車身焊接工裝緊湊型多定位自動切換裝置的設計

彭 羿，朱富強，唐高中

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

目前國內汽車制造廠商在汽車生產線上普遍采用多車型同時或分批次混線生產的柔性化生產系統。在設計這類生產線的時候，經常需要解決同一工位對多種車型不同零件進行精確定位的難題。而對一些在同一位置的定位面高度、形狀難以統一且沒有空間放置多套擺動或退讓機構的零件，除了手工拆換部分或全部定位組件外，尚無特別理想的自動化切換機構。目前，廣泛使用的一種定位塊手動切換裝置，如圖1 所示，其存在著切換時間長、操作占用空間大、重復定位精度低，長期使用易造成配合件磨損，甚至出現切換插銷扭曲斷裂等問題。

為解決上述問題，提高切換效率、定位精度以及夾具結構的穩定性，我們希望設計一種全新的車身焊接工裝緊湊型多定位自動切換裝置。

圖1 手動切換裝置

2 設計原理及結構分析

2.1 概述

普通白車身焊裝線通常使用氣動控制來提高生產線的效率和自動化水平，因此，為了滿足生產線效率的要求，充分利用車身線的氣動資源，切換裝置選擇采用氣動控制來實現自動切換。此外，為了給焊鉗留出更多的操作空間，切換裝置結構應該盡量緊湊，小巧，這就決定了在選用氣缸時，要選缸徑盡可能小的。由于氣缸帶動轉盤旋轉需要克服的摩擦力較小（配合表面需經過精加工），所以該切換裝置選擇了轉盤式切換。另外，只需缸徑很小的氣缸作為驅動，這樣即節約空間，又降低了成本，這里我們選用了FESTO 生產的規格為25×30 的小氣缸。同時，為了便于安裝、維護，本裝置設計時使用的襯套、螺釘、墊片等均為標準件。

2.2 裝置的基本結構及運動分析

該自動切換裝置由氣缸、連接板、氣缸支座、驅動連桿、轉盤、支撐塊、定位塊一和定位塊二組成。其結構如圖2 所示，各旋轉關節點采用自潤滑無油襯套，以減少旋轉時對旋轉軸的磨損。定位塊一、定位塊二安裝在轉盤上，并通過相同標準的墊片組進行高度微調。而轉盤的旋轉軸固定在支撐塊上，另一端鉸接驅動連桿，驅動連桿與氣缸的一端連接，氣缸的另一端與氣缸支座鉸接，支撐塊和氣缸支座固定在連接板上。當氣缸推動驅動連桿時，驅動連桿與轉盤之間發生相對轉動，同時驅動連桿也帶動轉盤沿其固定的轉軸轉動。而轉盤上固定的定位塊一、定位塊二隨之轉動，實現定位塊一、定位塊二之間工作與非工作位置間的切換，進而適應不同車型之間不同的定位型面。

氣缸推拉的起始點，代表定位塊一、定位塊二分別工作的狀態，如圖3（a）、（b）和圖4 所示，定位塊旋轉角度范圍0°≤β≤74.5°。從圖上可以看出，此裝置還可以通過添加不同的限位擋塊（限制轉盤旋轉的角度）、更換更大包角的轉盤、選用更大行程的氣缸來變換旋轉角度的大小，進而實現更多定位塊之間的轉換，潛在可開發的柔性更高。

圖2 緊湊型多定位塊自動切換裝置結構圖

圖3 定位塊自動切換裝置不同狀態圖（轉盤逆時針旋轉）

圖4 同一定位塊兩種工作狀態的示意圖

2.3 與手動切換裝置的受力對比分析

對于手動切換裝置，如圖5（a）所示，切換插銷與插銷孔內的襯套之間是緊配合，當定位面受到作用力P 時，通過力的傳遞，作用力P 被傳遞到切換插銷上（未考慮力的損失），同時連接板會對切換插銷產生一個反作用力T（T=P），這時切換插銷主要受到這個力作用。再加上作用力T 與P 不在一條直線上，不能抵消，所以作用力P 會繞連接塊的旋轉軸產生順時針方向的扭力矩M。在扭力矩M 的作用下切換銷軸相對于連接塊的旋轉軸有沿切向運動的趨勢。為了平衡這一力矩M，在切換銷軸和連接塊的旋轉軸之間，必然也要產生一個反向等大的力矩M1，切向反作用力N必然要比作用力P 大得多(因為作用力P 的力臂L2要遠遠大于切向反作用力N 的力臂L1，而兩者產生的力矩大小是相等的)，這將使得作用在切換插銷上的剪切力會較定位面壓力P 成倍的放大，如果瞬間沖擊力過大，有可能造成插銷折斷或變形失效。即使瞬間壓力在可承受的范圍之內，而在工作一段時間后勢必會造成切換插銷扭曲變形和襯套磨損，這不但影響了定位裝置的定位精度，也增加了襯套和切換插銷的更換頻率和維護時間，進而增加了使用和維護成本，并形成了產生產品缺陷的潛在可能。

同樣，對于多定位自動切換裝置，當定位面受到作用力P 時，通過力的傳遞，作用力P 直接傳遞到剛性很強的連接板上，在連接板上產生反作用力T，并直接達到平衡，不會產生作用在轉動部件上有害力矩。這樣就避免了切換插銷的切向作用力，從而也避免了由此造成的各運動部件（襯套、轉盤、驅動連桿、銷軸等）機械損傷，保持了很高的定位精度，同時節約了使用和維護成本。

圖5 兩種切換裝置的受力分析簡圖

3 關鍵部件的特殊要求

在該自動切換裝置中，為了保證定位的精度和裝置的使用壽命，各關節點在設計時要有其特殊的要求。

定位塊設計時要根據型面的要求設計出與型面相一致的定位型面，且為了延長型面的壽命，減小長期使用后對型面的磨損，定位塊型面表面要具有一定的硬度和耐磨性（進行熱處理），同時還要注意表面防銹（發黑）。

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韌性之外（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。

4 結束語

本機構可以根據不同車型產品零件的特點，對需要切換的定位塊（或定位銷）進行合理的位置布置，并結合調整氣缸行程和各連接件的尺寸，讓自動切換機構能滿足不同旋轉角度的需求。在多車型共線的柔性化車身焊裝線中，應用前景十分廣泛。

[1]楊握銓.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]熊曉萍，陶明元.汽車車身裝焊夾具的結構設計[M].長春：汽車工藝與材料，1998.

[3]孫大涌.先進制造技術[M].北京：機械工業出版社，1999.

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