關于焊接工裝夾具設計過程的研究

樊志家，高超

沈陽新松機器人自動化股份有限公司 遼寧沈陽 110000

1 序言

在“中國制造2025”的時代背景下，中國制造向自動化、智能化邁進，機器人裝備作為自動化生產的主力軍，在改革的大潮中得到了長足的發展。本文針對機器人焊接的焊裝夾具設計過程進行研究，焊裝夾具作為機器人自動化焊接的重要輔助設備，即保證了焊接工作的高效安全，也保證了焊接產品的質量穩定性[1]。

2 焊裝夾具的應用領域及主要作用

焊裝夾具是汽車生產線上的重要工藝設備，事關整個汽車的產品質量，在焊接生產中，焊裝夾具即能完成本工序的零件組裝、定位焊接，同時還能夠檢驗和校正上一道工序的焊接質量；焊裝夾具依靠準確、可靠的定位和夾緊系統，有效地防止和減輕焊接變形，減小制品的尺寸偏差，以自動化設備代替手工勞動，大大改善了工人的作業條件，實現機械化及自動化焊接生產過程[2-4]。本文針對某項目焊裝夾具設計過程進行分析，夾具布置如圖1所示，簡述焊裝夾具的設計流程及基本原則。

3 焊裝夾具設計流程

3.1 焊裝夾具設計依據

設計依據是以客戶提供的產品三維模型、產品圖樣、產品技術要求和有關技術要求等輸入信息，在設計焊裝夾具之前，應了解產品結構特征、工藝需要等信息，并結合企業自身的加工制作水平進行設計。認真分析用戶提供的產品圖樣，將各零部件的基準定位信息記錄并標記，如圖2所示，方便在后續設計中查閱。

3.2 設計前準備工作

在正式開始焊裝夾具設計之前，應根據之前分析圖樣得到的信息，在產品三維模型上，將產品需要焊接的位置標記焊縫位置分布，如圖3所示，以免在設計過程中丟漏焊縫，造成設計時間延誤；根據產品圖樣的定位信息，確定產品在焊裝夾具底板上的擺放位置，在滿足支撐定位的前提下，盡量使產品里夾具底板近一些，方便產品靠近夾具底板一側焊縫在變位機旋轉180°時，機器人可以更好的焊接姿態進行焊接；同時確定焊接所采用的焊槍型號，并要求提供焊槍的完整數模，將焊槍以合理的角度擺放至產品焊縫上，直觀的反應焊接過程，一般每條焊縫放置兩把焊槍，位于焊縫兩端，焊槍布置應與產品對接面有45°夾角，如圖4所示，與焊縫走向有75°夾角，如圖5所示。

圖1 焊裝夾具布置圖

圖2 產品圖樣基準信息

圖3 繪制焊縫信息

圖4 焊槍擺放角度

圖5 焊槍擺放角度

3.3 產品的定位系統

產品的定位分為定位銷及定位面，其中，定位銷分為圓形定位銷和菱形定位銷，圓形定位銷作為主要定位基準，菱形定位銷為防轉定位銷；定位面一般為支撐面，支撐面應有對應的壓緊機構進行壓緊，實現產品焊裝作業中一直保持在確定的位置上。在產品定位過程中，應注意以下常見問題，以免浪費設計時間。

1）在零件與焊接總成基準不一致時，通常按焊接總成基準定位。

2）在零件單件基準無法使用時，可以選擇總成中此件的功能性位置進行定位。

3）支撐面一般選擇在零件的基準面上，以保證不同批次產品定位基準相同，產品焊接質量穩定。

4）壓緊位置應選擇在距離焊縫近且底部有支撐的位置，原則上無支撐不壓緊，在底部無支撐的情況下仍需要壓緊來固定零件，則可以采用彈簧壓頭和增加壓緊限位擋塊，以免壓緊導致零件變形，影響產品焊接質量。

5）壓緊機構一般采用壓臂缸進行壓緊，壓臂的打開角度是由裝件時夾具平臺的角度決定的，例如，夾具平臺人工裝件的角度為15°，則遠離人側的壓臂缸打開角度需＞105°，以免壓臂在裝件過程中落下，影響裝件效率。

3.4 典型的定位機構

在焊裝夾具的設計過程中，應盡量選擇已經通用化、標準化的電網夾緊機構以及標準的零部件，提高夾具的通用化、系列化程度，以提高焊接生產線的可維護性。以下介紹幾種此項目使用的典型機構。

1）抽銷機構，如圖6所示。當產品孔的軸線方向與取件方向（一般為豎直方向）的夾角＞5°時，定位銷應設計成活動銷，在裝件之前由閥片控制氣缸帶動定位銷伸出，裝件后完成焊接，在取件前有閥片控制氣缸實現定位銷的縮回，完成銷定位工作。此機構可以根據產品孔的形式，對伸出銷進行修改，廣泛應用于焊裝夾具的銷孔定位機構。

2）浮動壓緊機構，如圖7所示。在要求多點同時壓緊或曲面壓緊時，為了讓所有壓點都能有效壓緊，可選擇浮動壓緊機構，根據實際情況，可以改變擺臂的形狀，通常擺臂回轉處間隙不能超過0.5mm，以保證良好的浮動壓緊效果。

3）圓管支撐壓緊機構，如圖8所示。在焊裝夾具的設計中，經常有圓柱類零件需要支撐壓緊，此機構是底部V形塊+可調節支撐銷來進行支撐，夾緊與之對應，可調節性良好，提高圓柱類零件的定位準確性。

4）U形支撐+彈簧壓緊機構，如圖9所示。此機構常用于方管的定位支撐，U形塊單側與方管一面接觸，方管另一面依靠彈簧壓緊機構來定位，U形塊另一側起初導向作用，產品取出時需克服彈簧壓緊機構與方管的摩擦力。常規的U形支撐兩側面都與方管表面接觸，發生焊接變形時，易導致工件無法取出，影響焊接生產。

圖6 抽銷機構

圖7 浮動壓緊機構

圖8 圓管支撐壓緊機構

圖9 U形支撐+彈簧壓緊機構

采用通用化、標準化機構能大大地提高設計人員的設計效率，節省設計時間。

3.5 夾具框架及氣路布置等相關附件

1）夾具框架是整個夾具的基石，它的強度及穩定性影響著整個產品的定位準確性和焊接質量，夾具框架一般由矩形管焊接而成，夾具框架上焊接夾具底板，所有的夾具定位組立都連接在此板上，夾具底板在滿足強度的前提下應盡可能增大開口率，以達到減輕整體重量，使夾具在回轉過程中受到的慣性矩變小，延長變位機等回轉元件的壽命。夾具底板的固定通常由4釘2銷定位固定，4釘四角分布，2銷對角線布置，在一些比較大型的夾具上，應增加聯接螺釘數量，并在定位銷孔處增加耐磨套，以保證夾具底板的定位可靠性。

2）氣路管線布置依據各氣動元件的工作位置及工作順序進行分組，并分配電控閥進行控制，通常一個電磁閥最多同時控制4個氣缸（40mm缸徑，行程＜50mm），使氣缸的動作穩定并快速響應。

3）為了滿足焊裝夾具的安裝調試及安裝等要求，夾具底板上需增加用于夾具吊裝的吊裝孔，要求吊裝時，夾具整體趨于水平狀態；同時還有用于夾具定位調整的坐標檢測孔，坐標檢測孔一般采用3個基準坐標孔，為了操作方便，有時也布置4個基準坐標孔；布置傳感器接線端子箱及氣管走向，應盡量避開焊縫區域，無法避開焊縫的管線應做防燙、防飛濺處理，以免管線損壞。

4）完成工程圖樣、機電交流文件、氣路原理圖等相關文件的編寫和繪制，完成設計工作。

4 結束語

本文從項目輸入著手，按照常規的設計工作流程，完成焊裝夾具的設計，通用化、標準化的焊裝夾具設計流程，能快速、高效、高質量的完成夾具設計任務，減少不必要的冗余時間，對之后項目的焊裝夾具設計工作有借鑒和指導意義。