施工升降機吊籠骨架高精度自動化組裝焊接工裝設(shè)計*

王曉凱 呂英波 路來驍 陳慶強 王仁超

1 山東建筑大學(xué)機電工程學(xué)院 濟南 250101 2 大漢科技股份有限公司 濟南 250200

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，高層建筑、橋梁等工程項目逐年增加，且施工難度越來越高，急需更高質(zhì)量的建筑施工機械作為支撐。施工升降機是載人載貨垂直運輸機械，在施工過程中起著至關(guān)重要的作用[1]。相比于其他機械，施工升降機的安全性要求更嚴格，對其制造精度提出了更高要求。施工升降機主要由塔身、吊籠、起升機構(gòu)和附墻等結(jié)構(gòu)組成，其生產(chǎn)制造過程中需采用大量的焊接結(jié)構(gòu)[2]，故焊接質(zhì)量和精度是制約施工升降機產(chǎn)品質(zhì)量提升的關(guān)鍵核心問題。

目前，對標準節(jié)類結(jié)構(gòu)簡單的零部件已基本實現(xiàn)了機器人焊接線自動化生產(chǎn)，其生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量有較大進步。然而，對結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的吊籠部件尚無法自動化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量在很大程度上仍依賴焊接工人技術(shù)水平，焊接工藝質(zhì)量很難保證，導(dǎo)致吊籠骨架焊接后形狀、尺寸不穩(wěn)定，存在較大的焊接誤差[3]。在此因素的影響下引起了后續(xù)裝配工序的諸多問題，如鋁護板安裝工序無法實現(xiàn)孔的預(yù)制而需人工進行現(xiàn)場配鉆，嚴重影響了升降機吊籠裝配效率。施工升降機吊籠作為承載人與貨物質(zhì)量的主體，其制造精度對裝配效率、產(chǎn)品質(zhì)量及升降機運行平穩(wěn)程度提升起至關(guān)重要的作用。

在焊接過程中，材料由于受到熱源不均勻地加熱和冷卻而造成焊件膨脹、收縮不均勻，最后導(dǎo)致殘余應(yīng)力和變形，繼而對結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性以及裝配精度產(chǎn)生不良影響[4]；而存在的焊接變形會嚴重影響焊件的精度和使用壽命[5]。

針對小型焊件焊接變形的問題，Dattoma V等[6]進行了不同焊接工藝條件下6061鋁合金接頭的MIG焊接數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)提高焊速會降低結(jié)構(gòu)的垂直變形和角變形，但會增加最大縱向拉應(yīng)力，較高的電流可以增加結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力和變形，而焊接順序不影響縱向殘余應(yīng)力分布；Fu G M等[7]發(fā)現(xiàn)焊接順序是通過影響板中部塊焊縫起始和結(jié)束處的殘余應(yīng)力分布來影響變形；若將其放大到大型焊接結(jié)構(gòu)件中，Honaryar A等[8]發(fā)現(xiàn)在雙體船整體殼體模型中，在外角接頭最大角度(140°)附近易產(chǎn)生較大焊接變形，且焊接速度對減少變形產(chǎn)生重要影響；梁軍強等[9]針對電動汽車電池盒鋁合金框架結(jié)構(gòu)分析得出采用W形內(nèi)外交替的焊接順序，首先將中間橫梁、短梁與邊框連接在一起，可增大電池盒框架抗變形能力，然后再焊接其余焊縫，通過框架的平衡對稱狀態(tài)抵消部分變形。

施工升降機吊籠骨架是以焊接為主要連接方式的大型框架結(jié)構(gòu)，組裝焊接焊點多、局部焊縫長、焊接桿件多等均可使其產(chǎn)生焊接變形，焊接夾具是焊接過程中重要的控制焊接變形工具，其設(shè)計方式主要經(jīng)歷了手工設(shè)計、計算機輔助設(shè)計和智能化等3個發(fā)展階段[10]。焊裝夾具除了完成本工序的零件組裝、定位外，還擔任檢驗和校正上道工序焊合件焊接質(zhì)量的任務(wù)，因而其設(shè)計制造影響著整個焊接工藝水平、生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量[11]。王毅等[12]針對汽車焊接夾具設(shè)計了可實現(xiàn)快速安裝和定位的可重構(gòu)定位夾具，降低了因車型改變而帶來的夾具維護升級成本；Ordieres J等[13]發(fā)現(xiàn)在給定的制造路線內(nèi)夾具設(shè)計對焊接變形的影響相比于焊接順序，控制變形效果更明顯；Huang H等[14]通過有限元模擬某大型工程機械結(jié)構(gòu)分別在有夾具約束和無夾具約束情況下的焊接變形，發(fā)現(xiàn)夾具約束越靠近焊縫位置結(jié)構(gòu)的焊接變形量越小；Jiang W C等[15]為了減小超厚管板對接焊接過程中的殘余應(yīng)力和變形，在管板兩端增加載荷，減少了焊接角變形。氣動夾具是一種焊裝夾具，主要作用是通過將工件進行準確定位以及可靠夾緊而保證在焊裝過程中的焊裝精度和焊裝質(zhì)量，提高焊裝過程中的焊裝效率[16]。熊曉萍[17]對拉桿式氣缸作為驅(qū)動的夾具的幾種較典型運動機構(gòu)進行了分析，有關(guān)其焊裝效率和焊裝動作精度均基本滿足生產(chǎn)要求。因而，繼續(xù)提高焊接夾具的結(jié)構(gòu)精度和剛度仍是未來研發(fā)的熱點所在，利用計算機輔助夾具設(shè)計，以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全為目的研究與開發(fā)智能化、自動化的焊接夾具將是焊接夾具發(fā)展的時代趨勢[18]。

因此，高精度夾具是對控制焊接變形、提高焊接質(zhì)量和焊接精度的有力保障。本文以某SC200型施工升降機吊籠骨架為研究對象，對其結(jié)構(gòu)特點、組裝焊接順序、現(xiàn)有焊接工裝及吊裝運輸特點進行分析，設(shè)計能適應(yīng)不同尺寸吊籠骨架的高精度自動化組焊工裝，通過對各工裝面表面進行銑削加工、定期替換定位塊標準件以及氣動夾具進行夾緊實現(xiàn)工裝長期有效的高精度定位與焊接變形控制，提高焊接精度和生產(chǎn)效率。

1 吊籠骨架結(jié)構(gòu)特征分析

如圖1所示，升降機吊籠骨架焊接采用先單片、后組焊的工藝流程，先將主槽鋼架、吊籠頂、吊籠底焊接成片，然后由起重機將吊籠頂、吊籠底吊裝至特定工裝處，將方管和角鋼等附屬零件擺放就位后進行吊籠骨架的組裝焊接工作。組焊完成后，將鋁護板平鋪于吊籠骨架內(nèi)表面，安裝鋁護板的過程中需要不斷翻轉(zhuǎn)吊籠骨架進行人工鉆孔、安裝鉚釘?shù)裙ば?，最終完成吊籠整籠的生產(chǎn)。

圖1 吊籠生產(chǎn)線流程圖

該吊籠焊接工裝的吊籠骨架有2種型號，即3 m型和3.2 m型。通過比較這2種型號升降機吊籠結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)3.2 m型升降機吊籠骨架與3 m型升降機吊籠骨架在寬度（Y軸）和高度（Z軸）方向尺寸相同，但長度（X軸）方向相同桿件的相對位置不同，具體體現(xiàn)在主槽鋼架面桿件和駕駛室面桿件的相對位置不同，以圖2所示3 m型與3.2 m型吊籠骨架同一位置的方管為例，其間距為7 mm。因此，結(jié)合同一位置不同型號升降機吊籠的相同點與不同點，可將3.2 m型和3 m型升降機吊籠骨架焊接工裝兼容合并，使該工裝方案可同時滿足3 m型和3.2 m型升降機吊籠骨架的組焊需求，以下工裝設(shè)計主要以3 m型吊籠骨架各部位定位與夾緊為例。

圖2 3 m型升降機吊籠骨架

圖3為SC200型施工升降機吊籠骨架組裝焊接示意圖，其在焊接前的組裝順序為：先將主槽鋼架面的主槽鋼架、C形槽鋼和方管等放置在現(xiàn)有工裝上，然后將吊籠底面吊裝至現(xiàn)有工裝面進行固定，隨后進行吊籠頂面的吊裝，并用自制簡易工具進行固定，最后將駕駛室面的方管與角鋼安放就位。隨著工藝的優(yōu)化，可在下料階段預(yù)先在桿件上打孔，實現(xiàn)后期鋁護板的快速安裝，減少因不停翻轉(zhuǎn)吊籠骨架進行手工打孔而導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高的問題。然而，由于現(xiàn)有工裝定位粗糙，焊接完成后的吊籠桿件定位精度無法滿足后期鋁護板安裝需求。因此，為提高吊籠骨架組裝焊接精度，提高生產(chǎn)效率，需設(shè)計新的吊籠骨架組裝焊接工裝方案，并實現(xiàn)吊籠骨架焊接組裝過程中桿件的高精度定位及裝夾的自動化。

圖3 吊籠骨架組裝焊接示意圖

2 吊籠骨架組裝焊接工裝設(shè)計

2.1 工裝整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)吊籠骨架的結(jié)構(gòu)特點，為了裝夾方便和定位準確，選擇將質(zhì)量較大的主槽鋼架面作為定位基準，先進行主槽鋼架面各部件的定位及夾緊，再對吊籠骨架的其他面進行定位夾緊。該工裝主要由夾具體、定位鍵、可調(diào)墊鐵、卡爪、氣缸等組成。

針對升降機吊籠骨架焊前組裝和焊后整籠吊出的問題，升降機吊籠工裝整體采用U形結(jié)構(gòu)形式，吊籠底面工裝和吊籠頂面工裝設(shè)置在主槽鋼架面工裝的兩側(cè)，分別與主槽鋼架面工裝通過轉(zhuǎn)軸進行連接，實現(xiàn)打開和閉合動作，吊籠底面工裝和吊籠頂面工裝兩側(cè)安裝有液壓缸，能驅(qū)動2工裝面繞軸轉(zhuǎn)動。工裝呈打開狀態(tài)時可進行主槽鋼架面工件的夾緊定位，工裝呈工作狀態(tài)時可將升降機吊籠頂面、升降機吊籠底面及駕駛室面桿件置于工裝面進行夾緊定位。利用定位塊、氣缸/液壓缸和卡爪實現(xiàn)零件定位及裝夾，工裝中所用氣缸/液壓缸夾具均通過集成化模塊按鈕控制，從而實現(xiàn)裝夾時夾緊工件；拆卸時松開工件，將吊籠骨架從工裝中取出，吊籠骨架組焊工裝示意圖如圖4所示。

圖4 吊籠骨架組焊工裝示意圖

為保證主槽鋼架面工裝、吊籠頂面工裝和吊籠底面工裝的精度，對安裝有定位塊及夾具的底面進行銑削加工，各工裝面主要由H形鋼、方管和鋼板焊接組成，焊接完成后產(chǎn)生焊接變形，對工件的定位產(chǎn)生影響，導(dǎo)致定位不精。因此，根據(jù)工件定位基準采用數(shù)控銑床對工裝表面進行銑削加工和鉆孔，保證其加工精度范圍為0.02～0.1 mm，保證其表面的水平度及夾具的精準安裝。在各工裝面夾具安裝時，通過不斷測量各定位面與基準面之間的距離調(diào)整夾具的位置，以此提高工件在安裝完成后的定位精度。

2.2 主槽鋼架面夾具設(shè)計

主槽鋼架面工裝為水平設(shè)置，其下方安裝有可調(diào)墊鐵，在安裝過程中利用高精度水平儀測量其水平度，通過調(diào)節(jié)可調(diào)墊鐵高度使主槽鋼架面保持較高的水平度，主槽鋼架面工裝設(shè)有多個桿件夾緊定位裝置，用于對主槽鋼架面桿件的夾緊和定位，桿件夾緊定位裝置的數(shù)量和位置依主槽鋼架面桿件的數(shù)量和位置而定（見圖5），以主槽鋼架內(nèi)側(cè)（圖5中虛線所示）為基準面，其他桿件及零件以虛線為基準進行定位。

圖5 主槽鋼架面工裝

如圖6所示，主槽鋼架面桿件夾緊定位裝置由氣缸組件、支撐件、底座和卡爪等組成。底座和支撐件組合完成桿件的定位，氣缸組件與卡爪通過和底座連接完成桿件的夾緊。當施工升降機吊籠為3 m型時，將桿件放置于支撐件平面Ⅰ與立面Ⅰ處，通過氣缸組件提供動力帶動卡爪靠近支撐件，實現(xiàn)對桿件的夾緊和定位；當施工升降機吊籠為3.2 m型時，將桿件放置在支撐件平面Ⅰ與立面Ⅱ處，通過氣缸組件帶動卡爪靠近支撐件，實現(xiàn)對桿件的夾緊和定位，同時桿件夾緊定位裝置的支撐件通過可拆卸的方式安裝于底座。因此，當支撐件經(jīng)過長時間磨損影響桿件的定位精度時，可對支撐件進行替換，以保證定位精度。

圖6 主槽鋼架面桿件夾緊定位裝置

根據(jù)六點定位原理，在主槽鋼架面Y軸負方向設(shè)置定位塊，且定位塊上安裝有定位螺栓，可通過旋轉(zhuǎn)螺栓對桿件定位進行微調(diào)，以保證其定位精度。在Y軸正方向設(shè)置氣缸夾緊裝置，為主槽鋼架面各部件提供Y軸方向的夾緊力，通過與X軸方向的桿件夾緊定位裝置相配合，完成各部件的定位與夾緊，降低其在組裝焊接過程中的焊接變形，提高各桿件的定位精度。

2.3 吊籠頂面及吊籠底面夾具設(shè)計

吊籠頂面工裝與吊籠底面工裝結(jié)構(gòu)相似，以吊籠底面工裝為例，其示意圖如圖7所示。吊籠底面工裝和吊籠頂面工裝上均安裝有定位塊，吊籠頂面工裝及吊籠底面工裝定位鍵座經(jīng)銑削形成精準的定位面，定位鍵作為可替換零件安裝于定位鍵座，防止經(jīng)磨損導(dǎo)致定位精度的降低。吊籠底面工裝及吊籠頂工裝面上端兩側(cè)安裝有上端夾緊裝置，下端夾緊裝置安裝于主槽鋼架面工裝，分布在吊籠底面工裝及吊籠頂面工裝下端兩側(cè)，氣缸組件帶動卡爪靠近吊籠底面和吊籠頂面實現(xiàn)夾緊及定位，此時可將駕駛室面桿件置于工裝面進行夾緊定位，如圖8所示。

圖7 吊籠底面工裝示意圖

圖8 吊籠頂面夾緊裝置

2.4 駕駛室面夾具設(shè)計

由于駕駛室面各桿件在焊接時處于整個工裝的最上方，受到空間的限制，駕駛室面各桿件的定位及夾緊裝置分別安裝于吊籠底面工裝和吊籠頂面工裝。其中，與吊籠底面相連接一側(cè)主要進行桿件定位，與吊籠頂面相連接的一側(cè)主要進行桿件夾緊（見圖9）。吊籠頂面工裝一側(cè)安裝有方管夾緊裝置，包括方管夾緊組件和氣缸組件，氣缸組件包括滑塊、滑軌、角接頭、氣缸等，氣缸帶動滑塊在滑軌內(nèi)移動，方管夾緊組件包括焊接架與方管夾緊機構(gòu)，焊接架與吊籠頂面工裝通過具有高精度的導(dǎo)軌滑塊連接，不易發(fā)生偏移，通過滑塊帶動安裝有大方管夾緊機構(gòu)和小方管夾緊機構(gòu)焊架移動實現(xiàn)對駕駛室面大方管和小方管的夾緊功能。

吊籠底面工裝的頂部設(shè)置方管定位裝置，方管定位裝置包括大方管定位裝置和小方管定位裝置。大方管定位裝置如圖10所示，卡槽內(nèi)設(shè)置楔形壓塊，楔形壓塊通過螺栓安裝在卡槽內(nèi)，卡槽上方設(shè)置卡槽蓋，卡槽下方設(shè)置定位塊，定位塊設(shè)有與大方管形狀相匹配的凹槽，將大方管的一端置于凹槽內(nèi)實現(xiàn)初定位，卡槽和楔形壓塊通過安裝于螺栓的彈簧提供壓力，將大方管壓緊于定位面和升降機吊籠底面，以實現(xiàn)大方管一端的定位和壓緊。

圖10 大方管定位裝置

小方管定位裝置如圖11所示，與大方管定位裝置相似，小方管定位裝置有2個卡槽，每個卡槽內(nèi)均設(shè)有楔形壓塊，卡槽下方設(shè)置具有2個凹槽的定位塊，2個凹槽可以分別對3 m型和3.2 m型升降機吊籠骨架的小方管的一端進行定位。當施工升降機吊籠為3 m型時，將小方管的一端置于凹槽Ⅰ內(nèi)；當施工升降機吊籠為3.2 m型時，將小方管的一端置于凹槽Ⅱ內(nèi)實現(xiàn)初定位。卡槽和楔形壓塊將小方管壓緊于升降機吊籠底面，以實現(xiàn)小方管一端的定位和壓緊。

圖11 小方管定位裝置

吊籠底面工裝的頂部設(shè)置方管夾緊裝置，方管夾緊裝置和方管定位裝置配合使用，且形狀類似（見圖12），其不同點在于方管夾緊裝置中楔形壓塊的傾斜角相較于方管定位裝置更大，楔形壓塊對方管在長度方向的壓力更大，主要進行方管在長度方向上的壓緊。

圖12 吊籠頂面一側(cè)方管夾緊裝置

為提高方管的定位精度，在完成方管定位裝置與夾緊裝置的安裝后對其定位面進行測量和微調(diào)，其誤差范圍為0.02～0.1 mm。

3 氣壓與液壓系統(tǒng)設(shè)計

本文采用液壓與氣壓驅(qū)動定位和夾緊裝置，實現(xiàn)零部件的自動化可靠夾緊。氣壓系統(tǒng)主要由氣源、壓力調(diào)節(jié)器、氣缸、控制器、閥門和管道系統(tǒng)等組成，氣壓系統(tǒng)主要負責將工件固定于工裝，通過控制器控制氣缸的伸縮帶動卡爪實現(xiàn)工件的夾緊與釋放。液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、儲液器、液壓缸、液壓閥和控制器等組成，在完成主槽鋼架面各部件的安裝就位后，液壓缸推動吊籠頂面工裝和吊籠底面工裝進入工作狀態(tài)進行吊籠的組裝；在完成吊籠骨架組裝焊接后，液壓缸收縮工裝進入打開狀態(tài)，將組焊好的吊籠骨架取出。

采用自動化工裝可確保生產(chǎn)過程中的一致性和質(zhì)量，提供穩(wěn)定的夾緊力，減少因人為因素而引起的誤差，采用一鍵式控制方式使工件的定位更方便快捷，提高了吊籠骨架的組裝焊接效率。

4 結(jié)論

1）對施工升降機吊籠骨架的結(jié)構(gòu)特性進行深入分析，并遵循六點定位原則，確定了以主槽鋼架面作為基準的工裝方案，應(yīng)用高精度定位塊與氣缸，實現(xiàn)了對工件的精確定位和夾緊。

2）完成了焊接工裝的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及裝夾夾具的設(shè)計工作。該工裝整體采用U形結(jié)構(gòu)，通過液壓缸控制吊籠頂面和底面工裝的開合功能，方便吊籠骨架的組裝焊接及卸裝。此外，各工裝表面均經(jīng)過精密銑削，并結(jié)合可替換定位塊，實現(xiàn)各部分的準確定位，針對各桿件的形狀特點，設(shè)計了以氣缸為驅(qū)動力夾緊桿件的專用夾具，控制桿件的焊接變形。

3）該工裝可同時滿足3 m型和3.2 m型吊籠骨架的組裝焊接，節(jié)省了工裝場地，通過對工裝面進行銑削形成高精度定位面，且定位塊可進行替換，結(jié)合氣動夾具，提高了工裝的自動化程度，實現(xiàn)了吊籠骨架部件及桿件的高精度定位，減少了人為調(diào)整時間，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。