǎn)效率以及適應自動化生產(chǎn)線的布局，設計一款橋殼加工工序集約化、自動定心及翻轉的夾具，適用于搬運機器人自動上下料和機器手自動焊接。

橋殼加工夾具現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的橋殼附件焊接，采用人工吊裝橋殼放置夾具上，夾具定位采用V形塊和定位銷孔插銷，手動夾緊及氣動夾緊配合。不同的焊接部分，采用多道工序多個夾具，重復裝夾、手動夾緊，傳統(tǒng)的定位夾緊方式很難保證產(chǎn)品質量的一致性，生產(chǎn)效率低，不同型號產(chǎn)品切換調整夾具時間較長，且工人勞動強度大?，F(xiàn)有夾具如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有夾具

改進的夾具方案設計

應國內某橋殼生產(chǎn)企業(yè)需求，為適應驅動橋殼柔性焊接生產(chǎn)線要求，設計橋殼附件焊接夾具，夾具方案結構如圖2所示。搬運機器人讀取橋殼信息并夾持，同時工控中心將橋殼信息發(fā)送給指定夾具，夾具根據(jù)產(chǎn)品型號進行自適性調整。夾持橋殼放置在位置1處，利用彈簧緩沖支撐板接收橋殼；橋殼軸頭落至2處，利用V形塊實現(xiàn)前后對中；夾具1處根據(jù)橋殼內止口實現(xiàn)自定心；夾具2處進行氣動夾緊。橋殼定位夾緊后，利用3處公轉翻轉機構轉至二工位，橋殼在焊接機械手和自轉翻轉機構的配合下，對附件進行自動變位焊接。二工位焊接的同時，一工位進行上下料，減少了上下料的時間，提高了生產(chǎn)效率。

圖2 新設計的夾具方案結構

翻轉自定心夾具結構設計

1.緩沖支撐結構

緩沖支撐結構如圖3所示。翻轉支撐板上安裝4根導桿，導桿上套有受壓彈簧，導桿上端固定緩沖支撐板，搬運機器人夾持橋殼首先放置在緩沖支撐板上，橋殼在自重的作用下，橋殼軸頭緩落至兩端的V形塊處，降低了對精加工軸頭的磕碰。

圖3 緩沖支撐結構

2.Y、Z軸定位結構

為保證橋殼附件焊接的正確位置，應保證橋殼在焊接翻轉夾具上的精確定位。夾具兩端定位V形塊根據(jù)工控中心傳遞信息，適時調整軸向間距，適應不同型號橋殼。在緩沖裝置的接送下，橋殼軸頭落至兩端V形塊處，限制了橋殼Y、Z軸的四個自由度。Y、Z軸定位部分坐標系結構如圖4所示。

圖4 夾具Y、Z軸定位結構

3.自定心結構

夾具自定心部分結構如圖5所示。橋殼軸頭落至兩端V形塊處，中控中心發(fā)出指令給前端PLC控制系統(tǒng)，在PLC控制系統(tǒng)發(fā)出信號后，電動機開始工作，撐漲夾具在運行過程中電動機的主軸與撐漲鉸鏈相連，進而帶動同步鉸鏈旋轉，同步鉸鏈與滑塊連接，此時滑塊在同步鉸鏈的帶動下，沿著直線導軌左右移動，實現(xiàn)撐漲卡爪對橋殼減速內止口撐漲，限制橋殼X軸方向自由度。

4.夾緊結構

橋殼在兩端V形塊和中間自定心裝置精確定位后，進行夾緊，夾緊結構部分如圖6所示。放置橋殼之前，杠桿氣缸回縮并拉動壓板和上壓塊向外張開，橋殼Y、Z軸V形塊定位后，氣缸伸出，上壓塊接觸橋殼軸頭后，氣缸停止動作，此為副夾緊。氣缸停止動作后，杠桿氣缸開始伸出，帶動杠桿壓塊壓緊壓板，此為主壓緊。通過主副壓緊，實現(xiàn)了對橋殼的夾緊固定，并限制了X軸的轉動。

5.翻轉結構

在橋殼附件焊接過程中，為實現(xiàn)一工位上下料、二工位焊接的同步過程，對夾具設置了公轉電動機。搬運機器人把橋殼放置一工位定位夾緊后，支架通過兩端軸和聯(lián)軸器與公轉電動機連接，橋殼在公轉電動機帶動從一工位轉至二工位。橋殼在二工位通過支撐板兩端軸和聯(lián)軸器與自轉電動機連接，自轉電動機帶動橋殼自轉配合焊接機器人，實現(xiàn)橋殼附件的多方位焊接。翻轉部分結構如圖7所示。

圖7 翻轉部分結構

由于夾具公轉、自轉時轉速一般，轉矩較大，聯(lián)軸器選擇時要考慮到大距離的軸線偏移，所以該處選擇承受能力高、具備較大軸線偏移補償?shù)膭傂钥梢苿勇?lián)軸器。

6.電動機選擇

（1）公轉電動機選擇 根據(jù)企業(yè)工作使用條件和生產(chǎn)節(jié)拍，電動機轉數(shù)N初設為1500r/min。

負載力：電動機承載橋殼、支架和支撐板的重量，負載力

轉矩：由于工作過程中不需要調速，起動性能要求不高，但須有高起動轉矩，所需轉矩

式中R——旋轉軸直徑，單位為mm；

K——安全系數(shù)，K＝3。

輸出功率：

電動機選擇根據(jù)需求分析和所需轉速及功率，公轉電動機選為三相異步電動機，型號為Y315L2-4。

（2）自轉電動機選擇 根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍，電動機轉數(shù)N初設為1000r/min。

負載力（電動機承載橋殼及支撐板的重量）：

根據(jù)轉速和功率，自轉電動機選用三相異步電動機，型號Y280M-6。

夾具設計要點

1.上下料聯(lián)動、柔性機制

焊接空位發(fā)出指令，搬運機器人通過二維碼掃描，確認橋殼型號，自動調整夾具抓取工件，運送到焊接空位。焊接空位通過搬運機器人二維碼掃描裝置通信，焊接夾具及自定心夾具自適應調整位置，適應不同橋殼型號。

二工位橋殼焊接完畢，通過公轉電動機翻轉至一工位。搬運機器人收到焊接工位完畢的信號，將工件抓取到下料傳送帶。焊接空位再次發(fā)出信號，實現(xiàn)聯(lián)動即柔性機制。

自定心翻轉夾具采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點，無論是進行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現(xiàn)?？梢愿鶕?jù)動作順序修改程序，提升了產(chǎn)品質量及一致性，降低了生產(chǎn)節(jié)拍。

2.緩沖裝置

上料過程中，防止對橋殼精加工部位造成破壞，采用彈簧支撐板結構。

3.防撞及自定心裝置

搬運機器人夾持工件到焊接空位時，自定心夾具結構根據(jù)總控臺指令調整撐漲卡爪位置，為防止與橋殼產(chǎn)生碰撞，在兩側撐漲卡爪上均設檢測開關，防止橋殼偏置產(chǎn)生磕碰。自定心夾具結構動力部分采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現(xiàn)過載保護，便于自動控制。

4.自動變位焊接

焊接夾具采用雙工位，兩工位之間用隔光板隔開，可以實現(xiàn)兩工位同時工作，提高了生產(chǎn)效率。焊接工位支撐板和橋殼一起自轉，配合懸掛焊接機器人實現(xiàn)自動變位焊接，實現(xiàn)工序集約化。夾具三維整體效果如圖8所示。

圖8 夾具三維整體效果

結語

針對國內某企業(yè)橋殼焊接過程中多次裝夾、定位精度差及夾緊力不穩(wěn)定等問題，對夾具結構進行優(yōu)化設計，通過工控中心發(fā)送命令，實現(xiàn)自動上下料、自動夾緊、自動翻轉及自動焊接，雙工位夾具設計，提高了生產(chǎn)效率，確保了產(chǎn)品質量的一致性，并適應于自動化柔性化的橋殼生產(chǎn)線。該夾具的設計思路，也為其他產(chǎn)品的加工提供了借鑒，具有一定的實際指導意義。