四面體夾具及其切換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：四面體夾具;切換機(jī)構(gòu);定位單元

0引言

現(xiàn)代化汽車企業(yè)為了降低成本、節(jié)省場(chǎng)地空間一般都要進(jìn)行混線柔性化生產(chǎn)，同時(shí)也要考慮未來(lái)車型能快速導(dǎo)入及時(shí)響應(yīng)需求，以期許在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)權(quán)。

焊裝車間公共補(bǔ)焊線，要建設(shè)成無(wú)人全自動(dòng)化多柔性高效率生產(chǎn)線，要求至少能補(bǔ)焊4平臺(tái)多種車型。要實(shí)現(xiàn)4平臺(tái)多種車型混線生產(chǎn)，難點(diǎn)是定位夾具的設(shè)計(jì)，本文將介紹四面體和其線旁輔助切換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1方案分析

根據(jù)車型給的定位信息（定位信息是由專業(yè)科室指定），以其中的某一種A車型的車身坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，其他車型以雪橇孔重合移動(dòng)后，得到的4平臺(tái)車型定位孔分布情況（圖1）。

從圖1分析出，各平臺(tái)車型定位孔在同一坐標(biāo)系里面坐標(biāo)都不一樣，所以必須設(shè)計(jì)出4種不同定位單元。同時(shí)，4平臺(tái)定位孔距離又很近，傳統(tǒng)的定位工裝很難做設(shè)計(jì)避讓，所以設(shè)計(jì)采用四面體夾具+線旁輔助切換機(jī)構(gòu)的形式，以下是詳細(xì)說(shuō)明。

2結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)

包括四面體夾具與線旁輔助切換機(jī)構(gòu)。其中四面體夾具安裝在滑橇上，隨著滑橇和白車身一起輸送;線旁輔助切換結(jié)構(gòu)放置在生產(chǎn)線左右兩邊，只布置在切換工位，每條生產(chǎn)線布置一個(gè)輔助切換工位。

2.1四面體夾具設(shè)計(jì)

定位單元設(shè)計(jì)：定位夾具要能實(shí)現(xiàn)4平臺(tái)車型定位，要有4種不一樣的定位單元，各個(gè)定位單元要相互避讓，不能干涉，根據(jù)這個(gè)功能需求，設(shè)計(jì)了如下四面體夾具結(jié)構(gòu)，其包括四面體夾具本體與自鎖機(jī)構(gòu)（圖2）。

2.1.1本體設(shè)計(jì)

如圖3所示，四面體本體包括四組定位組件單元，如圖三。每一組定位組件分別定位一種平臺(tái)車型，每一組件包括基本的定位塊、定位銷，它們通過各自連接板與旋轉(zhuǎn)連接板6連接。旋轉(zhuǎn)連接板通過連接軸8、軸承3、軸承5與支座（支座通過緊固螺栓連接在滑橇本體上）連接在一起，這樣旋轉(zhuǎn)連接板就設(shè)計(jì)成了可360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)盤9是為了與線旁切換機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)軸嚙合塊相互嚙合而設(shè)計(jì)。四面體本體設(shè)計(jì)是以其中一平臺(tái)為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°分別切換到另外一種平臺(tái)車型。

旋轉(zhuǎn)四面體軸與軸承的選型設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，受力分析不當(dāng)或者設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，后期使用的時(shí)候都可能會(huì)出現(xiàn)車身定位不精確、斷軸、軸承容易損壞及壽命短等問題。因此，采用了雙軸承支承形式（圖4）。其設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸直徑D為50.0mm，材料為45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，加工時(shí)要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理、表面發(fā)黑處理。軸承的選型：軸承本身具有游隙，定位夾具要求的精度為±0.1mm，主要受徑向載荷，四面體轉(zhuǎn)速低，所以軸承采用圓錐滾子軸承，型號(hào)為33010，其基本額定負(fù)載達(dá)76.8kN，為了使四面體能達(dá)到精度要求，采用雙軸承型式，兩軸承的安裝距離L為100.0mm。兩軸承設(shè)計(jì)的安裝距離L要考慮其合理性問題，必須保證L的長(zhǎng)度不小于75.0mm，因?yàn)檩S承本身有游隙，L過小時(shí)，作用力F作用于四面體回轉(zhuǎn)體上就會(huì)使回轉(zhuǎn)體晃動(dòng)，而達(dá)不到夾具±0.1mm的定位要求。

2.1.2自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于四面體不帶電氣等動(dòng)力單元，所以四面體的打開與鎖緊必須要通過線旁切換結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖5所示，自鎖機(jī)構(gòu)主要是根據(jù)四連桿自鎖機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)，其主要包括鎖緊楔形塊、鎖緊楔形軸、鉸鏈A、鉸鏈B等，圖中（a）為四面體的自鎖狀態(tài)。如圖5（a）所示，四面體處于鎖緊狀態(tài)，此時(shí)鉸鏈機(jī)構(gòu)的各個(gè)鉸鏈連接點(diǎn)處于一直線上形成死點(diǎn)，鎖緊楔形塊與鎖緊楔形軸相互嚙合，故而四面體本體被鎖緊。四面體本體上有4塊鎖緊楔形塊，鎖緊楔形塊沿軸承軸線均等分布，四面體本體每旋轉(zhuǎn)90°都有一塊楔形塊與楔形軸能嚙合，即四面體每旋轉(zhuǎn)90°都可以實(shí)現(xiàn)自鎖，保證每個(gè)面的定位單元能夠準(zhǔn)確定位。圖5（b）中鉸鏈A設(shè)計(jì)有鎖緊限位與打開限位，保證鎖緊與打開位置唯一準(zhǔn)確;鉸鏈B設(shè)計(jì)有上延伸桿與下延伸桿，是為了線旁結(jié)構(gòu)切換而設(shè)計(jì)。

2.2線旁輔助切換夾具設(shè)計(jì)

線旁輔助切換機(jī)構(gòu)是對(duì)四面體夾具進(jìn)行打開與鎖緊切換的輔助機(jī)構(gòu)，放置在線旁兩側(cè)，如圖六，主要包括推動(dòng)氣缸、伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)軸、鎖緊氣缸和解鎖氣缸。其中推動(dòng)氣缸的作用是推動(dòng)伺服電機(jī)與旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)與出，推動(dòng)氣缸采用自鎖氣缸，自鎖氣缸可以保證氣缸前進(jìn)或者后退到位后產(chǎn)生自鎖，從而避免機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作而產(chǎn)生的安全隱患;伺服電機(jī)的作用是可以利用程序精確控制旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四面體回轉(zhuǎn)角度的精確控制;旋轉(zhuǎn)軸是帶動(dòng)四面體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件，端頭設(shè)計(jì)有嚙合塊是為了與四面體上的回轉(zhuǎn)盤嚙合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞;鎖緊氣缸的作用是自鎖機(jī)構(gòu)在打開狀態(tài)且四面體回轉(zhuǎn)動(dòng)作完成后使四面體鎖緊，氣缸頭處設(shè)計(jì)有撞塊，其與自鎖機(jī)構(gòu)鉸鏈B直接發(fā)生碰撞;解鎖氣缸的作用是打開自鎖機(jī)構(gòu)，與鎖緊氣缸一樣氣缸頭處設(shè)計(jì)有撞塊，其與自鎖機(jī)構(gòu)鉸鏈B直接發(fā)生碰撞。

2.1.1切換原理

四面體夾具的切換過程主要分為8個(gè)步驟，如圖7為切換的具體過程：

（1）初始狀態(tài)：四面體夾具隨著滑橇運(yùn)行到切換工位時(shí)，檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到四面體夾具已經(jīng)到位時(shí)，此時(shí)即為初始狀態(tài)。

（2）嚙合：四面體到位后，線旁切換機(jī)構(gòu)的推動(dòng)氣缸動(dòng)作推著伺服電機(jī)與旋轉(zhuǎn)軸向前運(yùn)動(dòng)使旋轉(zhuǎn)軸端的嚙合塊與四面體夾具本體上的回轉(zhuǎn)盤嚙合。

（3）解鎖：嚙合動(dòng)作完成后，解鎖氣缸發(fā)生作用，氣缸向前推進(jìn)，氣缸頭上的撞塊撞向自鎖機(jī)構(gòu)鉸鏈B的下延伸桿，自鎖機(jī)構(gòu)的楔形軸與四面體本體上的楔形塊脫離，自鎖機(jī)構(gòu)被解鎖。

（4）旋轉(zhuǎn)切換：解鎖完成后，伺服電機(jī)輸出軸帶動(dòng)四面體本體作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)可作360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)做90°、180°、270°三種角度旋轉(zhuǎn)時(shí)分別對(duì)應(yīng)切換到的一種車型。

（5）解鎖氣缸回退：伺服電機(jī)作完回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，解鎖氣缸退回原位。

（6）鎖緊：解鎖氣缸回位后，鎖緊氣缸發(fā)生作用，氣缸在壓縮空氣的作用下向前推進(jìn)，氣缸頭上的撞塊撞向自鎖機(jī)構(gòu)鉸鏈B的上延伸桿，自鎖機(jī)構(gòu)的楔形軸與四面體本體上的楔形塊嚙合，自鎖機(jī)構(gòu)被鎖緊。

7.伺服電機(jī)回退。

8.鎖緊氣缸回退。

2.1.2四面體夾具的應(yīng)用

該機(jī)構(gòu)已成功應(yīng)用于上汽通用五菱柳東和東部車身多條補(bǔ)焊線上，如圖8為整體結(jié)構(gòu)，包括補(bǔ)焊工位和切換工位。寶駿二期公共補(bǔ)焊線和東部車身補(bǔ)焊線各有2條線，單線設(shè)計(jì)節(jié)拍為40J/h，每條線設(shè)計(jì)8個(gè)補(bǔ)焊工位，一個(gè)切換工位（切換工位放在空中），其運(yùn)用了256套四面體夾具，16套切換夾具。四面體夾具和切換機(jī)構(gòu)的制造成本都比較低，因其不帶動(dòng)力單元結(jié)構(gòu)有效減少生產(chǎn)運(yùn)行成本，降低能源消耗;同時(shí)，其在生產(chǎn)時(shí)夾具不動(dòng)作，輸送時(shí)是汽車白車身隨四面體夾具一起輸送到下個(gè)工位，產(chǎn)生非增值時(shí)間少，節(jié)省了寶貴時(shí)間成本，提高節(jié)拍。從目前運(yùn)用的情況看，四面體夾具結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，定位精度高，維護(hù)維修方便簡(jiǎn)單等，經(jīng)過補(bǔ)焊線焊出的白車身焊點(diǎn)穩(wěn)定。

經(jīng)過多年持續(xù)生產(chǎn)和新車型不斷的導(dǎo)入改造，采用四面體夾具做為定位的公共補(bǔ)焊線已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)了市面上的熱賣的五菱宏光/S、寶駿630、寶駿560、寶駿730、寶駿510以及新寶駿RS-5等數(shù)百萬(wàn)輛。

3結(jié)束語(yǔ)

四面體夾具的成功設(shè)計(jì)應(yīng)用，很好地解決了多車型在公共補(bǔ)焊線的混線批量生產(chǎn)問題，同時(shí)也方便未來(lái)新車型快速導(dǎo)入，只要某種車型停產(chǎn)或者不需要經(jīng)過此補(bǔ)焊線，就可以直接把車型的定位單元拆除，再設(shè)計(jì)新車型定位單元即可以實(shí)現(xiàn)新車型導(dǎo)入，而不影響其他車型的定位與生產(chǎn)。四面體夾具與線旁?shī)A具用低成本、高價(jià)值的設(shè)計(jì)理念不斷為公司與社會(huì)創(chuàng)造價(jià)值。