介紹一種車身焊裝線頂蓋分拼的柔性定位工裝

孫國威 宋建懿

摘 要：文章介紹了一種車身焊裝線頂蓋分拼的柔性定位工裝，主要闡述了該工裝的設計原理與基本結構，并詳細介紹了其關鍵部件的設計要求。

關鍵詞：頂蓋；工藝；工裝；旋轉機構；多級機構；焊接

中圖分類號：U463.82 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0088-04

Abstract： This paper introduces a flexible positioning tool for dividing the top cover of the car body welding line， mainly expounds the design principle and basic structure of the tool， and introduces in detail the design requirements of its key components.

Keywords： top cover； process； tooling； rotating mechanism； multistage mechanism； welding

1 概述

目前，由于消費者對車型種類需求的多樣化，車身焊裝線的柔性化是各個主機廠發展的趨勢。傳統的頂蓋分拼焊接拼臺一般只能焊接一種車型，如果新增加幾種車型就必須相應增加幾條頂蓋焊裝線，包括相應的輸送系統、焊接設備等，這樣不僅需要更多的成本投入，同時場地的利用率也很低。在此背景下，我們研究出新型的頂蓋柔性定位工裝機構裝置，很好的彌補了傳統技術的缺陷。本文主要介紹新方案的設計原理和技術規范。

2 設計原理和基本結構介紹

2.1 設計原理

柔性方案（如圖1所示）的運動控制方式為：手動、電控與氣動相結合的控制方式，以實現工裝的定位功能。主定位與橫梁的定位銷等工裝安裝在旋轉軸上，切換車型時通過人工旋轉機械軸進行切換。PLC系統通過電控信號來控制氣缸動作的自動運行，并且滿足氣路設計時的時序要求。該系統的控制單元是普通的兩位電磁閥組，電控信號是電磁閥的輸入，該電控信號的輸入一般分為以下幾種類型，分別為：（1）人工按鍵信號輸入；（2）氣缸磁性開關信號輸入；（3）接近開關信號輸入。電磁閥通過識別各種信號以實現氣路設計的動作要求。

工作原理（如圖1所示）：整個機構主要由底座機構、底板機構組成，其中底座是固定在地面上的，底板和定位單元安裝在底座上。正常工作過程時，當頂蓋通過小車轉運到達該工位時，接近開關的信號會傳給PLC控制器，滿足現場人員操作控制面板的前提條件。員工操作控制面板通過PLC控制夾具機構對頂蓋零件進行夾緊，然后員工進行焊接工作操作。當員工焊接完成后，通過控制面板上的按鍵輸入完成信號，PLC控制氣路信號完成設計時氣路動作。當需要切換不同車型時，首先人工通過旋轉機械軸實現不同車型定位銷單元的切換，然后員工通過操作面板實現不同車型頂蓋定位單元夾具的切換，通過以上操作以完成不同車型定位工裝的切換。如果旋轉軸上的定位單元不能滿足更多中車型的焊接需要時，就可以切換底板來實現更多種車型的柔性需求。

2.2 基本結構介紹

該柔性工裝結構不僅應包括氣缸、定位塊、限位塊、旋轉軸以及定位銷等工裝組件，還包括要滿足特定的運動動作，同時要滿足機械設計的基本原理。因此，設計的工裝應該滿足使用要求，同時選用最合適的各個工裝組件。

2.2.1 底座機構

如圖2所示，該工裝機構通過膨脹螺栓來調整它的平整度和水平度，調整完成后再通過工裝L板焊接在地面的鋼板上，上側的滾輪用來進行底板的切換與支撐，前后側各一個插銷座用來作為底板的固定座，同時前后各2個手動機械鎖和前側的1個氣缸鎖用來鎖緊底板。該底座機構可以切換安裝不同平臺的底板，以實現多種車型的柔性。

2.2.2 底板機構

如圖3所示，底板機構是零件的定位機構，主要包括切換裝置、旋轉軸、安裝面、橫梁定位、支撐座、立板、定位單元，其中定位單元安裝在立板上實現不同車型的切換，安裝體上分別安裝不同車型的橫梁定位工裝。

（1）切換裝置

如圖4所示，員工通過旋轉手柄操作旋轉軸實現不同車型的橫梁定位以及頂蓋尾部定位，然后機械鎖緊裝置鎖緊旋轉盤，每個旋轉盤有4個鎖緊點可實現4種車型的定位，該裝置可以作為標準件后續設計進行引用。

（2）旋轉軸、安裝體、支撐座

如圖5所示，安裝體安裝在旋轉軸上，通過支撐座固定在底板機構上，每個安裝體上有4個安裝面可實現4種車型的定位安裝需求。

（3）定位單元

如圖6所示，定位單元安裝在立板上，立板上的安裝孔是標準孔，不同車型的定位單元安裝在立板上不同孔的位置，每個定位單元分為一級和二級機構，非工作狀態的車型的一級機構處于打開狀態為不同車型零件讓出空間，以此實現多種車型的定位。

該夾具機構分為1、2、3、4、5、6這6個旋轉點，其中1、2、3是一級機構的旋轉點，4、5、6是二級機構的旋轉點，1、2、4、6是固定的，3與5是運動的。首先一級機構繞著2點進行旋轉運動，到位后二級機構再繞著4點運動到位，設計過程中應遵循三角形幾何定理（兩邊之和大于第三邊，兩邊之差小于第三邊），保證能夠正常打開與關閉。工裝定位位置按照尺寸工程師輸入的定位策略進行設計，同時可以根據造車需求適當增加導向等工裝。氣缸的選型應該選擇標準氣缸，除非有特殊要求的選擇非標氣缸。標準氣缸可以保證維護、維修以及準備備品備件的方便性。標準氣缸應滿足能夠安裝的要求，同時應該有合適的安裝磁性開關的位置，以滿足氣缸前進和后退到位后傳遞信號到PLC。

關于氣缸缸徑和行程的選擇需要通過計算結果進行選型，氣缸的拉力需要克服的力用G表示，G=mg，其中g=9.8N/kg，m=定位單元的重量，在UG中可以測得m=12kg，所以G=mg=118N。一般氣缸的拉力不能實現百分百利用，計算公式為F*=F？滋，其中F*是標準氣缸的實際輸出拉力，F是標準氣缸的理論輸出拉力，？滋是氣缸實際的效率系數。根據F=PS公式，其中P是工廠使用的氣壓（標準范圍為5-7bar），取中間值P=6bar=0.6MPa；S是標準氣缸的活塞圓的受力面積（S=πD2/4），其中π=3.14，D是氣缸的缸徑，所以F=PS=0.6×3.14×D2/4×10=4.71D2。實際選型中μ一般為0.3-0.8，我們取0.5，則F*=F×μ=2.355D2。在實際的運動過程中氣缸的拉力應大于需要克服的力，則F*>G，即2.355D2>118，D>7cm；根據標準氣缸的缸徑型號，我們選擇最小氣缸缸徑為32cm。根據數模模擬結果，如圖7所示，一級機構的旋轉角度是a=45°，旋轉半徑為r=442mm，旋轉周長L=2πr×（45÷360）=2×3.14×442×（45÷360）=35cm，二級機構的旋轉角度是a=45°，旋轉半徑為r=247mm，旋轉周長L=2πr×（45÷360）=2×3.14×247×（45÷360）=19cm，考慮打開與夾緊狀態需要預留足夠的行程以及綜合氣缸型號與安全考慮，我們選擇標準氣缸型號分別為WMDUKA32-T1569-75、WMDUKA32-T1569-50。

3 關鍵部件的設計要求

工裝設計過程中，不僅要按照定位策略和BOP設計出符合使用要求的工裝設備，同時為了保證工裝定位的穩定性、使用方便性以及使用壽命高等要求，對關鍵的工裝應進行特殊性的設計與加工，基本結構如圖6所示。

3.1 調整墊片

采用可調式結構的定位塊（MCP BLOCK）、定位銷座，調整墊片厚度統一為3mm（1+1+0.5+0.25+0.25），調整墊片材料：不銹鋼，推薦為0Cr13（日本鋼號SUS410S）。標準調整墊片優先選用，標準規格無法滿足要求的，經許可方可采用非標結構，厚度均按以上3mm要求配置（如圖8所示）。

說明：此調整墊片為產品尺寸匹配所需，非消除夾具制造誤差所用，夾具裝配過程產生的累積誤差≤±0.5mm的允許通過增減調整墊片進行調整，否則夾具零件尺寸必須返工到符合要求。

3.2 定位塊

夾具公用主定位基準面、或與總成檢具相同的基準面的定位塊與支撐板做成一體式結構，不考慮可調，材料為45#鋼，定位型面處局部淬火HRC38～42。定位塊材料為45#鋼，定位型面硬度HRC38～42，優先采用表面淬火，淬硬層深度≥2mm，也可采用整體淬火+低溫回火的方式；重要的安裝面、定位面及銷孔要求熱處理后精加工，確保所規定的粗糙度（型面、安裝面Ra3.2，銷孔Ra1.6）。安裝面不得上色漆，要涂防銹油。

3.3 限位塊（圖9）

限位塊的材料為45鋼，熱處理HRC42～45，類型：

A型、B型為單孔型，導向定位面較短。A型配合精度較差，用于位置度要求相對不高的單點或多點夾緊；B型配合精度高，用于短小擺桿的工件定位銷的導向定位。

C型為B型的加長型，導向定位面較長，配合精度高，多用于帶工件定位銷的夾緊的導向及定位，及多級夾緊機構的除最后一級之外的擺動件的導向及定位，優先使用。

D型為V形塊導向定位型，特點是精度好，占用空間較小，但無導向定位行程，對上下件配合的緊密度要求較高，經過許可方可使用。

3.4 旋轉銷

鉸接點的旋轉銷在進行旋轉時與襯套發生摩擦， 長時間使用也會造成銷軸的磨損， 因此旋轉銷軸除了要求具有一定的硬度和初性之外（采用45#鋼并熱處理），銷軸表面也要求有一定的硬度和耐磨性（淬火），同時注意防銹處理和表面粗糙度（Ra0.8）。此外，銷軸徑向尺寸要進行精加工以保證其與相鄰部件之間的配合精度。

3.5 壓板、L型連接板

一般常規的L型連接板安裝部分增加+3mm的墊片進行調整，對應厚度一般為16mm；而對于主定位等關鍵件部位的工裝安裝部分同樣增加+3mm的墊片進行調整，但是對應厚度需要增大到20mm-25mm，保證定位的穩定性和工裝剛度要求。壓板的機構按照類型不同一般分為三類（如圖10所示）：（1）一體式結構；（2）無限位塊壓板與壓塊分離式結構；（3）有限位塊壓板與壓塊分離式結構。

而對于壓板夾緊力的取值與選用氣缸的關系如圖11所示。

4 結束語

這種柔性頂蓋工裝能夠兼容4*N（底板的個數）種車型，提高了生產線場地的利用率，應用前景比較廣泛。此機構可作為一個標準模塊運用在其他柔性化生產線上，具有推廣潛力。

參考文獻：

[1]楊握鈴.汽車裝焊技術及夾具設計[M].北京：北京理工大學出版社，1996.

[2]聞邦椿.機械設計手冊（第5版）[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]徐帥帥.介紹一種車身焊裝線簡易定位頂蓋的工裝[J].企業科技與發展，2015（13）：47-50.