吉林化工學院 航空工程學院(132102)

孫婉婷 戶風榮 唐秀麗

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變速箱撥叉片和銷軸零件激光焊設備的設計

吉林化工學院 航空工程學院(132102)

孫婉婷 戶風榮 唐秀麗

針對變速箱內的圓片與圓柱焊接，設計專用激光焊接設備，主要由上料組件、轉盤夾具組件、鉚壓組件、焊接組件、檢測組件和下料組件組成。其中CCD檢測組件自動檢測圓片的正、反面，由翻轉機構對反向的產品進行校正，焊接完成后采用渦流探傷檢測機構對焊縫進行檢測并且自動分揀，整個上料、裝配、焊接及檢測無需人工操作，提高了設備的自動化程度。通過實際生產測試，整套系統(tǒng)生產的成品合格率99%以上，節(jié)約了人工成本。

變速箱 激光焊 翻轉機構 自動化

0 序 言

激光焊與氬弧焊、電阻焊、超聲波焊接等方式相比，具有熱量集中、深寬比大、熱影響范圍小、易于實現(xiàn)自動化生產等特點，已經(jīng)在汽車、電子產品等行業(yè)中得到廣泛使用[1-5]。

變速箱的焊接生產目前大多采用人工上料、裝配及檢測的模式，人工的熟練程度及疲勞狀態(tài)嚴重影響產品的品質。自動化生產線生產是目前生產發(fā)展的趨勢，但是如何將自動化生產與激光焊有機結合起來，是目前的難點及研究重點，因為必須要綜合考慮生產的穩(wěn)定性、生產效率以及投入成本等因素[6-7]。

文中充分利用激光焊的特點，為變速箱零部件焊接設計一整套自動化焊接設備，減少人工操作，提高生產效率及保證產品品質。

1 焊接產品介紹及技術要求

待焊零件為變速箱內的零件，分別為撥叉片和銷軸，二者材料均為不銹鋼(牌號為SUS304)。其中，撥叉片為精密沖壓薄板零件，尺寸為26.5 mm×17 mm×2.5 mm，該零件沖壓成兩個φ8 mm的內孔；銷軸為一軸類機械加工零件，尺寸為φ12 mm，零件與撥叉片內孔結合部分外徑為φ8 mm，產品如圖1所示。二者均為精密加工零件，先通過鉚壓完成裝配，然后通過激光焊進行固定。

圖1 焊接產品示意圖

2 焊接總體設計

采用平均功率為150 W的YAG激光作為熱源，并用振鏡對其焊縫進行掃描焊接，提高焊接效率。如圖2所示，設備主要由下機柜、防護罩和夾具組件三大部分組成。防護罩和夾具組件集成在一起。防護罩由型材搭接而成，外形美觀且價格低廉，中間配上茶色有機玻璃，既可起到物理防護作用(將振鏡和外部隔離)，又可以防止焊接時產生的光污染。下機柜內安裝激光器和工控機等；夾具組件為設備功能性組件，可實現(xiàn)撥叉片和銷軸的自動上料、撥叉片和銷軸的鉚壓、激光焊、焊接成品檢測和下料等功能。設備工作時，實現(xiàn)撥叉片和銷軸自動上料，上料完成后通過氣液增壓缸對二者進行鉚壓，鉚壓完成后對其進行振鏡掃描焊接，焊接完成后進行渦流探傷檢測，分揀出合格品與不合格品。

圖2 設備總體機構圖

2.1 夾具組件設計

夾具組件主要由撥叉片上料組件、銷軸上料組件、轉盤夾具組件、鉚壓組件、焊接組件、檢測組件和下料組件等幾部分組成，如圖3所示。

圖3 夾具組件機構圖

設備開始運行時，銷軸上料機構首先將銷軸自動送入到轉盤夾具內；此后轉盤夾具帶著銷軸旋轉一個工位將其帶到撥叉片上料組件下方，此時撥叉片上料組件將撥叉片自動送入到裝有銷軸的隨行夾具內；此后裝有撥叉片和銷軸的隨行夾具在轉盤夾具作用下運動到鉚壓組件下方，此時鉚壓組件對二者進行鉚壓，使其完成前期的裝配，為后期激光焊焊接做準備；鉚壓完成后的半成品運動到焊接組件下方后，焊接組件對其壓緊后進行視覺定位(視覺定位為通過CCD檢測組件所拍攝到產品所處位置的圖像自動計算振鏡掃描的軌跡)，然后開始激光掃描焊接；焊接完成后，渦流探傷儀開始對成品進行探傷，渦流探傷可分辨出合格品和不合格品。若焊接后的產品為不合格品，則設備會聲光報警，人工將其單獨存放。

2.2 銷軸上料組件設計

銷軸上料組件主要由儲料機構、移載機構和抓取機構三大部分組成，總體結構如圖4a所示。

銷軸零件尺寸較小(φ12 mm ×11.7 mm )，來料時均已放在料管內，故銷軸上料形式為半自動上料，上料時人工將料管套入到儲料機構內，儲料機構一次可儲存4個料管，每個料管每次可儲存20個銷軸，儲料機構內的銷軸在被移載機構逐個分離后，抓取機構逐個抓取放入到轉盤隨行夾具內，即可完成銷軸的上料。

如圖4b所示，儲料機構主要由料管、分離機構以及相應的機械加工件組成。人工將裝有銷軸的料管插入到分離機構之前，分離機構內4個氣缸均處于夾緊狀態(tài)。當設備自帶運行時，移載機構運動到儲料機構下方，此時其中對應的氣缸松開,在重力作用下，銷軸向下掉落，直至銷軸掉入到移載機構的定位夾具內(圖4c)。定位夾具固定在線性模組上，模組可帶著定位夾具來回運動。當銷軸掉落到定位夾具內的套筒內時，對射式傳感器可檢測到銷軸是否到位。若到位則氣缸會夾緊，防止銷軸繼續(xù)下落。此后模組帶著定位夾具往外運動，完成將銷軸移出分離機構的目的。

當移載機構將定位夾具內的銷軸取出后，此時抓取機構內的氣缸開始將銷軸抓取放入到轉盤夾具內。如圖4d所示，在將銷軸放入到轉盤夾具內時，伺服電機會左右旋轉，確保銷軸能夠順利的被放入到隨行夾具內。因為激光焊屬于精密加工，隨行夾具和銷軸的間隙小于0.1 mm。

圖4 銷軸上料組件機構圖

2.3 轉盤夾具組件設計

轉盤夾具起到將銷軸和撥叉片定位、搬運的作用，因為銷軸和撥叉片之間的焊接檢測涉及到多個工序，故轉盤夾具組件設計成多工位形式。

如圖5a所示，轉盤夾具組件主要由轉盤、固定盤、隨行夾具、傳感器組件和中空轉臺等組成。中空轉臺內部有一個圓孔，固定盤通過機加件固定在設備大臺板上，這樣可保證轉盤旋轉時固定盤不動，如圖5b所示。隨行夾具固定在轉盤上，共有6個隨行夾具，隨行夾具剖面圖如圖5c所示。傳感器組件固定在固定盤上，可檢測銷軸和撥叉片裝配后是否偏離其指定位置。中空旋轉臺為螺旋錐齒輪傳導形式，相比于市場上的渦輪蝸桿傳導形式，擁有更高的傳動效率、更長的壽命以及更高的轉速，可適應高產能需求。

2.4 撥叉片上料組件設計

如圖6a所示，撥叉片上料組件主要由振動上料組件、電荷耦合元件檢測組件(簡稱CCD檢測組件)、翻轉組件、抓取組件以及相應其它機械加工件組成。

撥叉片上料為全自動上料，將批量的撥叉片投入到振動盤內，經(jīng)過振動盤的分選后依次經(jīng)過圓振(振動盤)和直振送出。因為銷軸和撥叉片的組合時，撥叉片有方向(正、反)要求，圖1中所示面為焊接面，振動盤無法對其進行分選，故需對其進行二次檢測和翻轉。翻轉組件將銷軸抓取出來移至CCD檢測組件下方，經(jīng)由CCD檢測撥叉片的正、反，若與焊接所需面相反，則對其翻轉180°，然后抓取組件再將其抓取并放入到轉盤組件的隨行夾具內，翻轉機構如圖6b所示。

當翻轉組件抓取撥叉片時，下部氣缸首先向前運動至撥叉片位置處(此時氣缸處于張開狀態(tài))，此后氣缸開始將其夾緊，并且舉升氣缸和撥叉片向上運動，下部氣缸退回，同時CCD檢測組件開始對其進行拍照檢測。若CCD檢測到的面為所需的焊接面，則擺動氣缸旋轉180°，反之則不旋轉。檢測完成后，抓取組件開始下降，如圖6c所示，氣缸1和氣缸2開始伸出，此后氣缸3開始向下運動，當氣缸3向下運動時，推桿氣壓脹套，從而將撥叉片夾緊，夾緊后線性模組運動到隨行夾具上方，然后各氣缸依次動作完成撥叉片的最終上料。

圖5 轉盤組件機構圖

圖6 撥叉片上料組件機構圖

2.5 鉚壓組件設計

如圖7a所示，鉚壓組件主要由氣液增壓缸、壓頭、直線運動副和對應機械加工件組成。當轉盤夾具帶著隨行夾具旋轉運動到鉚壓組件下方時，氣缸開始向下運動，將撥叉片向下壓，最終完成二者之間的鉚接。圖7b為鉚接機構示意圖，圖7c為鉚接機構放大圖。

2.6 焊接組件設計

如圖8a所示，焊接組件主要由振鏡、吹氣除塵組件、升降機構及對應機械加工件組成。振鏡固定在升降機構上，升降機構為手動調節(jié)形式，人工調整好焦距后可將其鎖緊。振鏡配有相應的環(huán)形照明燈以及氣簾，氣簾可對振鏡下方的聚焦透鏡形成保護作用，防止焊接飛濺和煙塵對聚焦透鏡的污染，如圖8b所示。吹氣除塵組件主要由下壓吹氣機構和除塵機構組成。除塵機構安裝在下壓吹氣機構附近。下壓吹氣機構內有一氣動滑臺，焊接時氣動滑臺向下運動將工件壓緊，然后開始吹氣，吹氣時開始除塵，如圖8c所示。

圖7 鉚接組件機構圖

圖8 焊接組件機構圖

2.7 檢測組件設計

該設計采用渦流探傷對焊接后的成品內部焊縫檢測，機構主要由線性模組、探傷儀、探針及其相應機械加工件組成，機構如圖9所示。焊接完成后，轉盤組件帶著焊接完成的成品運動到檢測組件下方，此后線性模組向下運動一定距離后，探針開始接觸到焊接位置。探針內有彈簧，與產品為彈性接觸，可保證與產品的充分接觸，此后渦流探傷儀開始工作，對產品進行檢測，焊縫表面有裂紋為不合格產品。若檢測到不合格產品,則設備聲光報警，人工將其揀出。

圖9 檢測組件機構圖

3 結 論

(1)撥叉片上料機構帶有CCD自動識別系統(tǒng)(檢測上料后撥叉片的正、反)，對振動盤自動上料的產品進行分類處理，避免誤操作。

(2)由氣缸、壓頭等組成的鉚壓機構對產品進行鉚壓預固定，然后激光自動進行焊接，吹氣及抽層系統(tǒng)輔助激光焊焊接，對激光系統(tǒng)進行保護。

(3)焊接完成后，自動檢測出合格產品或者不合格品，由人工對不合格產品分開取料，合格產品自動流入下一道工序，整個系統(tǒng)極大提高了自動化程度，提高了生產效率。

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2016-03-24

TG454

孫婉婷，1980年出生，碩士,講師。主要研究方向為機械工程、零件成形技術。