装载机侧围总成机器人焊接夹具的设计*

岑升波

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545616）

装载机是工程建设中的主要机械，广泛应用于公路、铁路、矿山、港口和建筑等项目建设中[1]，随着国民经济发展，国家对基础设施的建设不断加大，市场对装载机的需求量也不断增加。焊接技术是装载机生产的最重要技术之一[2]，其中焊接夹具不仅是保证装载机焊接质量的关键因素[3-5]，还能提高生产的自动化程度和产品的焊接效率[6-7]，并能较好地控制焊接变形[8-9]。

装载机驾驶室为驾驶员提供了安全可靠的驾乘空间，能在发生意外时发生塑性变形，充分吸收撞击的能量，从而降低驾驶员受到的伤害[10-11]，而侧围作为装载机驾驶室的重要组成部分，其焊接质量的好坏直接影响到司乘人员的安全。侧围在生产过程中基本都是依靠工人手动定位、焊接，工序烦琐，生产效率低，焊接质量不稳定，同时焊接人员的工作空间有限、生产环境差。为改变现状，课题组应企业需求，针对装载机侧围总成的焊接工艺设计一种方便上下料、可实现快速定位和装夹的夹具，同时能够克服焊接变形，保证产品的尺寸精度，为企业机器人自动化焊接生产提供强有力的辅助，从而提高生产效率和产品质量，改善工人工作环境，降低人力成本。

1 装载机侧围总成结构分析和焊接夹具设计要求

1.1 侧围总成结构特点

装载机侧围总成的结构如图1所示，其组成的零件较多，一共由19个零部件焊接而成，总焊缝长度达到3 711 mm，为保证焊接精度，所有零件均需要六点定位，在对定位元件的布置位置和尺寸有严格要求的同时，还要保证空间上不能干涉，造成夹具定位复杂。侧围的零件处于不同空间位置，特别是后侧围焊合总成，该部件与框架是倾斜连接固定的，为保证每个零件能可靠装夹，对夹紧元件在空间上的布置也有一定的要求。

图1 装载机侧围总成的结构

1.2 侧围总成焊接夹具设计要求

根据企业的生产使用要求，侧围总成的焊接夹具应满足以下工作要求：

1）焊接夹具结构设计上应适应人体工程要求，充分考虑焊接操作的方便与安全可靠，并注意要有较好的开敞性，考虑焊枪的可焊空间，符合侧围的生产工艺要求，确保焊枪的最佳焊接姿态。

2）焊接夹具结构设计时必须保证操作者顺利放件和取件，运动部位灵活，无卡滞现象，操作过程中不与夹具干涉。

3）焊接夹具定位可靠（准确、稳定），重复定位精度小于0.1 mm；夹紧牢靠（压紧状态组件不松动、不偏移、无压痕或变形），应尽可能采用孔定位和外形面定位，定位部位尽量不选外形复杂的曲面，基准面和基准孔选择时一定要按照图纸规定，保证冲压件、焊接夹具、焊接检具基准上的统一，上下工序间必须采用统一定位基准以减小基准不统一引起的误差。

4）焊接夹具设计时应该考虑互换性和适应柔性生产，元件的选择应尽量采用标准件，且定位块应在主要的定位方向具有可调性，并考虑易磨损件的拆换方便，以便于焊接夹具修理。

5）焊接夹具应具有快速定位和夹紧功能，提高生产效率，生产节拍≥5JPH。

2 焊接夹具设计

2.1 焊枪姿态模拟

为保证焊枪的可焊空间，在设计焊接夹具之前，先建立焊枪模型，模拟焊枪在焊接时的状态，保证焊枪能顺利通过所有的焊缝，同时保证焊枪的电极帽中心垂直于工作表面且通过焊缝中心。在保证焊枪与工件无干涉的条件下，对侧围总成的焊接夹具进行结构设计。

2.2 支撑和定位元件设计

焊接夹具中最重要的部分就是支撑和定位元件，它是保证焊接工件在夹具中获得正确装配位置的关键部件。针对侧围总成的结构特点，采用六点定位原理进行夹具设计，约束侧围总成的刚性运动，抑制焊件的热变形。由于侧围总成的尺寸较大，必须通过吊装完成，为避免夹紧元件和定位元件在吊装线路上与焊件发生干涉，吊装前需将夹紧元件与定位元件移开。为提高工件的装夹效率，夹紧元件和定位元件均采用气动方式驱动，定位方式采用可移动式定位销和定位块相组合，定位块主要布置在侧围框架以及后侧围焊合总成下方，起到支撑和定位作用。由于侧围总成在焊接的过程中，不可避免地产生一定的装配误差，将支撑机构设计为可调支撑模式，可以提高夹具的装配精度。定位销布置在侧围总成的前立柱焊合件、上纵梁焊合件两侧，采用气缸驱动完成焊件四个角的定位。在装夹时需保证所有定位销有效部分均进入零件定位孔内，所有定位面均与零件贴合，以此提高重复定位精度。

支撑块和定位元件采用的材料为T10A钢，考虑到支撑块和定位元件与侧围总成接触容易发生磨损而失去作用，该部分定位元件增加表面淬火处理工艺，提高其耐磨性能，保证其使用寿命，并能够有效防止焊接飞溅的黏附。同时定位块和支撑块不允许采用焊接的方式连接，应采用螺钉紧固、销钉定位的连接方式，方便损坏件拆换，有利于焊接夹具的维修。

2.3 夹紧机构的设计

夹紧机构的作用是对焊接工件施加一定夹紧力，约束工件的自由度，保证焊接后工件尺寸精度合格。夹紧机构一般与支撑机构是成组出现的，共同固定在底座基板上。本设计采用气动夹紧，共采用12个夹紧器和12个气缸，能够将装载机的侧围总成牢牢地固定在焊接夹具上。夹紧架构由夹紧臂和3块压块组成，夹紧机构采用T10A钢，使用内六角螺栓将其与定位块连接，可以用来调整夹紧臂的工作范围。由于焊接零件结构复杂，为准确固定住倾斜姿态的零件，根据零件的外轮廓，设计出相对应的压紧块，如图2所示。

图2 夹紧机构

2.4 可调整支座设计

支撑机构、定位元件和夹紧机构的设计实现了侧围焊接时所需的定位精度，同时也保证了焊枪以最佳姿态焊接所需的工作空间。但为了更好地满足企业柔性生产的需求，提高焊接夹具零配件的利用率，将夹具设计为可调整式支座，采用L型支座，中间焊接了加强筋提高支座的强度和稳定性，支座安装了可调整连接板，实现夹具高度上的调整。可调整支座的结构简单，方便加工和焊接，调整方便灵活，也满足了企业轻量化的要求。

2.5 气缸的选择

根据设计需要，选择双作用单活塞气缸，并利用杠杆原理进行夹紧。由于侧围总成各拼接零件厚度是不一样的，所以所需的夹紧力也有区别，压力过小将会失去夹紧作用，压力过大的则会造成约束力过大导致焊缝开裂。侧围框架部分的材料较厚为2 mm，所需的夹紧力大约为500 N，而侧围内侧的封边和门框板较薄为1 mm，所需的夹紧力大约为300 N。此时，框架处的杠杆比为2.5，薄板处的杠杆比为4.5。气缸直径D为：

其中，γ为杠杆比，F为夹紧力，p为压缩气体0.6 MPa，η为气缸的效率，取0.8。将以上参数代入公式，侧围框架部分计算结果为D1＝57.60 mm，而侧围薄板部分计算结果为D2＝59.86 mm。经查气缸标准表可得，缸径应大于计算值，所以气缸缸径D＝63 mm，活塞杆直径为20 mm，选择的型号为亚德客MCKA63-75Y气缸。实际气缸的输出为1 869.40 N，框架部分实际夹紧力为598.21 N，薄板部分实际夹紧力为332.34 N。气缸为垂直输出，选择双铰耳垂直安装，侧围总成的焊接夹具整体效果如图3所示。

图3 侧围总成焊接夹具

3 总结

1）根据装载机侧围总成的结构特点，设计了适用于焊接机器人的气动夹具，定位夹紧迅速稳定可靠，使侧围各部件获得准确的位置和可靠的夹紧，操作灵活简便，能够大幅度减小侧围的焊后变形量。

2）经过生产实践，在相同的生产节拍中，采用机器人辅以本套焊接夹具，可以大幅度降低人力成本并改善劳动环境[12-15]。原本需要5名熟练工人流水线式焊接生产，现在只需要2名工人，负责上下件及电阻补焊工作，而且气动夹具的装夹效率高，焊接质量稳定，在装载机侧围总成的自动化焊接领域具有很好的应用前景。