彭 羿，朱富強，唐高中

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

目前國內(nèi)汽車制造廠商在汽車生產(chǎn)線上普遍采用多車型同時或分批次混線生產(chǎn)的柔性化生產(chǎn)系統(tǒng)。在設(shè)計這類生產(chǎn)線的時候，經(jīng)常需要解決同一工位對多種車型不同零件進行精確定位的難題。而對一些在同一位置的定位面高度、形狀難以統(tǒng)一且沒有空間放置多套擺動或退讓機構(gòu)的零件，除了手工拆換部分或全部定位組件外，尚無特別理想的自動化切換機構(gòu)。目前，廣泛使用的一種定位塊手動切換裝置，如圖1 所示，其存在著切換時間長、操作占用空間大、重復(fù)定位精度低，長期使用易造成配合件磨損，甚至出現(xiàn)切換插銷扭曲斷裂等問題。

為解決上述問題，提高切換效率、定位精度以及夾具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，我們希望設(shè)計一種全新的車身焊接工裝緊湊型多定位自動切換裝置。

圖1 手動切換裝置

2 設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)分析

2.1 概述

普通白車身焊裝線通常使用氣動控制來提高生產(chǎn)線的效率和自動化水平，因此，為了滿足生產(chǎn)線效率的要求，充分利用車身線的氣動資源，切換裝置選擇采用氣動控制來實現(xiàn)自動切換。此外，為了給焊鉗留出更多的操作空間，切換裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量緊湊，小巧，這就決定了在選用氣缸時，要選缸徑盡可能小的。由于氣缸帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)需要克服的摩擦力較小（配合表面需經(jīng)過精加工），所以該切換裝置選擇了轉(zhuǎn)盤式切換。另外，只需缸徑很小的氣缸作為驅(qū)動，這樣即節(jié)約空間，又降低了成本，這里我們選用了FESTO 生產(chǎn)的規(guī)格為25×30 的小氣缸。同時，為了便于安裝、維護，本裝置設(shè)計時使用的襯套、螺釘、墊片等均為標準件。

2.2 裝置的基本結(jié)構(gòu)及運動分析

該自動切換裝置由氣缸、連接板、氣缸支座、驅(qū)動連桿、轉(zhuǎn)盤、支撐塊、定位塊一和定位塊二組成。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)點采用自潤滑無油襯套，以減少旋轉(zhuǎn)時對旋轉(zhuǎn)軸的磨損。定位塊一、定位塊二安裝在轉(zhuǎn)盤上，并通過相同標準的墊片組進行高度微調(diào)。而轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)軸固定在支撐塊上，另一端鉸接驅(qū)動連桿，驅(qū)動連桿與氣缸的一端連接，氣缸的另一端與氣缸支座鉸接，支撐塊和氣缸支座固定在連接板上。當氣缸推動驅(qū)動連桿時，驅(qū)動連桿與轉(zhuǎn)盤之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，同時驅(qū)動連桿也帶動轉(zhuǎn)盤沿其固定的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。而轉(zhuǎn)盤上固定的定位塊一、定位塊二隨之轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)定位塊一、定位塊二之間工作與非工作位置間的切換，進而適應(yīng)不同車型之間不同的定位型面。

氣缸推拉的起始點，代表定位塊一、定位塊二分別工作的狀態(tài)，如圖3（a）、（b）和圖4 所示，定位塊旋轉(zhuǎn)角度范圍0°≤β≤74.5°。從圖上可以看出，此裝置還可以通過添加不同的限位擋塊（限制轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的角度）、更換更大包角的轉(zhuǎn)盤、選用更大行程的氣缸來變換旋轉(zhuǎn)角度的大小，進而實現(xiàn)更多定位塊之間的轉(zhuǎn)換，潛在可開發(fā)的柔性更高。

圖2 緊湊型多定位塊自動切換裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 定位塊自動切換裝置不同狀態(tài)圖（轉(zhuǎn)盤逆時針旋轉(zhuǎn)）

圖4 同一定位塊兩種工作狀態(tài)的示意圖

2.3 與手動切換裝置的受力對比分析

對于手動切換裝置，如圖5（a）所示，切換插銷與插銷孔內(nèi)的襯套之間是緊配合，當定位面受到作用力P 時，通過力的傳遞，作用力P 被傳遞到切換插銷上（未考慮力的損失），同時連接板會對切換插銷產(chǎn)生一個反作用力T（T=P），這時切換插銷主要受到這個力作用。再加上作用力T 與P 不在一條直線上，不能抵消，所以作用力P 會繞連接塊的旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生順時針方向的扭力矩M。在扭力矩M 的作用下切換銷軸相對于連接塊的旋轉(zhuǎn)軸有沿切向運動的趨勢。為了平衡這一力矩M，在切換銷軸和連接塊的旋轉(zhuǎn)軸之間，必然也要產(chǎn)生一個反向等大的力矩M1，切向反作用力N必然要比作用力P 大得多(因為作用力P 的力臂L2要遠遠大于切向反作用力N 的力臂L1，而兩者產(chǎn)生的力矩大小是相等的)，這將使得作用在切換插銷上的剪切力會較定位面壓力P 成倍的放大，如果瞬間沖擊力過大，有可能造成插銷折斷或變形失效。即使瞬間壓力在可承受的范圍之內(nèi)，而在工作一段時間后勢必會造成切換插銷扭曲變形和襯套磨損，這不但影響了定位裝置的定位精度，也增加了襯套和切換插銷的更換頻率和維護時間，進而增加了使用和維護成本，并形成了產(chǎn)生產(chǎn)品缺陷的潛在可能。

同樣，對于多定位自動切換裝置，當定位面受到作用力P 時，通過力的傳遞，作用力P 直接傳遞到剛性很強的連接板上，在連接板上產(chǎn)生反作用力T，并直接達到平衡，不會產(chǎn)生作用在轉(zhuǎn)動部件上有害力矩。這樣就避免了切換插銷的切向作用力，從而也避免了由此造成的各運動部件（襯套、轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動連桿、銷軸等）機械損傷，保持了很高的定位精度，同時節(jié)約了使用和維護成本。

圖5 兩種切換裝置的受力分析簡圖

3 關(guān)鍵部件的特殊要求

在該自動切換裝置中，為了保證定位的精度和裝置的使用壽命，各關(guān)節(jié)點在設(shè)計時要有其特殊的要求。

定位塊設(shè)計時要根據(jù)型面的要求設(shè)計出與型面相一致的定位型面，且為了延長型面的壽命，減小長期使用后對型面的磨損，定位塊型面表面要具有一定的硬度和耐磨性（進行熱處理），同時還要注意表面防銹（發(fā)黑）。

鉸接點的旋轉(zhuǎn)銷在進行旋轉(zhuǎn)時，與襯套發(fā)生摩擦，長時間使用也會造成銷軸的磨損，因此，旋轉(zhuǎn)銷軸除了要求具有一定的硬度和韌性之外（采用45 鋼并熱處理），銷軸表面也要求有一定的硬度和耐磨性（淬火），同時注意防銹處理和表面粗糙度（Ra0.8）。此外，銷軸徑向尺寸要進行精加工以保證其與相鄰部件之間的配合精度。

4 結(jié)束語

本機構(gòu)可以根據(jù)不同車型產(chǎn)品零件的特點，對需要切換的定位塊（或定位銷）進行合理的位置布置，并結(jié)合調(diào)整氣缸行程和各連接件的尺寸，讓自動切換機構(gòu)能滿足不同旋轉(zhuǎn)角度的需求。在多車型共線的柔性化車身焊裝線中，應(yīng)用前景十分廣泛。

[1]楊握銓.汽車裝焊技術(shù)及夾具設(shè)計[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[2]熊曉萍，陶明元.汽車車身裝焊夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].長春：汽車工藝與材料，1998.

[3]孫大涌.先進制造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4]聞邦椿.機械設(shè)計手冊[M]第5 版.北京：機械工業(yè)出版社，2010.