C-GIS 氣箱直焊縫夾具新結構新工藝改進

杜建霞，李 瓊，張紅玉，周建軍，王 寧

（1.甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741001；2.天水長城開關廠集團有限公司，甘肅 天水 741020）

C-GIS 的制造工藝是影響其質量與水平的最重要的方面，其中氣箱焊接質量直接影響著開關柜的質量和生產效率[1]。為提升中壓柜在市場上的競爭力，國外企業大多采用焊接變形小、焊接缺陷少、適合規模化生產的激光焊接方式提升產品質效。對國內企業在建設激光焊生產線的同時，改造現有的氬弧焊或氣體保護焊生產制造工藝，提升充氣柜氣箱的密封性能來提升產品質量和效率是迫在眉睫的任務。

1 原有C-GIS 氣箱直縫焊接夾具介紹

充氣柜氣箱的密封性能成為制約中壓開關柜高質量發展的“卡脖子”技術難題。充氣柜氣箱的泄漏問題對高壓充氣柜的滅弧性能、絕緣性能及環境保護都有很大影響。充氣柜氣箱的焊接質量和其焊接工裝夾具性能有著密不可分的關系[2]。

1.1 工作原理

圖1 為原有采用賽融實時跟蹤傳感器的庫卡機器人系統C-GIS 氣箱直縫焊接變位機工裝夾具實物圖。圖2 為變位機工裝夾具CAD 效果圖。固定臂與機體固定連接，活動臂可沿橫梁移動帶動右夾具靠近左夾具夾緊C-GIS 氣箱，或者遠離左夾具松開C-GIS 氣箱。左、右夾具上分別有4 個可沿徑向調節距離的卡爪。當活動臂靠近固定臂時，左夾具上的4 個卡爪與右夾具上的4 個卡爪頂在C-GIS 氣箱左右側面棱邊上，通過左右對頂夾持力將氣箱固定在焊接工位上。

圖1 夾具實物圖

圖2 夾具CAD 效果圖

1.2 存在的問題

如圖2 所示，用對頂夾持力對C-GIS 氣箱進行時，左側4 個左卡爪和右側4 個右卡爪分別夾持在氣箱的左、右側強度較高的棱上，即焊槍的焊道上。此種對頂夾持存在的問題有三，如下所述。

①對頂夾持的卡爪位于焊縫上，阻礙了焊槍的焊道，使得變位機工裝夾具在一個工位姿態下只能焊一道焊縫，每個箱體的12 條焊縫需要2 次拆裝才能完成焊接，耗費時間長，效率低。②對頂夾持定位機構卡爪的力量難以控制，導致箱體變形或夾不緊的情況時有發生，影響生產質量。③C-GIS 氣箱在直縫焊接前，箱體的6塊板子是點焊連接狀態，多次反復裝夾容易引起箱體變形，影響直縫連續焊前焊縫縫隙的大小和質量。

總之，現有夾具存在卡爪不能獨立退讓阻擋焊道，加工時需多次裝夾氣箱，導致生產效率低、焊縫質量不高而直接影響充氣柜氣箱的生產效率和氣密性等問題。

2 C-GIS 氣箱焊接夾具的改造目標及思路

2.1 氣箱特性分析

C-GIS 開關柜氣箱一般是由2.5～3 mm 厚度的6塊不銹鋼板材組成的薄壁箱體。在進行箱體直縫焊接前，6 塊薄壁版是點焊連接在一起，夾緊力過大或夾緊位置不合理，極易引起薄壁箱體的變形導致直縫焊道縫隙變形。因此，設計箱體焊接夾具時既要考慮夾緊力位置與大小問題，也要充分考慮夾緊的方式方法來減小夾緊力過大引起的變形[3-4]。

2.2 夾具改造目標

如圖2 所示，在原有固定臂、活動臂基礎上，對變位機夾具機構進行設計改造，通過改變裝夾方式，減小夾具對箱體的夾緊力，以防止薄壁板發生過大的變形而影響產品質量[5]；讓變位機夾具每個卡爪能夠獨立退讓焊道，實現變位機工裝夾具在一個工位姿態下能焊接3 道焊縫，每個箱體1 次裝夾、旋轉3 次（即3 個姿態）、完成12 道焊縫的焊接。

2.3 夾具改造思路

為避免對頂夾具卡爪左、右側對頂夾緊薄壁箱體容易產生變形的弊端，對其夾具定位機構進行改造。此處夾具運動機構設計分3 部分，一是上下、前后對夾運動機構設計，實現箱體同側（左側或右側）上下、前后夾緊定位；二是夾頭伸縮運動機構設計，確保每個夾頭可單獨伸縮退讓焊道；三是氣箱的左右定位的機構設計。

3 焊接夾具對夾機構設計

3.1 對夾機構的設計原理

如圖2 所示，采用“左卡爪”和“右卡爪”橫向對頂夾緊氣箱時，要保持自重為G的氣箱靜止不動，最小夾緊力N=G/μ，式中μ是滑動摩擦系數。由于μ為小于1 的常數，所以N＞G，即氣箱所受的最小夾緊力N大于氣箱的自重G。這也是圖2 中對頂夾緊機構容易造成氣箱變形的根本原因。

將圖2 中的左、右卡爪橫向左右兩側對頂夾緊定位，改造為如圖3 所示的上下、前后同側對夾的夾緊定位機構，其優點是氣箱的自身重量由某工位狀態下處于下方的左側和右側的2 個“下夾頭”承擔，其他夾頭主要起定位作用，合理避免了原有的對頂夾持產生過大夾持力而氣箱變形的情況，改造后的夾具在結構上更科學，在夾持方法上更加可靠。

如圖3所示，為對夾運動機構改造的3D示意圖，圖3（a）為固定臂上的夾具3D示意圖，圖3（b）為活動臂上的夾具3D示意圖。改造后夾具夾頭的運動特點：“3-上下夾頭”隨“1-上下組件”沿上、下方向移動，實現氣箱的上下方向的夾緊或松開；“4-前后夾頭”隨“2-前后組件”沿前、后方向移動，實現氣箱的前后方向的夾緊或松開；“5-上下導桿”“6-前后導桿”分別牽引“1-上下組件”“2-前后組件”相對或相向運動實現夾頭的夾緊或松開。

3.2 對夾運動機構的核心部件設計

3.2.1 對夾機構的選擇

對夾運動的核心就是選擇合適的運動機構來實現對導桿的控制。如前所述，圖3 中互相垂直分布的“5-上下導桿”“6-前后導桿”控制上下、前后組件的運動。液壓氣壓裝置、四桿機構、凸輪機構等均可實現導桿往復運動，但本夾具改進需充分考慮選用機構的占用空間大小、產量及性價比等因素，經過反復對比論證，此處選擇利用旋向相反的差動螺旋傳動工作原理來實現控制導桿相向或相對運動，來實現夾頭夾緊或松開氣箱的往復運動。

3.2.2 對夾機構的工作原理

如圖4 所示，為梯形螺紋差動螺旋機構[6]。當“1-固定螺桿”轉動時，與之配合的“2、3-移動螺母”將沿螺桿的軸線方向運動。“2、3-移動螺母”的運動直接帶動圖3 中導桿的運動、導桿牽引組件運動、組件移動決定夾頭開合運動，如此關聯運動的機械機構為后續開發夾具實現自動控制成為可能。

圖4 差動螺旋機構

由于固定螺桿1 左右兩端的螺紋旋向相反，假設固定螺桿1 左端與移動螺母2 旋合的螺紋為左旋螺紋，與移動螺母3 旋合的螺紋為右旋螺母時，按照雙動螺旋傳動螺桿（螺母）移動方向的判定，當固定螺桿1左視圖順時針旋轉時，用左手法則判定移動螺母2 向右移動，用右手法則判定移動螺母3 向左移動，此時移動螺母2、3 相向靠近移動，實現合攏夾緊功能；反之，改變固定螺桿1 旋轉為逆時針旋轉，移動螺母2、3 反向遠離移動，實現分離松開功能。如圖4 所示，固定螺桿的長度LAB的尺寸大小取決于氣箱規格；L23為左右兩移動螺母的有效移動距離。

3.2.3 對夾機構運動速度計算

計算旋向相反的差動螺旋傳動的運動速度，實際上就是計算差動螺旋傳動中兩反向移動螺母2、3 的相對移動距離。因為兩移動螺母2、3 旋向相反，活動螺母的移動距離計算式如下[6]

式中：L為螺母的移動距離，mm；n為回轉周數；Ph2、Ph3為螺紋導程，mm。

若螺紋的導程Ph2=Ph3=5 mm（P=2.5 mm），當雙頭固定螺桿旋轉一周時，兩移動螺母2、3 彼此靠近或彼此遠離的距離為L=1×（2.5×2+2.5×2）=10 mm。可根據需要來選擇導程以實現快速夾緊或松開的功能。對夾機構的開合時間長短，直接決定著箱體裝夾的輔助時間的長短，即生產效率，減小對夾機構開合的時間就是提高生產效率的一種方式。

3.2.4 對夾機構工藝設計

在充分考慮對夾機構的加工制造、運動的精度、運動平穩性及運動速度的情況下，本螺旋傳動梯形螺紋選擇中等公差精度，即兩移動螺母2、3 螺紋中徑公差精度為6 H，固定螺桿1 螺紋中徑公差精度為6 g，即配合公差為6 H/6 g；為保證梯形螺紋傳動的平穩性，旋合長度不宜太短，因此梯形螺紋中沒有短旋合長度，只有中旋合長度N和長度旋合長度L，設計時可根據具體需要選擇旋合長度；移動螺母2、3 的軸線與固定螺桿1 的軸線的同軸度公差等級可選擇IT7 或IT8[7]。如圖5 所示，選擇差動螺旋傳動固定螺桿梯形螺紋的外徑尺寸為60 mm，左端為右旋梯形螺紋，右端為左旋梯形螺紋，考慮固定螺桿的規格及運動的平穩性，左旋、右旋螺紋均選擇長旋合長度L；固定螺桿左端、右端螺紋中徑和頂徑公差帶代號均為6 g；固定螺桿左端右旋螺桿與右端左旋螺桿的同軸度為Φ0.025 mm；根據鍵的相關標準，查選固定螺桿Φ60 mm 上A 型普通平鍵的基本尺寸，并選擇正常連接，即螺桿上鍵槽公差代號為N9。

圖5 固定螺桿工藝圖

4 獨立伸縮夾頭運動機構設計

4.1 獨立伸縮機構設計

4.1.1 獨立伸縮機構的選擇

如圖3 所示，“3-上下夾頭”“4-前后夾頭”在某工作狀態夾緊氣箱時，依然位于焊道上。為使夾頭能在不改變焊接裝夾工位姿態的情況下，使阻擋在本工位姿態焊道上的夾頭能夠實現獨立伸縮運動，實現退讓焊道及復位的功能，即每個夾頭均應具有獨立伸縮的運動功能。如圖6 所示，為V 型伸縮機構[6]，采用V 型機構來實現夾頭獨立伸縮運動功能。圖6 中“2-夾頭”被左右2 個“1-V 型塊”夾持，“2-夾頭”可沿“1-V 型塊”的V 槽面相對運動，來實現“2-夾頭”的伸縮功能。

圖6 V 型伸縮機構

4.1.2 V 型伸縮機構的工藝設計

為保證夾具夾緊定位的準確性及裝配精度，V 型塊底面有平面度要求，鑒于平面加工銑削、刨削比較經濟實惠，V 型塊底面的平面度公差等級可選擇IT7 至IT9；V 型塊1 與夾頭2 兩側的“V”面有配合精度要求，可選擇基孔制，公差等級選IT7 或IT8 的間隙配合，比如H7/f6 或H8/f7，來確保夾頭2 與V 型塊1 相對運動。

4.2 伸縮機構的控制器件設計

如圖6 所示，為減小“2-夾頭”伸縮過程中對箱體表面劃傷，特增設“4-滾輪”以減小夾頭伸縮時對箱體表面的刮痕；“3-傳感器”通過監測“2-夾頭”與被夾持箱體的位移（距離），并將檢測到的距離轉換為電信號進行傳遞，來實現控制夾頭的伸出或縮回運動，同時又控制上下夾頭或前后夾頭靠近或遠離箱體的運動位置。換而言之，傳感器在此處即控制夾頭夾緊或松開箱體，也控制夾頭獨立或同時伸縮的運動。

5 氣箱焊接的定位及輔助機構設計

5.1 氣箱焊接的定位

氣箱在被焊接時，需要得到前后、左右、上下的穩固的定位，確保其在當下工位狀態下完成加工工序。綜前所述，氣箱焊接夾具改造后，圖2 中的“固定臂”上的“左夾具”“左卡爪”被圖3（a）中固定臂夾具代替；同理，“活動臂”上的“右夾具”“右卡爪”被圖3（b）中活動臂夾具代替。此時，氣箱上、下方向的定位由“3-上下夾頭”完成，其前后方向的定位由“4-前后夾頭”完成。那么氣箱左、右方向的定位與夾緊均由固定臂夾具和活動臂夾具雙側的8 個“L”型內突“7-左右定位器”承擔。同時，為確保上下、左右、前后定位的精度及性價比，對夾具的對夾夾頭底面間的平行度、對稱度公差等級選擇IT9 至IT10 即可。

5.2 活動臂位移控制

為能有效控制活動臂移動的距離與位置，在活動臂單側設置檢測并控制其運動位移的控制器，如圖3所示，活動臂上的4 個“L”型外突“8-限位器”來限制活動臂夾緊時的位置及速度，避免活動臂在靠近固定臂夾緊時與氣箱產生撞擊。

因此，以上設計實現了氣箱焊接前的上下、前后、左右的夾緊及定位功能，確保箱體在焊接時不沿任何方向發生移動和轉動。

6 結束語

①對夾夾持機構有效避免了薄壁氣箱焊接夾持力過大而產生變形的問題。②V 型伸縮機構能夠實現焊接工裝夾具每個夾頭獨立運動，使得遮擋焊道的夾頭松開退避，讓出焊道的功能，具備了焊接工裝夾具一個工作姿態下一次焊接3 條焊縫的可能。

綜上所述，本文的機構改造能夠實現每個箱體裝夾1 次，旋轉3 次，完成全部12 條焊縫焊接作業，大大提升了箱體焊接加工的效率和質量。同時，本文針對C-GIS 氣箱直縫焊接變位機工裝夾具的機械機構改造為后續開發其自動化控制奠定了基礎，也為設計易變形的薄壁件夾具提供了新思路。