介绍一种车身焊装线顶盖分拼的柔性定位工装

孙国威 宋建懿

摘 要：文章介绍了一种车身焊装线顶盖分拼的柔性定位工装，主要阐述了该工装的设计原理与基本结构，并详细介绍了其关键部件的设计要求。

关键词：顶盖；工艺；工装；旋转机构；多级机构；焊接

中圖分类号：U463.82 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0088-04

Abstract： This paper introduces a flexible positioning tool for dividing the top cover of the car body welding line， mainly expounds the design principle and basic structure of the tool， and introduces in detail the design requirements of its key components.

Keywords： top cover； process； tooling； rotating mechanism； multistage mechanism； welding

1 概述

目前，由于消费者对车型种类需求的多样化，车身焊装线的柔性化是各个主机厂发展的趋势。传统的顶盖分拼焊接拼台一般只能焊接一种车型，如果新增加几种车型就必须相应增加几条顶盖焊装线，包括相应的输送系统、焊接设备等，这样不仅需要更多的成本投入，同时场地的利用率也很低。在此背景下，我们研究出新型的顶盖柔性定位工装机构装置，很好的弥补了传统技术的缺陷。本文主要介绍新方案的设计原理和技术规范。

2 设计原理和基本结构介绍

2.1 设计原理

柔性方案（如图1所示）的运动控制方式为：手动、电控与气动相结合的控制方式，以实现工装的定位功能。主定位与横梁的定位销等工装安装在旋转轴上，切换车型时通过人工旋转机械轴进行切换。PLC系统通过电控信号来控制气缸动作的自动运行，并且满足气路设计时的时序要求。该系统的控制单元是普通的两位电磁阀组，电控信号是电磁阀的输入，该电控信号的输入一般分为以下几种类型，分别为：（1）人工按键信号输入；（2）气缸磁性开关信号输入；（3）接近开关信号输入。电磁阀通过识别各种信号以实现气路设计的动作要求。

工作原理（如图1所示）：整个机构主要由底座机构、底板机构组成，其中底座是固定在地面上的，底板和定位单元安装在底座上。正常工作过程时，当顶盖通过小车转运到达该工位时，接近开关的信号会传给PLC控制器，满足现场人员操作控制面板的前提条件。员工操作控制面板通过PLC控制夹具机构对顶盖零件进行夹紧，然后员工进行焊接工作操作。当员工焊接完成后，通过控制面板上的按键输入完成信号，PLC控制气路信号完成设计时气路动作。当需要切换不同车型时，首先人工通过旋转机械轴实现不同车型定位销单元的切换，然后员工通过操作面板实现不同车型顶盖定位单元夹具的切换，通过以上操作以完成不同车型定位工装的切换。如果旋转轴上的定位单元不能满足更多中车型的焊接需要时，就可以切换底板来实现更多种车型的柔性需求。

2.2 基本结构介绍

该柔性工装结构不仅应包括气缸、定位块、限位块、旋转轴以及定位销等工装组件，还包括要满足特定的运动动作，同时要满足机械设计的基本原理。因此，设计的工装应该满足使用要求，同时选用最合适的各个工装组件。

2.2.1 底座机构

如图2所示，该工装机构通过膨胀螺栓来调整它的平整度和水平度，调整完成后再通过工装L板焊接在地面的钢板上，上侧的滚轮用来进行底板的切换与支撑，前后侧各一个插销座用来作为底板的固定座，同时前后各2个手动机械锁和前侧的1个气缸锁用来锁紧底板。该底座机构可以切换安装不同平台的底板，以实现多种车型的柔性。

2.2.2 底板机构

如图3所示，底板机构是零件的定位机构，主要包括切换装置、旋转轴、安装面、横梁定位、支撑座、立板、定位单元，其中定位单元安装在立板上实现不同车型的切换，安装体上分别安装不同车型的横梁定位工装。

（1）切换装置

如图4所示，员工通过旋转手柄操作旋转轴实现不同车型的横梁定位以及顶盖尾部定位，然后机械锁紧装置锁紧旋转盘，每个旋转盘有4个锁紧点可实现4种车型的定位，该装置可以作为标准件后续设计进行引用。

（2）旋转轴、安装体、支撑座

如图5所示，安装体安装在旋转轴上，通过支撑座固定在底板机构上，每个安装体上有4个安装面可实现4种车型的定位安装需求。

（3）定位单元

如图6所示，定位单元安装在立板上，立板上的安装孔是标准孔，不同车型的定位单元安装在立板上不同孔的位置，每个定位单元分为一级和二级机构，非工作状态的车型的一级机构处于打开状态为不同车型零件让出空间，以此实现多种车型的定位。

该夹具机构分为1、2、3、4、5、6这6个旋转点，其中1、2、3是一级机构的旋转点，4、5、6是二级机构的旋转点，1、2、4、6是固定的，3与5是运动的。首先一级机构绕着2点进行旋转运动，到位后二级机构再绕着4点运动到位，设计过程中应遵循三角形几何定理（两边之和大于第三边，两边之差小于第三边），保证能够正常打开与关闭。工装定位位置按照尺寸工程师输入的定位策略进行设计，同时可以根据造车需求适当增加导向等工装。气缸的选型应该选择标准气缸，除非有特殊要求的选择非标气缸。标准气缸可以保证维护、维修以及准备备品备件的方便性。标准气缸应满足能够安装的要求，同时应该有合适的安装磁性开关的位置，以满足气缸前进和后退到位后传递信号到PLC。

关于气缸缸径和行程的选择需要通过计算结果进行选型，气缸的拉力需要克服的力用G表示，G=mg，其中g=9.8N/kg，m=定位单元的重量，在UG中可以测得m=12kg，所以G=mg=118N。一般气缸的拉力不能实现百分百利用，计算公式为F*=F？滋，其中F*是标准气缸的实际输出拉力，F是标准气缸的理论输出拉力，？滋是气缸实际的效率系数。根据F=PS公式，其中P是工厂使用的气压（标准范围为5-7bar），取中间值P=6bar=0.6MPa；S是标准气缸的活塞圆的受力面积（S=πD2/4），其中π=3.14，D是气缸的缸径，所以F=PS=0.6×3.14×D2/4×10=4.71D2。实际选型中μ一般为0.3-0.8，我们取0.5，则F*=F×μ=2.355D2。在实际的运动过程中气缸的拉力应大于需要克服的力，则F*>G，即2.355D2>118，D>7cm；根据标准气缸的缸径型号，我们选择最小气缸缸径为32cm。根据数模模拟结果，如图7所示，一级机构的旋转角度是a=45°，旋转半径为r=442mm，旋转周长L=2πr×（45÷360）=2×3.14×442×（45÷360）=35cm，二级机构的旋转角度是a=45°，旋转半径为r=247mm，旋转周长L=2πr×（45÷360）=2×3.14×247×（45÷360）=19cm，考虑打开与夹紧状态需要预留足够的行程以及综合气缸型号与安全考虑，我们选择标准气缸型号分别为WMDUKA32-T1569-75、WMDUKA32-T1569-50。

3 关键部件的设计要求

工装设计过程中，不仅要按照定位策略和BOP设计出符合使用要求的工装设备，同时为了保证工装定位的稳定性、使用方便性以及使用寿命高等要求，对关键的工装应进行特殊性的设计与加工，基本结构如图6所示。

3.1 调整垫片

采用可調式结构的定位块（MCP BLOCK）、定位销座，调整垫片厚度统一为3mm（1+1+0.5+0.25+0.25），调整垫片材料：不锈钢，推荐为0Cr13（日本钢号SUS410S）。标准调整垫片优先选用，标准规格无法满足要求的，经许可方可采用非标结构，厚度均按以上3mm要求配置（如图8所示）。

说明：此调整垫片为产品尺寸匹配所需，非消除夹具制造误差所用，夹具装配过程产生的累积误差≤±0.5mm的允许通过增减调整垫片进行调整，否则夹具零件尺寸必须返工到符合要求。

3.2 定位块

夹具公用主定位基准面、或与总成检具相同的基准面的定位块与支撑板做成一体式结构，不考虑可调，材料为45#钢，定位型面处局部淬火HRC38～42。定位块材料为45#钢，定位型面硬度HRC38～42，优先采用表面淬火，淬硬层深度≥2mm，也可采用整体淬火+低温回火的方式；重要的安装面、定位面及销孔要求热处理后精加工，确保所规定的粗糙度（型面、安装面Ra3.2，销孔Ra1.6）。安装面不得上色漆，要涂防锈油。

3.3 限位块（图9）

限位块的材料为45钢，热处理HRC42～45，类型：

A型、B型为单孔型，导向定位面较短。A型配合精度较差，用于位置度要求相对不高的单点或多点夹紧；B型配合精度高，用于短小摆杆的工件定位销的导向定位。

C型为B型的加长型，导向定位面较长，配合精度高，多用于带工件定位销的夹紧的导向及定位，及多级夹紧机构的除最后一级之外的摆动件的导向及定位，优先使用。

D型为V形块导向定位型，特点是精度好，占用空间较小，但无导向定位行程，对上下件配合的紧密度要求较高，经过许可方可使用。

3.4 旋转销

铰接点的旋转销在进行旋转时与衬套发生摩擦， 长时间使用也会造成销轴的磨损， 因此旋转销轴除了要求具有一定的硬度和初性之外（采用45#钢并热处理），销轴表面也要求有一定的硬度和耐磨性（淬火），同时注意防锈处理和表面粗糙度（Ra0.8）。此外，销轴径向尺寸要进行精加工以保证其与相邻部件之间的配合精度。

3.5 压板、L型连接板

一般常规的L型连接板安装部分增加+3mm的垫片进行调整，对应厚度一般为16mm；而对于主定位等关键件部位的工装安装部分同样增加+3mm的垫片进行调整，但是对应厚度需要增大到20mm-25mm，保证定位的稳定性和工装刚度要求。压板的机构按照类型不同一般分为三类（如图10所示）：（1）一体式结构；（2）无限位块压板与压块分离式结构；（3）有限位块压板与压块分离式结构。

而对于压板夹紧力的取值与选用气缸的关系如图11所示。

4 结束语

这种柔性顶盖工装能够兼容4*N（底板的个数）种车型，提高了生产线场地的利用率，应用前景比较广泛。此机构可作为一个标准模块运用在其他柔性化生产线上，具有推广潜力。

参考文献：

[1]杨握铃.汽车装焊技术及夹具设计[M].北京：北京理工大学出版社，1996.

[2]闻邦椿.机械设计手册（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]徐帅帅.介绍一种车身焊装线简易定位顶盖的工装[J].企业科技与发展，2015（13）：47-50.