汽車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊裝夾具氣路圖的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

高曉亮 李高楊

【摘 要】汽車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊裝夾具氣路設(shè)計(jì)過程可分為夾具設(shè)計(jì)、氣路圖設(shè)計(jì)、氣路安裝施工3個(gè)階段，按照氣路設(shè)計(jì)的3個(gè)階段順序給出氣路圖設(shè)計(jì)的一般方法。總結(jié)汽車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊裝夾具氣路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用中的一些共性問題，針對氣路運(yùn)用中的實(shí)際問題給出解決方案和優(yōu)化建議。

【關(guān)鍵詞】汽車排氣系統(tǒng)；機(jī)器人；焊裝夾具；氣路圖

引言

在機(jī)器人焊裝夾具設(shè)計(jì)過程中，氣路設(shè)計(jì)是夾具設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，氣動(dòng)元件的選用與安裝排布對焊裝夾具結(jié)構(gòu)以及機(jī)器人動(dòng)作軌跡都有一定影響。本研究以汽車排氣系統(tǒng)焊裝夾具為設(shè)計(jì)背景給出氣路圖設(shè)計(jì)的一般步驟，針對安裝調(diào)試中遇到的氣路問題提出解決方案，并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。

1、汽車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊裝夾具氣路的組成結(jié)構(gòu)

汽車零部件機(jī)器人焊裝系統(tǒng)的基本氣路結(jié)構(gòu)由能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置、傳動(dòng)介質(zhì)五部分組成。（1）能源裝置：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置，如空氣壓縮機(jī)；（2）執(zhí)行裝置：將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，如氣缸、氣壓馬達(dá)；（3）控制調(diào)節(jié)裝置：控制和調(diào)節(jié)氣體的壓力、流量和流動(dòng)方向的裝置，如減壓閥、節(jié)流閥、換向閥等；（4）輔助裝置：指除以上3種以外的裝置，氣動(dòng)三聯(lián)件、儲(chǔ)氣罐、消音器等；（5）傳動(dòng)介質(zhì)：傳遞能量的流體，即壓縮空氣。工廠現(xiàn)場一般設(shè)有氣源裝置，壓縮氣體經(jīng)三聯(lián)件后進(jìn)入夾具，因此汽車排氣系統(tǒng)焊裝夾具氣路設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮主氣路之后的部分。

2、汽車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊裝夾具氣路設(shè)計(jì)

2.1夾具設(shè)計(jì)階段

夾具設(shè)計(jì)階段是設(shè)計(jì)氣路的第一階段。夾具設(shè)計(jì)初期應(yīng)根據(jù)夾具情況預(yù)先選擇管線材料，一般夾具主氣路使用φ12mm聚氨酯管，控制調(diào)節(jié)裝置到執(zhí)行裝置之間可連接聚氨酯管，管外側(cè)用防燙管防護(hù)。氣線管徑的選擇：管徑過小會(huì)節(jié)流，因此限制氣缸的速度，而管徑過大會(huì)造成滯流，因此增加空氣消耗量和填充時(shí)間。氣缸較少、控制氣路不長的情況下一般憑經(jīng)驗(yàn)選擇，復(fù)雜氣路管線直徑選擇需要經(jīng)過計(jì)算。

2.2氣路設(shè)計(jì)階段

氣路設(shè)計(jì)的原則是讓氣路中的執(zhí)行裝置定位夾緊可靠，按照一定的順序松開、夾緊并確保安全。

確定氣路初始每一個(gè)氣缸的伸出縮回狀態(tài)，根據(jù)焊接工藝確定每一個(gè)焊接件的裝卸件順序，確定主定位銷是否需要在初始狀態(tài)伸出，是否有基準(zhǔn)定位氣缸需要預(yù)先伸出到位等。設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路：根據(jù)各種不同的控制目的及控制功能的要求，組成多種氣動(dòng)基本回路和適用回路，主要有以下7種：換向控制回路、氣動(dòng)邏輯回路、位置制控回路、壓力控制回路、速度控制回路、同步控制回路以及其他控制回路。確定回路組數(shù)：根據(jù)工件的夾緊打開順序，確定控制回路的組數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)可將動(dòng)作互不干擾的動(dòng)作合并到同一個(gè)方向控制閥來控制，但需要根據(jù)壓緊力、氣缸動(dòng)作速度等情況計(jì)算每組回路最多控制的氣缸數(shù)量。盡可能減少控制回路的數(shù)量，這樣操作簡單易控制，同時(shí)降低成本。確定控制閥形式：根據(jù)操作方式可選擇手動(dòng)閥、電磁閥、氣控閥等。根據(jù)使用條件可選擇中封、中泄、中壓閥。根據(jù)閥與電氣控制模塊集成安裝的形式不同，可選擇閥島安裝或匯流板閥片安裝形式，需要注意的是，在設(shè)計(jì)計(jì)算出控制閥數(shù)量后一般預(yù)留兩個(gè)空位，以便后期增加氣缸還能繼續(xù)使用，編號(hào)并設(shè)計(jì)制作標(biāo)牌。按照回路的動(dòng)作順序，先對回路進(jìn)行排序，然后排出每一組回路中的氣缸的先后動(dòng)作順序，定義第一組控制閥為V1.01，第二組控制閥為V1.02，依此類推。定義第一組控制閥所在回路的第一個(gè)氣缸為C1.1，第二個(gè)氣缸為C1.2，第二組控制閥所在回路第一個(gè)氣缸為C2.1，第二個(gè)氣缸為C2.2，依此類推。磁性開關(guān)的編號(hào)根據(jù)氣缸桿初始狀態(tài)的伸出狀況制定，例如編號(hào)為C1.1的氣缸伸出端磁性開關(guān)編號(hào)為MS1.1.1，另一側(cè)則為MS1.1.2。

2.3氣路安裝施工階段

汽車焊裝夾具組裝完畢后開始?xì)饴返陌惭b施工，氣路的安裝施工順序?yàn)椋海?）安裝三聯(lián)件；（2）安裝控制閥；控制閥采用匯流排形式的安裝在機(jī)箱里，采用閥島形式的直接安裝在夾具梁上。（3）安裝氣缸標(biāo)牌；（4）安裝主氣管，即三聯(lián)件到控制閥之間的氣管。（5）安裝各回路；每個(gè)電磁閥對應(yīng)氣缸之間的氣管連接，由于此步驟管線眾多，需要在氣管的兩端綁上之前制作標(biāo)牌加以區(qū)分。（6）安裝信號(hào)線：包括磁性開關(guān)線和接近開關(guān)線。（7）安裝主進(jìn)氣管：主氣源到三聯(lián)件之間的氣管。（8）調(diào)試氣路；施工階段應(yīng)注意：在布線的起始階段先確定走線形式是周邊走線還是有走線槽，走線時(shí)是否有區(qū)域需要避讓，如何走線距離最短而且整齊美觀。

2.4汽車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊裝夾具氣路的特點(diǎn)

（1）夾具安裝在變位機(jī)上，需要考慮主線的出線位置。氣管及線纜從旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)的對側(cè)安裝。（2）氣路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮控制閥的安裝位置。排氣系統(tǒng)焊裝夾具焊接時(shí)一般要求夾具可以繞回轉(zhuǎn)軸做360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此必須考慮安裝閥的機(jī)箱或者閥島是否會(huì)超出變位機(jī)的回轉(zhuǎn)半徑。（3）考慮快換功能。由于排氣系統(tǒng)通常長度較長，為了滿足柔性化生產(chǎn)的需要，汽車廠一般需要將排氣夾具分隔成若干個(gè)單元，單獨(dú)換型，因此設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)夾具氣路時(shí)必須考慮快換功能。夾具在快換單元設(shè)置了氣管的快換航插，可以實(shí)現(xiàn)氣路的快速更換。

3、汽車排氣系統(tǒng)機(jī)器人焊裝夾具氣路設(shè)計(jì)中的一些問題及優(yōu)化建議

3.1合理運(yùn)用氣路，簡化夾具結(jié)構(gòu)

汽車排氣系統(tǒng)焊裝夾具通常會(huì)遇到啟動(dòng)元件防掉落的問題，氣缸手動(dòng)伸出，螺母安裝到位后，應(yīng)保持安裝位置，不能因?yàn)闅飧鬃灾芈湎隆Ｍǔ５慕鉀Q方案是在氣缸行程方向增加一個(gè)小型氣缸對其進(jìn)行穿銷鎖止。優(yōu)化方案：防掉落回路如，原理是通過增加一個(gè)溢流閥，在重物升起時(shí)單向鎖定，落下時(shí)氣動(dòng)解鎖，氣缸退回。通過調(diào)整氣路簡化氣路結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)制造成本。

3.2考慮管線分布與機(jī)器人軌跡的空間關(guān)系

機(jī)器人焊槍與從夾具底梁下方通過，如果管線分布不合理將會(huì)影響焊接。優(yōu)化建議：在夾具設(shè)計(jì)階段對夾具和機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)仿真，在不影響焊接的情況下，盡量合理分布?xì)鈩?dòng)元件及管線，當(dāng)采用硬管如銅管時(shí)應(yīng)在氣路上標(biāo)明管線的走向，避讓焊槍。

3.3考慮采用閥島

閥島是由多個(gè)電控閥構(gòu)成的控制元器件，它集成信號(hào)輸入/輸出及信號(hào)的控制，是新一代氣電一體化控制元器件。由于其高度集成及高防護(hù)等級的特性，接線方式簡單，占用空間小，正逐步應(yīng)用于汽車焊裝夾具領(lǐng)域中。匯流排式安裝，需要2個(gè)機(jī)箱安裝電磁閥和電氣模塊組件，管線多且占用空間大。閥島安裝型夾具，其布線簡單，占用空間小。

結(jié)束語

氣動(dòng)夾具因其操作方便快捷、動(dòng)力源潔凈成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在汽車焊裝夾具中得到廣泛應(yīng)用。氣路設(shè)計(jì)是夾具設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管線排布對焊裝夾具結(jié)構(gòu)以及機(jī)器人動(dòng)作軌跡都有一定影響。以汽車排氣系統(tǒng)焊裝夾具為背景給出氣路圖設(shè)計(jì)的一般步驟，針對氣路元件在安裝調(diào)試中遇到的一些問題，提出解決方案，并對氣路設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的優(yōu)化建議。

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（作者單位：長城汽車股份有限公司）