柔性化焊接線夾具智能快換裝置的設計

程雷

唐山松下產業機器有限公司 河北唐山 063000

1 序言

隨著當今汽車及兩輪車產品逐步向著個性化方向發展，其產品的更新、改型周期加快，使得生產批量越來越少，而品種卻越來越多。機器人焊接因其效率高、質量穩定、重復性好及柔性強的優勢而越來越多地被應用在智能制造領域，例如，汽車行業中機器人焊接應用占比約40%。如果說工廠使用焊接機器人的目的主要是為了提高焊接生產的質量和效率，那只能是實現生產自動化的初級階段，完全采用過去常用的剛性自動化設備或專機已經很難適應產品多變的要求[1，2]，智能柔性化焊接生產線的柔性化特點正是解決這一矛盾的最佳方案。柔性化焊接生產線是在相同的地方、同一條生產線上可同時滿足多種車型的生產，其通用設備和公用動力設施一次性投入、永久性使用，每次開發新車型時，只需增加局部專用設備，改造事先預置的通用設備和調試共用化程序，因此避免了重復投資造成的浪費，并且縮短了技改時間。然而，專用設備通常為各車型的夾具和抓手，如何快速且有效完成夾具切換，成為柔性生產線的關鍵技術[3]。柔性化焊接生產線有以下幾個特點：①柔性化機器人的應用。②柔性化切換系統。③高速輸送系統。在此主要介紹一種機器人焊接系統夾具智能快換裝置的設計及柔性化。

2 焊接夾具柔性化及快換裝置的特點

在柔性化焊接生產線上，由于各種車型或配置的差異化需求，導致工裝夾具種類和數量繁多，因此在不能實現各車型共用的情況下，工裝夾具要通過切換來適應不同車型的變化，實現柔性化共線[4]。

夾具的柔性化設計具體體現為：一是夾具和夾具梁整體更換，這種形式適合產品差異較大的零件；另一種是夾具梁和電磁閥端子等共用，只快換夾具[5]，這種形式適合同一車型且差異較小的產品。本文主要介紹一種適于產品差異較大場合的夾具快換裝置的設計方案，即夾具和夾具梁整體更換，主要體現在夾具梁和變位機之間的快換上。

目前，現有的夾具裝卸多采用數量不等的螺栓和螺母將夾具固定，在進行夾具換型時，需要人工進行找正定位、緊固、示教調試等多個步驟。由此，導致夾具在更換時勞動強度大，更換時間長，且容易產生調試不良品，這在很大程度上影響了生產效率和生產品質，不能滿足自動化生產線的需求。此外，在螺栓和螺母重復頻繁松緊的過程中，易出現螺栓和螺母的損壞，從而影響設備正常穩定運行。

本文所述夾具快換裝置的設計示例，經現場實踐，可以大幅提高夾具更換的效率，減輕工人勞動強度，提高生產效率和生產品質，提升焊接生產線對柔性化的需求。該裝置可推廣應用在焊接生產線對柔性化有提升需求的場合，如汽車行業的排氣焊接生產線對汽車消聲器的焊接場合，以及兩輪車行業的摩托車車架焊接生產線對車架的焊接場合（見圖1）。

圖1 夾具快換裝置可試用的焊接產品

3 焊接夾具快換裝置的設計方案

焊接夾具智能快換裝置，可解決焊接夾具的拆卸及裝夾效率低及頻繁松緊標準件對設備造成運行不穩定的問題，從而提升焊接生產線的柔性化需求。

焊接夾具智能快換裝置包括主從動端快換結構、從動端定位結構、夾具小車導向定位結構（見圖2）。主從動端快換結構由氣動舉升機構將夾具小車送來的夾具升起和落下，起到接夾具和卸夾具的作用（見圖3）。帶鎖氣缸在導向銷和導向板導向作用下實現對夾具的夾緊和放松，同時帶鎖氣缸保證了夾具在系統突然斷電和斷氣情況下的安全；從動端定位結構用穿銷氣缸將處于換型狀態的變位機進行定位，以保證夾具的精確定位（見圖4）；夾具小車導向定位結構是夾具周轉及裝卸夾具的必要組成部分，是實現智能快換的前提保障。

圖2 夾具快換的總體設計方案

圖3 主從動端快換裝置

圖4 從動端插銷定位及快換裝置

通過對焊接夾具換型時的螺栓緊固結構和對焊接夾具的裝卸方式進行改進，實現焊接夾具在機器人自動焊接工作站的智能快換。

首先，裝載夾具的小車通過夾具小車導向定位結構（見圖5）進行出入工作站導向和準確定位，夾具小車導向部分沿著導向板推至定位塊處，同時夾具部分沿著主從動端快換結構的導向球到達精定位塊處，由壓緊氣缸將夾具小車壓緊，從而進入夾具裝夾的準確預定位置；然后操作舉升按鈕，控制主從動端快換結構中的氣動舉升機構到達接夾具位置，同時定位銷穿入夾具，定位板支撐住夾具，此時夾具脫離了夾具小車，把小車推至工作站外部后，操作落下按鈕控制夾具降至固定位置；其次，操作壓緊按鈕，帶鎖氣缸帶動夾具壓頭在導向銷及導向板的作用下對夾具進行自動壓緊，并起到斷電及斷氣后安全鎖緊夾具的作用；最后，在連接氣電快插后完成智能裝夾過程，隨后起動焊接程序以完成機器人對夾具上工件的自動焊接（見圖6）。

圖5 夾具小車導向定位機構

圖6 焊接生產線的夾具小車及快換裝置實例

機器人完成自動焊接后，需要對夾具進行換型操作時，首先啟動從動端定位結構，插銷氣缸帶動定位銷沿導向套進入從動端回轉盤的定位套位置，防止了從動端在換型過程中隨意轉動，為換型提供穩定保障；然后對工作站現有夾具進行拆卸氣電快插，再操作氣動舉升按鈕使夾具升起到位后，將小車推至預定位置，之后操作落下按鈕使夾具落至換型小車上，之后把小車推至工作站外預定位置，將裝載著新夾具的小車推至預定位置，進行智能裝夾的循環操作。

4 結束語

針對當今汽車及兩輪車產品焊接生產線的柔性化需求，介紹了焊接夾具柔性化、快換裝置的特點，以及一種夾具快換裝置的設計方案，焊接生產線柔性化的夾具智能快換裝置，減少夾具的設計、制造和安裝調試時間，縮短了換模時間，提高了生產能力，降低了生產成本。與專用夾具相比，具有明顯的技術經濟效果，特別適用于多品種、小批量生產的焊接系統，以創新的理念結合實際應用，對焊接生產線柔性化設計與應用具有一定參考價值。