斗車自動焊接工裝夾具設計

李益洋 李娜 徐建 張林海 馮慶東 熊運昌

摘要：車斗焊接時因人工焊接勞動強度大、效率低，自動焊接又因焊接原料不平整難于定位、焊接變形等問題使得焊接技術要求較高，應工廠要求，針對這些問題，設計一種雙工位自動夾緊及讓位卸料的自動焊接工裝夾具，它包括側板壓緊模塊、定位及吸附模塊、快速卸料模塊和底板側邊壓緊模塊等。相較于人工焊接有了更精準的定位、性能平穩可靠、設備結構容易更換、效率高，每個斗車焊接僅需3.5分鐘，在斗車自動化焊接夾具領域具有很好的應用前景。

關鍵詞：斗車;焊接夾具;快速卸料;人工焊接;自動化焊接

中圖分類號：S225.91+2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0080-03

0? 引言

斗車在建筑工程、農業生產等生活中應用極為廣泛，市場需求量很大。其生產工藝有焊接、鉚接、拉深成型三種[1-3]。

焊接成品強度高，壽命長，市場50%以上使用此工藝生產，但效率低且技術較高;鉚接加工方便，成本低，但產品強度低、承載載荷較小、壽命短;拉深成型斗車效率高，但受限于拉深加工工藝、深度較淺、壁厚不均等，適用于小型斗車[4]。對于載重較大的斗車來說，焊接占據較大優勢。現工藝為下料后焊接，因生產需要的精度要求較低，工人加工時基本沒有夾具，由全手工組對焊接，靠多次敲擊定位，其焊接時間長，勞動強度大，效率較低，且對工人焊接技術要求較高，特別是底板折彎件需要外力進行調整，對零件傷害較大，另外焊接時的強光及產生的氣體對人體有較大傷害[5]。

應企業需求，設計一種可實現穩定裝夾定位，并能夠克服焊接熱變形不便卸料的夾具，以方便機器人自動化焊接加工。同時單個車斗整體焊接加工時間控制在5分鐘以內，焊縫外觀順實，盡量減少人力勞動，并同時提高生產效率。

1? 斗車自動焊接工裝夾具方案設計

自動焊接方案設計，考慮裝夾與卸料時間，為提高機器人工作效率，采用雙工位;采用壓縮空氣為動力來源;考慮焊接熱變形采用內腔移動定位[6]。

1.1 斗車和定位框架尺寸的確定

根據工廠項目要求，車斗需要三塊鋼板拼接焊成，其中側板兩塊，底板一塊，斗車模型如圖1所示，焊接斗車的原材料裁切鋼板和折彎鋼板材料為冷軋鋼帶，厚度為1.8mm，側板質量3.13kg，底板質量8.69kg，焊接時由于是薄板焊接，所以不留焊縫，但是側板比底板高出1mm，方便進行角焊接。根據斗車設計出定位框架尺寸與焊接完成的斗車內壁尺寸一致。

1.2 斗車和定位框架尺寸的確定總體方案設計

根據斗車產品及焊接原板材要求，設計斗車自動焊接工裝夾具總體方案如圖2所示[7]。

夾具工作時，現由人工進行上料，首先放入固定側板，如圖2側板壓緊模塊，觸動接觸開關，控制側邊壓緊氣缸壓緊，其壓緊方向由導柱進行導向，以固定側為定位，完成固定側板定位與裝夾。而后底板上料，放置于底板定位框上，側邊方向由已完成裝夾的固定側板定位，同時由直角邊、斜邊兩個夾緊氣缸帶動壓板、旋轉銷等零件先進行夾緊，且由真空吸盤吸緊中間面，完成底板定位和裝夾。活動側板上料，定位由夾緊氣缸壓緊卸料氣缸，會將活動側板壓到設計位置完成定位并加緊。全部完成裝夾，進行焊接。卸料時，活動側邊壓緊氣缸、底板斜邊夾緊氣缸、真空吸盤、底板直角邊夾緊氣缸、固定側邊壓緊氣缸依次松開回復原位，最后快速卸料模塊的兩個氣缸同步帶動活動定位板回縮，使焊接完成的斗車與夾具之間產生縫隙，取下焊接完成的斗車進行下次的裝夾與焊接。

為提高效率以及焊接機器人的利用率，設計兩個工位交替進行裝夾和焊接，進一步降低生產成本。

2? 各氣缸及真空吸盤的確定

2.1 各氣缸推力以及真空吸盤吸力的確定[8]

2.1.1 側板和底板壓緊力計算

根據文獻的表1各種夾緊方式下夾緊力的估算公式得出。工件以兩平面定位，側向夾緊，所需夾緊力為：

式中：K-安全系數，一般取K=1.5～3，粗加工取大值，精加工取小值，由于本設計用于焊接，工件受力較小，故取K=2;

f-摩擦系數，由表1查得，取f=0.15。

可得，本課題所設計的側板所需壓緊力大小：

因側板原料不平整，故需加大側板壓緊力，取FS1=2000N。底板兩折彎邊兩個氣缸共同壓緊，則所需壓緊力略小，取FS2=1000N。兩個卸料三軸氣缸合力略小于側板壓緊氣缸，以100N進行計算。

2.1.2 真空吸盤吸力的確定

通過對底板兩側邊壓緊力的確定，對底板進行受力分析，如圖3所示。

其中：

F1、F2分別為斗車底板直角邊和斜邊的壓緊力，F1=F2=FS2=1000N;

Ff-摩擦力，摩擦系數由表1可得，取f=0.15。

列出底板水平方向受力等式：

可得，本課題所設計的底板所需真空吸盤吸力的大小：

FS=1867.34N，取FS=2000N

2.2 各氣缸推力以及真空吸盤吸力的確定

2.2.1 氣缸的選型

①氣缸缸徑的確定D。

式中：

F1-活塞桿的推力（N）;p-氣缸的工作壓力（MPa），取p=0.6MPa;η-載荷率。

若氣缸動態參數要求較高，且工作頻率高，其載荷率一般取η=0.3～0.5，速度高時取小值，速度低時取大值;若氣缸動態參數要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取η=0.7～0.85，根據設計要求，本設計取η=0.8，可得：

側板夾緊氣缸缸徑：D1≈72.84mm;

經查氣缸系列可得;缸徑應大于D1，取D1=80mm;

底板側邊夾緊氣缸缸徑：D2≈51.50mm;

經查氣缸系列可得;缸徑應大于D2，取D2=63mm;

卸料三軸氣缸缸徑：D3≈51.50mm;

經查氣缸系列可得;缸徑應小于D3，取D3=50mm。

②氣缸行程的確定L。

為使運動更加平穩，氣缸行程選用應比所需行程多出10～15mm，可得：

側板夾緊氣缸行程，L1≈25mm;

底板直角邊夾緊氣缸行程，90～180°;

底板斜邊夾緊氣缸行程，45～135°;

卸料三軸氣缸行程，L3≈25mm。

③氣缸型號的確定。

根據使用要求，選擇不同型號的氣缸，并通過以上計算，最終確定氣缸型號。

側板壓緊無特殊要求，選用亞德客JSI系列標準系列氣缸，底板側邊需要旋轉壓緊，符合要求的氣缸有亞德客系列的強力焊接夾緊氣缸，快速卸料模塊的氣缸需要承載較大的徑向載荷，所以選用亞德客系列三軸氣缸，具體型號如表2。

2.2.2 真空吸盤的選型

①真空吸盤選型計算。

式中：D-吸盤直徑（mm）;W-吸盤吸力（N）;t-安全系數，水平吊，t？叟4;垂直吊，t？叟8，取t=6;n-吸盤個數，n=5;p-吸盤內的真空度（MPa），取p=0.6。

可得：D？叟71.36mm

根據使用要求，選用SMC系列真空吸盤，具體型號為ZPT100HN-A16。

②真空吸盤其它配件選型。

根據使用條件，確定真空吸盤回路圖和其系統特性， 真空吸盤及其他配件選型具體型號見表3。

3? 導柱與導套設計

如圖4是導柱、導套的二維圖。材料使用45鋼，熱處理淬火加高溫回火，硬度45HRC，兩端對稱。其中間段與導套間隙配合，兩端由框架進行支撐。裝配時導套裝在柱銷固定板上，然后在與導柱進行裝配，柱銷固定板可沿導柱自由滑動。

4? 結語

本文設計一種雙工位自動夾緊及讓位卸料的自動焊接工裝夾具，它包括側板壓緊模塊、定位及吸附模塊、快速卸料模塊和底板側邊壓緊模塊等。實際設備如圖5所示。

經過生產實踐，裝夾生產每個斗車時間是3.5分鐘，相較于人工的14分鐘每個，大大提高了效率;且有了更精準的定位、性能平穩可靠、設備結構容易更換、效率高，焊接平順、質量好，在斗車自動化焊接夾具領域具有很好的應用前景。

參考文獻：

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