陳小民

(太原工業(yè)學院機械工程系，山西 太原 030008)

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后橋殼焊裝總成自動檢具機構設計

陳小民

(太原工業(yè)學院機械工程系，山西 太原 030008)

為了實現(xiàn)100%檢測汽車關鍵部件的幾何參數(shù)，以后橋殼焊裝總成為例，基于其結構特點，采用定性及定量相結合的檢測方式，設計了對其幾何參數(shù)進行檢測的自動檢具，并重點介紹了檢具的機械結構及檢測原理。生產(chǎn)實際應用表明，所設計的自動檢具檢測每個后橋殼焊裝總成所用時間大約為80s，且能夠達到0.1mm的重復性精度，滿足了檢測精度及生產(chǎn)節(jié)拍，實現(xiàn)了100%檢驗的要求。

后橋殼焊裝總成；自動檢具；機構設計

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車制造呈現(xiàn)出了規(guī)?；妥詣踊a(chǎn)的顯著特點[1]，為滿足制造過程中裝配時的互換性和使用過程中的安全舒適性，對諸如后橋殼焊裝總成等關鍵部件的幾何參數(shù)應做到100%的檢驗[2]。因此，汽車零部件幾何參數(shù)的高精度、快速及自動化檢測成為汽車制造過程中迫切需要解決的問題[3-4]。

1 后橋結構及檢測尺寸

后橋殼總成是汽車底盤中安裝差速器、半軸、輪轂、減震器、拉桿和懸架等部件的重要基礎件，支撐并保護主減速器、差速器和半軸等[5]。如圖1所示，檢測的后橋殼焊裝總成由左右對稱的“U”形長(短)縱拉桿安裝支架、減震器安裝支架、螺旋簧安裝支架、后橫向穩(wěn)定桿安裝支架及1個“U”形橫拉桿支架以焊接方式連接在一起。圖中軸線O1O2和中心線O3O4為設計基準，以其為X，Y軸，建立圖示的坐標系，則所需檢測的幾何參數(shù)為：1)左右對稱結構的支架上兩孔中心連線中點的中心距及其坐標(如圖中的AB)，中心連線與各坐標軸夾角(如圖中的A1A2和B1B2)，兩孔所在平面的距離(稱為檔距)；2)橫拉桿支架上兩孔中心連線中點的坐標，中心連線與各坐標軸的夾角及檔距。

2 自動檢測設備原理

后橋殼焊裝總成自動檢具作為自動化生產(chǎn)線的一個組成部分，受安裝空間的限制，尺寸不能太大。因此，設計時采用了定性檢測和定量檢測相結合的檢測方法。對結構特殊或定位基準不規(guī)則導致焊裝工藝不穩(wěn)定、容易出現(xiàn)超差的結構(如長、短縱拉桿安裝支架和橫向穩(wěn)定桿安裝支架)相關的幾何參數(shù)采用定量檢測方式；對結構簡單的孔和光軸結構(如橫拉桿支架、減震器安裝支架和螺旋簧安裝支架等)相關幾何參數(shù)采用定性檢測方式。

圖1 后橋殼焊裝總成結構三維示意圖

基于后橋焊裝總成的結構特點、定性及定量結合的檢測方式，設計了對其幾何參數(shù)進行檢測的自動檢具，如圖2所示。主要包括定位夾緊機構，長、短縱拉桿支架及橫向穩(wěn)定桿支架定量檢測機構，橫拉桿支架檢測機構，螺旋簧支架檢測機構和減震器支架定性檢測機構，激光位移傳感器測量運載機構等。

圖2 后橋殼焊裝總成自動檢具機械結構三維模型

2.1 定位夾緊機構

定位夾緊機構的作用是使工件相對于自動檢具上的檢測機構保持正確的位置，并在檢測過程中保持不變，其結構如圖3所示，由扶平機構、撐中機構、脹銷機構等組成，實現(xiàn)了工件的完全定位。

圖3 定位夾緊機構

扶平機構如圖3(a)所示，限制工件繞X軸的轉(zhuǎn)動自由度，為空間曲柄滑塊機構。檢測時，在工件重力作用下，扶平臂繞鉸接點轉(zhuǎn)動壓縮彈簧，在彈簧力作用下與工件底平面接觸。由于前后扶平臂高度相同，工件底平面始終平行于XOY平面。

撐中機構如圖3(b)所示，限制工件沿X方向的平動自由度，采用旋轉(zhuǎn)氣缸(圖中未畫出氣缸體)活塞桿連接一對左右對稱的曲柄滑塊結構。定位時氣缸旋轉(zhuǎn)，活塞桿帶動左右對稱滑塊伸出，與后橋殼底部圓弧接觸，圓心與坐標原點重合，起到定心作用從而限制了X方向的平動自由度。

脹銷機構如圖3(c)所示，限制工件沿Y，Z方向的平動自由度和繞Y，Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。圓錐脹銷體上開有4個斜槽，槽內(nèi)裝有楔塊。檢測時，工件首先放到兩側的預支承上，扶平和撐中機構動作，進行預定位。然后送進機構將脹銷機構推入后橋兩端軸孔內(nèi)，脹銷氣缸活塞桿推出，脹銷體運動，此時槽內(nèi)安裝的楔塊在脹銷體推力及導向套阻力形成的合力作用下沿徑向彈出與軸孔貼合，限制工件沿Y，Z方向的平動自由度和繞Y，Z軸的轉(zhuǎn)動自由度。檢測完成后，脹銷氣缸活塞桿收回，楔塊向下運動，工件下落由預支承進行支承。之后撐中機構活塞桿反向旋轉(zhuǎn)，左右對稱滑塊收回，工件完全松開。

2.2 長(短)縱支架參數(shù)檢測機構

長、短縱支架結構類似且檢測的幾何參數(shù)相同，因此這兩部分采用了相同的檢測機構，左右支架各用一套，如圖4所示。檢測機構主要由三層十字滑臺、Z向滑臺、支架、夾爪、氣缸、測量塊、角度傳感器、位移傳感器等組成，檢測時該機構具有6個自由度。

圖4 長(短)縱支架參數(shù)檢測機構

三層十字滑臺是一個具有X，Y 2個方向平動自由度的機構，底層固定于底座，中間層相對于底層可沿X方向滑動，頂層相對于中間層可沿Y方向滑動。Z向滑臺與三層十字滑臺的頂層共同安裝在Z向?qū)к壣希裳豘向滑動，測量塊與Z向滑臺固連，因此測量塊相對于底座具有X，Y，Z 3個方向的平動自由度。

夾爪支架與Z向滑臺通過軸承安裝，相對于Z向滑臺具有繞Z軸轉(zhuǎn)動的自由度。

夾爪機構通過軸承安裝在支架上，并與角度傳感器的軸固定連接，對于夾爪支架具有繞Y軸轉(zhuǎn)動的自由度，角度傳感器的外殼固定在支架上。

夾爪機構的兩個夾爪上安裝兩個彈頂錐銷，彈頂錐銷的軸線、夾爪支架的轉(zhuǎn)動軸線和夾爪的轉(zhuǎn)動軸線三者相交于夾爪的中心點。

檢測時，氣缸活塞桿伸出，推動兩個夾爪上的彈頂錐銷穿入支架的兩個孔中，同時會帶動位移傳感器運動。當錐銷的錐面與孔接觸時，彈頂錐銷受壓縮回，直到夾爪上的定位平面與支架的外側面貼合。在此過程中，Z向滑臺與三層十字滑臺分別沿X，Y，Z 3個方向運動，這些運動會映射到測量塊上，利用3個激光位移傳感器測量其位置的變化，即可得到兩孔中心連線中點的偏移量，而利用左右兩個測量塊的偏移量即可計算出中心距及中點的位置坐標。檢測過程中，夾爪機構帶動角度傳感器繞Z，Y軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對兩孔中心連線與Z，Y坐標軸夾角的測量，夾爪帶動檔距測量位移傳感器運動實現(xiàn)對檔距的測量。

2.3 橫拉桿支架參數(shù)檢測機構

橫拉桿支架幾何參數(shù)采用間接方式測量，即通過測量兩個安裝孔圓心坐標，計算得到所有的幾何參數(shù)。如圖5所示，橫拉桿支架檢測機構包括三層十字滑臺機構、電動缸、雙向彈頂銷機構、送進機構、插銷和測量塊等部件，與長、短縱支架檢測機構基本類似，區(qū)別在于其沒有Z向滑臺且使用了雙向彈頂銷機構從內(nèi)側穿入兩個孔進行測量，另外采用了電動缸而不是氣缸帶動銷子穿孔。

圖5 橫拉桿支架檢測機構

彈頂銷機構如圖5所示，機構包括1個可沿著軸線運動的雙向花瓣錐銷，花瓣銷中部開有凹槽，凹槽中放置1個頂珠，頂珠和頂柱之后有彈簧，在彈力作用下雙向花瓣銷始終保持向中心運動的趨勢。機構上下銷的軸線與兩個安裝孔理想的中心連線重合，檢測前彈頂銷處于中位。

檢測時，電動缸首先推動彈頂銷機構向上運動穿入上方圓孔中，花瓣銷在錐面導向作用下進入被檢孔，直至彈頂銷安裝座上的小定位平面與橫桿支架的開襠內(nèi)側貼合。此時，在花瓣銷牽引下，三層十字滑臺沿X，Y向運動，并將運動映射到測量塊上，由激光傳感器進行測量，此時傳感器的讀數(shù)即為上方孔圓心的位置坐標。接著，電動缸推動彈頂銷機構向下運動穿入下方圓孔中，利用相同原理測得下方孔圓心的位置坐標。根據(jù)這些坐標通過計算即可得到與橫桿支架相關的幾何參數(shù)。另外，通過讀取電缸穿入上方孔時的行程和穿入下方孔時的行程，便可計算出橫拉桿支架的檔距。

2.4 定性檢測機構

橫向穩(wěn)定桿安裝支架、減震器安裝支架和螺旋簧安裝孔位采用定性檢測法，檢測機構如圖6所示。

圖6 定性檢測機構

3種定性檢測機構形式上差別較大，但均是利用了類似通止規(guī)的檢測原理，機構結構也基本相同，主要包括了檢測量規(guī)(銷或孔)、電動缸、安裝支架和底座。

電動缸類似于直線電機，工作時在控制器的控制下作直線運動，其中缸體安裝在與底座固接的支架上，滑塊上安裝了用于檢測的銷或孔，檢具制造時需精確保證檢測量規(guī)的空間位置。

用戶不僅可以通過軟件設置電動缸工作時的力矩(或推力)，還能精確控制并讀取其位移。在定性檢測時，電動缸的推力應設置為較小值，只要遇到較小的阻力滑臺就能立即停止，此時可以通過讀取電動缸的位移來判斷幾何參數(shù)的偏差是否在設計范圍內(nèi)。

工件定位夾緊后，電動缸動作，帶動檢測量規(guī)穿入待檢的孔或軸。如果被檢測的孔或軸在設計公差內(nèi)(通規(guī)通過，止規(guī)止住)，電動缸的行程會大于規(guī)定值；如果工件被檢測的孔或軸超差，則電動缸的行程小于規(guī)定值。

2.5 激光位移傳感器測量及運載機構

在長縱、短縱拉桿和橫桿支架的定量檢測中，均將關鍵點的坐標位置映射到測量塊上，采用激光位移傳感器測量5個測量塊在X，Y，Z方向的位移偏移量。如果不考慮成本，可在每個測量位置安裝3個激光位移傳感器，則共需要15個?？紤]到激光位移傳感器的價格較高，從而設計了如圖7所示的激光傳感器測量和運載機構。按圖1所示工件方位，前面有3個測量塊對應了短縱和橫桿支架的檢測，后面有2個測量塊對應了縱支架的檢測，如圖7所示。6個激光傳感器被分為2組并以對稱結構安裝于傳感器座上，分別檢測前后測量塊位移。傳感器座安裝在電動缸的滑臺上，可在X方向精確移動、定位。檢測時，測量和運載機構在控制系統(tǒng)的控制下按照檢測順序依次運行到測量塊附近讀取測量塊位移。其中Y，Z方向的位移可直接獲得，而X方向由于要保證測量運載機構沿X方向的運行及檢測，將該方向的測量塊倒角成斜面。測量時先測得垂直斜面方向的位移，然后再計算間接得出測量塊在X方向的位移。

圖7 激光傳感器測量及運載機構

3 控制系統(tǒng)簡介

后橋殼焊裝總成自動檢具是典型的機電一體化設備，對于任意一個機電一體化系統(tǒng)，機械部分和電氣控制部分都是不可分割的，只有在控制系統(tǒng)的控制下，通過機電液氣等傳動裝置，機械部分才能按照要求完成工作，實現(xiàn)相應的檢測功能。因此，一個穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)對機電一體化設備來說都是必須和至關重要的。基于西門子s7200 PLC、Wincc組態(tài)軟件和現(xiàn)場總線等技術設計完成了自動檢具的控制系統(tǒng)，通過其實現(xiàn)對電動缸和氣缸等的控制，進而帶動檢測機構進行相應的動作完成檢測任務。由于篇幅關系，控制系統(tǒng)的組成及工作原理不作詳細介紹。

4 應用及結論

如圖8所示，筆者設計的后橋殼焊裝總成自動檢具已完成設計制造并成功應用于生產(chǎn)現(xiàn)場。實踐結果表明，后橋殼自動檢具實現(xiàn)了后橋殼幾何參數(shù)的全自動檢測，達到了 0.1mm的重復性精度，保證了后橋焊裝總成工件的質(zhì)量。同時，能保證每件80s的檢驗節(jié)拍，達到了對后橋殼焊裝總成100%檢驗的要求，滿足了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。另外，所設計的自動檢具具有將檢測結果等數(shù)據(jù)自動歸檔的功能和友好的人機交互環(huán)境，實現(xiàn)了操作者對自動檢具的“透明化”操作及對檢測結果的“直觀化”理解。筆者所做研究為汽車關鍵部件幾何參數(shù)的自動化、高效和高精度檢測提供了參考，具有實際應用價值。

圖8 自動檢具現(xiàn)場

[1] 高婧．中國汽車制造業(yè)集聚研究[D]．長春：吉林大學，2014.

[2] 王穗．零件尺寸累計誤差對汽車后橋差速器傳動特性影響的分析[J]．機械，2000(增刊1)：49-50.

[3] 彭斌，周平香，趙霞．汽車車架焊接變形及控制方法[J]．熱加工工藝，2011(7)：164-170.

[4] 張永紅，陳建衛(wèi)，韓福生．汽車車架焊接過程中焊接變形的控制方法[J]．汽車工程師，2012(5)：54-56.

[5] 王喜亮，廖輝江．汽車后橋焊接生產(chǎn)工藝[J]．電焊機，2006(6)：63-65.

The mechanism design of automatic checking fixture for rear welded axle assembly

CHEN Xiaomin

(Department of Mechanical Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Shanxi Taiyuan, 030008, China)

In order to meet interchangeability of key parts such as rear welded axle assembly for car in assembling, the 100% measurement of geometrical parameters of them is necessary. Based on structural characteristics of certain rear welded axle assembly, it designs an automatic checking fixture to measure its geometrical parameters combined with qualitative and quantitative methods, introduces mechanical structures and measuring principle. The practice application shows that the device achieves the repeatability accuracy of 0.1mm, the measuring time of about 80 seconds and the 100% measurement of the parts. This satisfies the measuring accuracy and the yield time.

rear welded axle assembly; automatic checking fixture; mechanism design

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.009

2015-06-08

陳小民(1957—)，男，遼寧葫蘆島人，太原工業(yè)學院助理工程師，主要從事專用機械設備的設計開發(fā)工作。

U466

A

2095-509X(2015)09-0030-05