方 月 劉建英

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450007)

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汽車離合器壓盤(pán)自動(dòng)激光焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

方 月 劉建英

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 450007)

針對(duì)汽車離合器壓盤(pán)的焊接，設(shè)計(jì)了自動(dòng)激光焊接系統(tǒng)，主要由夾具組件、頂起定位及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、焊接工位等組成。 夾具設(shè)計(jì)時(shí)以基座的中心孔為定位中心，夾具的軸承座兩側(cè)裝有兩套彈簧插銷機(jī)構(gòu)，保證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，確保了生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力由伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)提供，通過(guò)減速機(jī)軸末端轉(zhuǎn)盤(pán)上的定位銷將驅(qū)動(dòng)力傳遞至夾具及產(chǎn)品，完成產(chǎn)品的360°連續(xù)圓周焊接。

汽車離合器 激光焊 夾具設(shè)計(jì) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

0 序 言

激光焊具有焊接強(qiáng)度大、熱影響范圍小、激光束與工件非機(jī)械接觸、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，已經(jīng)在汽車、航空航天、電子精密制造及五金等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-6]。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，激光焊接設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越成熟，整套設(shè)備一般由激光光源及配套產(chǎn)品的系統(tǒng)組件組成。激光光源方面目前大量使用的是光纖激光器，激光器的轉(zhuǎn)化效率高、穩(wěn)定性好、耗能低[7-10]。目前激光焊的研究方向主要集中在焊接設(shè)備系統(tǒng)集成、焊接與自動(dòng)檢測(cè)結(jié)合、不同材料的焊接工藝研究等方面。激光焊接系統(tǒng)集成主要根據(jù)產(chǎn)品的類型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)定制化的系統(tǒng)，主要包括對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定位夾緊的治具，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)集成，具有輔助功能的抽塵、監(jiān)視系統(tǒng)等[8-11]。

其中治具主要起到對(duì)產(chǎn)品的精確定位及夾緊作用，激光焊對(duì)焊縫的位置精度要求較高，理論上激光束中心需要對(duì)準(zhǔn)焊縫中心位置，但是由于產(chǎn)品公差及夾具等形成的累積公差，導(dǎo)致激光束中心不可能對(duì)準(zhǔn)焊縫中心，激光在焊接熔合過(guò)程中可以將焊縫中心周圍的金屬一起熔化。因此實(shí)際焊接過(guò)程中，激光光束中心與焊縫中心的位置偏差值一般不超過(guò)聚焦光斑大小的10%為宜[12-13]，這種位置精度一般靠夾具定位可以滿足要求。由于激光與工件非機(jī)械接觸，且焊接過(guò)程中由于熱量累積會(huì)導(dǎo)致工件部分變形，因此需要夾具對(duì)工件施加機(jī)械力，抵消變形應(yīng)力，使得焊接過(guò)程均勻一致，因此治具的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接決定了焊接產(chǎn)品的質(zhì)量[14-15]。

文中根據(jù)汽車離合器壓盤(pán)的焊接要求，定制設(shè)計(jì)整套系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率，并且保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性及一致性。

1 焊接技術(shù)要求

需要焊接的產(chǎn)品為汽車用離合器中的組件，該組件由壓盤(pán)、基座及齒圈三部分組成，材料均為碳鋼。齒圈及基座是以過(guò)盈配合壓裝方式組合成為整體部件，該部件與壓盤(pán)端面貼合裝配并由相關(guān)機(jī)構(gòu)壓緊，其接縫位置需要激光進(jìn)行連續(xù)焊接。壓盤(pán)及基座分別是由厚度4 mm和3 mm的鋼板沖壓成型，齒圈則是切削加工而成。壓盤(pán)及基座均為直徑277 mm的盤(pán)狀零件，其中壓盤(pán)零件總高度為11 mm，基座總高度為23 mm，產(chǎn)品外形機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 焊接產(chǎn)品/成品示意圖

2 生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

設(shè)備主要由兩部分組成，即皮帶傳送部分和焊接部分。為了提高系統(tǒng)的通用性，傳送部分采用異步電機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)皮帶線運(yùn)動(dòng)，將夾具在裝夾位置與焊接位置之間往復(fù)傳送，既可作為獨(dú)立焊接設(shè)備使用，又可作為自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的一部分拼接于自動(dòng)化生產(chǎn)線之間。焊接部分則是由夾具定位機(jī)構(gòu)和輸出鏡頭移動(dòng)部件組成。夾具定位機(jī)構(gòu)通過(guò)氣缸將夾具頂起定位，并使焊接平面完全貼合。輸出鏡頭安裝固定在二維移動(dòng)平臺(tái)上，可在Y軸和Z軸方向電動(dòng)調(diào)節(jié)，焊接過(guò)程可通過(guò)輸出鏡頭上端的同軸CCD監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)備整體布局如圖2所示。

圖2 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 產(chǎn)品夾具的設(shè)計(jì)

焊接過(guò)程對(duì)焊接位置的縫隙要求極高，為保證激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，采用氣缸頂起的方式對(duì)夾具進(jìn)行定位并同時(shí)壓緊產(chǎn)品的焊面，消除焊接位置的縫隙。焊接產(chǎn)品為圓周連續(xù)焊接，夾具需要滿足360°連續(xù)穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的要求。

夾具轉(zhuǎn)盤(pán)中心有定位軸，與基座中心孔配合，夾具與產(chǎn)品的定位精度依靠基座中心的孔來(lái)保證。由于基座是沖壓件，其中心孔的位置精度是比較精確的，故采用基座中心孔作為定位基準(zhǔn)。夾具轉(zhuǎn)盤(pán)下方通過(guò)法蘭固定旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)一組角接觸球軸承來(lái)安裝固定在夾具底板上，夾具旋轉(zhuǎn)軸最下端裝有驅(qū)動(dòng)盤(pán)，用于驅(qū)動(dòng)夾具轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足一周連續(xù)焊接需求。

位于焊接工位下部的頂起旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)定位銷配合驅(qū)動(dòng)盤(pán)來(lái)帶動(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)一周，完成一個(gè)焊接過(guò)程。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，單純的軸承機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)脫離夾具后會(huì)處于自由狀態(tài)，會(huì)在任意角度產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致夾具轉(zhuǎn)盤(pán)底部驅(qū)動(dòng)盤(pán)的定位孔和頂起旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的

定位銷有較大偏差，這種狀態(tài)下定位銷被頂起之后并不能和夾具驅(qū)動(dòng)盤(pán)上的定位孔相匹配，導(dǎo)致設(shè)備異常，甚至損壞相關(guān)機(jī)構(gòu)。為避免這種情況的發(fā)生，夾具轉(zhuǎn)盤(pán)的軸承座兩側(cè)裝有兩套彈簧插銷機(jī)構(gòu)。正常狀態(tài)下，該機(jī)構(gòu)的插銷零件在彈簧的作用下從上部插入驅(qū)動(dòng)盤(pán)的定位孔中，保證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)脫離后夾具不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 頂起定位及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品裝夾好之后，隨夾具整體被皮帶線傳送至焊接位置，焊接位置下方裝有頂起定位及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部件。頂起定位組件依靠定位銷和夾具底板的定位孔配合，由兩個(gè)導(dǎo)桿氣缸頂起，并將夾具裝載的產(chǎn)品壓緊在上部固定的隨動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)上，使產(chǎn)品兩焊面貼合。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位于兩頂起氣缸之間，其旋轉(zhuǎn)動(dòng)力是由伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)提供，通過(guò)減速機(jī)軸末端的轉(zhuǎn)盤(pán)上的定位銷將驅(qū)動(dòng)力傳遞至夾具及產(chǎn)品。電機(jī)旋轉(zhuǎn)模塊靠直線導(dǎo)軌的導(dǎo)向，氣缸的頂起作用下，減速機(jī)末端轉(zhuǎn)盤(pán)上的定位銷插入夾具驅(qū)動(dòng)盤(pán)上的定位孔，將夾具上用來(lái)防止夾具轉(zhuǎn)動(dòng)的彈簧插銷頂出，此時(shí)夾具便可在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)完成焊接動(dòng)作。焊接完成之后，氣缸退回，電機(jī)旋轉(zhuǎn)模塊下降，彈簧插銷又在彈簧的作用下插入驅(qū)動(dòng)盤(pán)的定位孔，夾具轉(zhuǎn)盤(pán)保持圓周方向固定，頂起定位及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.4 焊接工位設(shè)計(jì)

產(chǎn)品裝夾之后，傳送至焊接工位頂起定位，輸出鏡頭在Y,Z兩軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的帶動(dòng)下，使焦點(diǎn)移動(dòng)到焊縫位置。采用2 kW光纖激光器，激光經(jīng)過(guò)光纖傳導(dǎo)至大功率輸出鏡頭進(jìn)行焊接，激光焊接的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾具及產(chǎn)品圓周運(yùn)動(dòng)360°，焊接完成后旋轉(zhuǎn)模塊及頂起機(jī)構(gòu)退回初始位置，夾具進(jìn)行下一步工序動(dòng)作，此為一個(gè)焊接周期。輸出鏡頭端部裝有同軸吹氣保護(hù)套，用于對(duì)焊縫位置吹保護(hù)氣體，使焊縫更加美觀，輸出鏡頭組件如圖5所示。

圖4 頂起定位及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

圖5 兩軸輸出鏡頭組件

3 結(jié) 論

(1)對(duì)汽車離合器壓盤(pán)的焊接定制化設(shè)計(jì)一整套焊接系統(tǒng)，將夾具在裝夾位置與焊接位置之間往復(fù)傳送，可作為獨(dú)立焊接設(shè)備使用，也可以作為自動(dòng)化焊接產(chǎn)線的一部分，具有實(shí)用性和通用性。

(2)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)旋轉(zhuǎn)模塊靠直線導(dǎo)軌的導(dǎo)向，氣缸的頂起作用下，減速機(jī)末端轉(zhuǎn)盤(pán)上的定位銷插入夾具驅(qū)動(dòng)盤(pán)上的定位孔，將夾具上用來(lái)防止夾具轉(zhuǎn)動(dòng)的彈簧插銷頂出，具有防錯(cuò)功能，確保設(shè)備實(shí)際過(guò)程中的穩(wěn)定性。

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2016-10-24

TG454

方 月，1980年出生，碩士，講師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。