介紹一種車身焊裝線下導(dǎo)軌的定位工裝

孫國威，宋建懿

（上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司，重慶400000）

1 概述

目前，SGMW 重慶基地生產(chǎn)的帶有下導(dǎo)軌的車型都是采用單一的工裝定位，一個(gè)焊接拼臺只能適用于一種車型的下導(dǎo)軌，如需增加新的車型就只能增加工位數(shù)和焊接設(shè)備，這樣不僅增加了成本的投入，同時(shí)也存在人員浪費(fèi)，不符合公司“低成本、高價(jià)值”的宗旨。在這樣的形勢下，研究出新型的下導(dǎo)軌定位工裝機(jī)構(gòu)裝置，該裝置使傳統(tǒng)的定位工裝得以優(yōu)化，缺陷得到解決。本文主要簡單介紹該裝置的設(shè)計(jì)工作原理與技術(shù)要求。

2 設(shè)計(jì)原理和基本結(jié)構(gòu)介紹

2.1 設(shè)計(jì)原理

該裝置（如圖1）的機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制形式為：電控信號控制氣缸動(dòng)作的方式，以實(shí)現(xiàn)工裝的移動(dòng)并滿足定位功能。在工作過程中，磁性開關(guān)等電控信號由PLC 進(jìn)行控制，然后由電控信號來控制氣缸等氣動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)，并且滿足氣路設(shè)計(jì)時(shí)的時(shí)序要求。該裝置的控制單元為三位五通的電磁換向閥，人工作為電磁閥的第一步輸入信號控制電磁閥的動(dòng)作，進(jìn)而通過電磁閥來控制氣路以實(shí)現(xiàn)氣缸按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)動(dòng)的功能。該電控信號的輸入一般分為以下幾種類型，分別為：人工按鍵信號輸入；氣缸磁性開關(guān)信號輸入；接近開關(guān)信號輸入。以上信號作為電磁閥的輸入信號以實(shí)現(xiàn)氣路設(shè)計(jì)的動(dòng)作要求。

圖1 新方案示意圖

工作原理（如圖2）：該裝置通過過渡板固定在標(biāo)準(zhǔn)焊接拼臺上，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過大氣缸和導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)Y 方向的運(yùn)動(dòng)，采用2 條導(dǎo)軌保證了滑動(dòng)的順暢性與承載能力。在切換車型時(shí)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要人工進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，通過2個(gè)限位塊和手動(dòng)夾緊器實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)本身的定位與鎖緊。夾具機(jī)構(gòu)安裝在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的底板上，隨著翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位的功能。正常工作過程時(shí)，當(dāng)白車身運(yùn)動(dòng)到該工位時(shí)，主定位自動(dòng)夾緊，同時(shí)夾緊的信號會(huì)傳給PLC 控制器，同時(shí)員工操作控制面板通過PLC 控制夾具機(jī)構(gòu)對下導(dǎo)軌零件進(jìn)行夾緊，夾緊信號通過氣缸上的磁性開關(guān)信號顯示并傳遞給PLC，然后通過電磁換向閥控制大氣缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)大氣缸推動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，大氣缸上的磁性開關(guān)信號顯示并傳遞給PLC 關(guān)夾動(dòng)作完成，現(xiàn)場員工進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作。當(dāng)員工標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)作完成后，再次進(jìn)行操作控制面板上的按鈕鍵輸入完成信號，PLC 通過電控信號控制氣路來完成設(shè)計(jì)時(shí)氣路動(dòng)作。

圖2 新型下導(dǎo)軌定位機(jī)構(gòu)裝置

2.2 基本結(jié)構(gòu)介紹

該裝置是一種新型的工裝柔性定位機(jī)構(gòu)，它不僅應(yīng)包含以上9 項(xiàng)主要組成部件來滿足設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)要滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的基本原理。因此，定位工裝裝置在滿足使用功能的基礎(chǔ)上同時(shí)還要選擇合適的組件。

2.2.1 夾具機(jī)構(gòu)

如圖3 所示，該機(jī)構(gòu)分為1、2、3、4 這4個(gè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，1與2 是運(yùn)動(dòng)的，3 和4 是固定的。該運(yùn)動(dòng)可以分解成2 步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，首先壓頭與氣缸繞著4 點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，到位后壓頭與氣缸繞著1 點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)打開到位，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)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(guān)閉。工裝的定位與夾緊點(diǎn)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是零件的定位策略，定位策略是由產(chǎn)品尺寸工程師輸入，是工裝設(shè)計(jì)過程中的唯一定位依據(jù)。

圖3 定位夾具機(jī)構(gòu)

2.2.2 滑移機(jī)構(gòu)

圖4 導(dǎo)軌

（1）該工裝機(jī)構(gòu)的滑移方向是沿Y 方向的水平運(yùn)動(dòng)，所以選擇的導(dǎo)軌是滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副（矩形滑塊），導(dǎo)軌如圖4 所示。導(dǎo)軌的主要作用是支撐和引導(dǎo)整個(gè)翻轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)按照特定的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證了運(yùn)行的速度要求，即使在高速運(yùn)行下也能夠有很好的直線運(yùn)動(dòng)精度。選擇導(dǎo)軌型號時(shí)，應(yīng)充分考慮其承載能力與成本要求，以選擇合適的直線導(dǎo)軌。

（2）氣缸應(yīng)該選擇標(biāo)準(zhǔn)氣缸，盡量不要選擇非標(biāo)件，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)氣缸維護(hù)、更換等比較便捷，同時(shí)對于備件的選擇要求比較低。標(biāo)準(zhǔn)氣缸的基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示，標(biāo)準(zhǔn)氣缸需要有磁性開關(guān)的安裝位置，以保證氣缸的動(dòng)作信號傳遞給PLC，同時(shí)也要考慮其安裝位置對于后期安裝與更換的便捷性要求。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)氣缸結(jié)構(gòu)

圖6 工裝行程范圍

圖7 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖8 夾具機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

標(biāo)準(zhǔn)氣缸的選型不是隨意進(jìn)行選擇的，它需要通過力學(xué)公式計(jì)算確定的，具體計(jì)算過程如下：氣缸需要拉動(dòng)力用G 表示，其中G=mg，g=9.8N/kg，m=整個(gè)翻轉(zhuǎn)裝置的重量，在建模環(huán)境中測得m=73kg，所以G=mg=715N。受環(huán)境等各方面因素影響標(biāo)準(zhǔn)氣缸的輸出力一般是有衰減的，計(jì)算公式為F*=Fμ，其中F*是標(biāo)準(zhǔn)氣缸的實(shí)際輸出拉力，F(xiàn) 是標(biāo)準(zhǔn)氣缸的理論輸出拉力，μ 是氣缸實(shí)際的效率系數(shù)。根據(jù)F=PS 公式，其中P 是工廠使用的氣壓（標(biāo)準(zhǔn)范圍為5-7bar），取中間值P=6bar=0.6MPa；S 是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際選型中μ 一般為0.3-0.8，我們?nèi)?.5，則F*=F×μ=2.355D2。在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)過程中氣缸的拉力應(yīng)大于需要克服的力，則F*＞G，即2.355D2＞715，D＞55cm；查看標(biāo)準(zhǔn)氣缸庫，確定選擇氣缸缸徑為63cm 的氣缸。根據(jù)如圖6 所示，該裝置需要的實(shí)際行程最小為155mm，查看標(biāo)準(zhǔn)氣缸庫選擇氣缸行程為160mm。同時(shí)要考慮到安全因素，我們選擇的氣缸需要有自鎖功能，以滿足現(xiàn)場出現(xiàn)問題時(shí)所需要的急停功能，綜合考慮因此選擇標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號為WDNC-63-160-A-KP。

圖9 壓板類型

2.2.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

該工裝的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖7 所示，兩端通過軸承進(jìn)行聯(lián)接，并且機(jī)構(gòu)下側(cè)留足充足的翻轉(zhuǎn)空間，避免夾具機(jī)構(gòu)與過渡板處干涉。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的定位依靠2個(gè)限位塊，同時(shí)一面配備一個(gè)手動(dòng)夾緊器，保證翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)要求

工裝的定位部分設(shè)計(jì)不僅要滿足其他區(qū)域輸入的要求，比如CDLS 要求、BOP 要求等內(nèi)容，同時(shí)也要滿足工裝使用的方便性、定位的穩(wěn)定性以及使用周期長等要求，因此需要對關(guān)鍵的定位工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，同時(shí)對于加工要求進(jìn)行明確的注釋。基本結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

3.1 定位塊

工裝夾具的定位塊需要滿足可調(diào)性功能，同時(shí)材料選擇45#鋼，定位型面硬度需要進(jìn)行熱處理，標(biāo)準(zhǔn)范圍為HRC38～42，優(yōu)先采用表面淬火，淬硬層深度≥2mm，如果對于要求不高的定位面也可采用整體淬火+低溫回火的方式；對于重要的安裝面、定位面及銷孔要求熱處理后精加工，確保所規(guī)定的粗糙度（型面、安裝面Ra3.2，銷孔Ra1.6）。定位塊的安裝面不得涂油漆，需要保持整潔，同時(shí)加工完成后盡量涂一層防銹油。

3.2 壓板

目前工裝設(shè)計(jì)要求壓板的壓緊部位需要滿足可調(diào)性功能，一般設(shè)計(jì)的理論墊片要求的3mm，對應(yīng)壓板的厚度為16mm；但對于主定位等關(guān)鍵定位工裝的壓板對應(yīng)的厚度需要增大到20mm-25mm，保證定位的穩(wěn)定性和工裝剛度要求。壓板的機(jī)構(gòu)按照類型不同一般分為三類（如圖9 所示）：（1）一體式結(jié)構(gòu)；（2）無限位塊壓板與壓塊分離式結(jié)構(gòu)；（3）有限位塊壓板與壓塊分離式結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

這種新型的下導(dǎo)軌定位機(jī)構(gòu)裝置滿足了兩種車型共用同一拼臺進(jìn)行下導(dǎo)軌定位焊接的要求，提高了生產(chǎn)線場地的利用率，應(yīng)用前景比較廣泛。

（1）下導(dǎo)軌工裝定位方式首次采用翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的形式，可以實(shí)現(xiàn)多車型的柔性生產(chǎn)。

（2）翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用2個(gè)限位塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)的定位，2個(gè)機(jī)械插銷和手動(dòng)夾緊器進(jìn)行機(jī)構(gòu)的鎖緊。

（3）此工裝機(jī)構(gòu)可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊運(yùn)用在其他柔性化生產(chǎn)線上，具有推廣潛力。