斗车自动焊接工装夹具设计

李益洋 李娜 徐建 张林海 冯庆东 熊运昌

摘要：车斗焊接时因人工焊接劳动强度大、效率低，自动焊接又因焊接原料不平整难于定位、焊接变形等问题使得焊接技术要求较高，应工厂要求，针对这些问题，设计一种双工位自动夹紧及让位卸料的自动焊接工装夹具，它包括侧板压紧模块、定位及吸附模块、快速卸料模块和底板侧边压紧模块等。相较于人工焊接有了更精准的定位、性能平稳可靠、设备结构容易更换、效率高，每个斗车焊接仅需3.5分钟，在斗车自动化焊接夹具领域具有很好的应用前景。

关键词：斗车;焊接夹具;快速卸料;人工焊接;自动化焊接

中图分类号：S225.91+2                                文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2020）24-0080-03

0  引言

斗车在建筑工程、农业生产等生活中应用极为广泛，市场需求量很大。其生产工艺有焊接、铆接、拉深成型三种[1-3]。

焊接成品强度高，寿命长，市场50%以上使用此工艺生产，但效率低且技术较高;铆接加工方便，成本低，但产品强度低、承载载荷较小、寿命短;拉深成型斗车效率高，但受限于拉深加工工艺、深度较浅、壁厚不均等，适用于小型斗车[4]。对于载重较大的斗车来说，焊接占据较大优势。现工艺为下料后焊接，因生产需要的精度要求较低，工人加工时基本没有夹具，由全手工组对焊接，靠多次敲击定位，其焊接时间长，劳动强度大，效率较低，且对工人焊接技术要求较高，特别是底板折弯件需要外力进行调整，对零件伤害较大，另外焊接时的强光及产生的气体对人体有较大伤害[5]。

应企业需求，设计一种可实现稳定装夹定位，并能够克服焊接热变形不便卸料的夹具，以方便机器人自动化焊接加工。同时单个车斗整体焊接加工时间控制在5分钟以内，焊缝外观顺实，尽量减少人力劳动，并同时提高生产效率。

1  斗车自动焊接工装夹具方案设计

自动焊接方案设计，考虑装夹与卸料时间，为提高机器人工作效率，采用双工位;采用压缩空气为动力来源;考虑焊接热变形采用内腔移动定位[6]。

1.1 斗车和定位框架尺寸的确定

根据工厂项目要求，车斗需要三块钢板拼接焊成，其中侧板两块，底板一块，斗车模型如图1所示，焊接斗车的原材料裁切钢板和折弯钢板材料为冷轧钢带，厚度为1.8mm，侧板质量3.13kg，底板质量8.69kg，焊接时由于是薄板焊接，所以不留焊缝，但是侧板比底板高出1mm，方便进行角焊接。根据斗车设计出定位框架尺寸与焊接完成的斗车内壁尺寸一致。

1.2 斗车和定位框架尺寸的确定总体方案设计

根据斗车产品及焊接原板材要求，设计斗车自动焊接工装夹具总体方案如图2所示[7]。

夹具工作时，现由人工进行上料，首先放入固定侧板，如图2侧板压紧模块，触动接触开关，控制侧边压紧气缸压紧，其压紧方向由导柱进行导向，以固定侧为定位，完成固定侧板定位与装夹。而后底板上料，放置于底板定位框上，侧边方向由已完成装夹的固定侧板定位，同时由直角边、斜边两个夹紧气缸带动压板、旋转销等零件先进行夹紧，且由真空吸盘吸紧中间面，完成底板定位和装夹。活动侧板上料，定位由夹紧气缸压紧卸料气缸，会将活动侧板压到设计位置完成定位并加紧。全部完成装夹，进行焊接。卸料时，活动侧边压紧气缸、底板斜边夹紧气缸、真空吸盘、底板直角边夹紧气缸、固定侧边压紧气缸依次松开回复原位，最后快速卸料模块的两个气缸同步带动活动定位板回缩，使焊接完成的斗车与夹具之间产生缝隙，取下焊接完成的斗车进行下次的装夹与焊接。

为提高效率以及焊接机器人的利用率，设计两个工位交替进行装夹和焊接，进一步降低生产成本。

2  各气缸及真空吸盘的确定

2.1 各气缸推力以及真空吸盘吸力的确定[8]

2.1.1 侧板和底板压紧力计算

根据文献的表1各种夹紧方式下夹紧力的估算公式得出。工件以两平面定位，侧向夹紧，所需夹紧力为：

式中：K-安全系数，一般取K=1.5～3，粗加工取大值，精加工取小值，由于本设计用于焊接，工件受力较小，故取K=2;

f-摩擦系数，由表1查得，取f=0.15。

可得，本课题所设计的侧板所需压紧力大小：

因侧板原料不平整，故需加大侧板压紧力，取FS1=2000N。底板两折弯边两个气缸共同压紧，则所需压紧力略小，取FS2=1000N。两个卸料三轴气缸合力略小于侧板压紧气缸，以100N进行计算。

2.1.2 真空吸盘吸力的确定

通过对底板两侧边压紧力的确定，对底板进行受力分析，如图3所示。

其中：

F1、F2分别为斗车底板直角边和斜边的压紧力，F1=F2=FS2=1000N;

Ff-摩擦力，摩擦系数由表1可得，取f=0.15。

列出底板水平方向受力等式：

可得，本课题所设计的底板所需真空吸盘吸力的大小：

FS=1867.34N，取FS=2000N

2.2 各气缸推力以及真空吸盘吸力的确定

2.2.1 气缸的选型

①气缸缸径的确定D。

式中：

F1-活塞杆的推力（N）;p-气缸的工作压力（MPa），取p=0.6MPa;η-载荷率。

若气缸动态参数要求较高，且工作频率高，其载荷率一般取η=0.3～0.5，速度高时取小值，速度低时取大值;若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取η=0.7～0.85，根据设计要求，本设计取η=0.8，可得：

侧板夹紧气缸缸径：D1≈72.84mm;

经查气缸系列可得;缸径应大于D1，取D1=80mm;

底板侧边夹紧气缸缸径：D2≈51.50mm;

经查气缸系列可得;缸径应大于D2，取D2=63mm;

卸料三轴气缸缸径：D3≈51.50mm;

经查气缸系列可得;缸径应小于D3，取D3=50mm。

②气缸行程的确定L。

为使运动更加平稳，气缸行程选用应比所需行程多出10～15mm，可得：

侧板夹紧气缸行程，L1≈25mm;

底板直角边夹紧气缸行程，90～180°;

底板斜边夹紧气缸行程，45～135°;

卸料三轴气缸行程，L3≈25mm。

③气缸型号的确定。

根据使用要求，选择不同型号的气缸，并通过以上计算，最终确定气缸型号。

侧板压紧无特殊要求，选用亚德客JSI系列标准系列气缸，底板侧边需要旋转压紧，符合要求的气缸有亚德客系列的强力焊接夹紧气缸，快速卸料模块的气缸需要承载较大的径向载荷，所以选用亚德客系列三轴气缸，具体型号如表2。

2.2.2 真空吸盤的选型

①真空吸盘选型计算。

式中：D-吸盘直径（mm）;W-吸盘吸力（N）;t-安全系数，水平吊，t？叟4;垂直吊，t？叟8，取t=6;n-吸盘个数，n=5;p-吸盘内的真空度（MPa），取p=0.6。

可得：D？叟71.36mm

根据使用要求，选用SMC系列真空吸盘，具体型号为ZPT100HN-A16。

②真空吸盘其它配件选型。

根据使用条件，确定真空吸盘回路图和其系统特性， 真空吸盘及其他配件选型具体型号见表3。

3  导柱与导套设计

如图4是导柱、导套的二维图。材料使用45钢，热处理淬火加高温回火，硬度45HRC，两端对称。其中间段与导套间隙配合，两端由框架进行支撑。装配时导套装在柱销固定板上，然后在与导柱进行装配，柱销固定板可沿导柱自由滑动。

4  结语

本文设计一种双工位自动夹紧及让位卸料的自动焊接工装夹具，它包括侧板压紧模块、定位及吸附模块、快速卸料模块和底板侧边压紧模块等。实际设备如图5所示。

经过生产实践，装夹生产每个斗车时间是3.5分钟，相较于人工的14分钟每个，大大提高了效率;且有了更精准的定位、性能平稳可靠、设备结构容易更换、效率高，焊接平顺、质量好，在斗车自动化焊接夹具领域具有很好的应用前景。

参考文献：

[1]卢清华，徐沧强.焊接机器人翻转工作台的设计与分析[J].工程设计学报，2017，24（02）：211-216.

[2]李自强，冯爱新，罗敬文，黄宇，毛加成，张华夏，吴浩，程宝义.汽车传动轴焊接工艺优化研究[J].热加工工艺，2016，45（21）：157-161.

[3]王永刚，宁强伟，曲媛.运架设备轮组机构支撑臂焊接工艺研究[J].热加工工艺，2016，45（17）：236-238.

[4]郑立斌.车身焊接夹具设计的研究[J].机械设计与制造，2010（01）：250-251.

[5]王小纯，王俊阳.一种可自动装卸货物的翻斗车创新研究[J].机械设计与制造，2015（12）：45-47.

[6]董达善，俞翔栋.焊接顺序对薄壁箱梁变形和残余应力的影响[J].热加工工艺，2014，43（21）：163-166.

[7]苗松，贾玉菊.铲斗式装岩机几个重要参数选择计算[J].煤矿机械，2012，33（11）：26-27.

[8]胡茶根，殷国富，曾定洲，李堂明.汽车车身焊接夹具方案设计知识可拓重用模型[J].四川大学学报（工程科学版），2014，46（05）：195-200.