于 潔

（安川首鋼機器人有限公司，北京 100176）

0 前言

隨著社會進步人們的需求逐漸提高，市場更加需要具有特色、符合個人需求的汽車產(chǎn)品。傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)已不能滿足市場對多品種大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，生產(chǎn)柔性化對企業(yè)的生存能力至關(guān)重要。我國的汽車制造業(yè)尤其是轎車零部件制造業(yè)中，符合產(chǎn)品性能特點、高柔性、高質(zhì)量的焊接夾具設(shè)計已經(jīng)成為決定工業(yè)機器人設(shè)備能否高效、合理應(yīng)用的核心問題。在此主要介紹轎車排氣系統(tǒng)生產(chǎn)線上多種產(chǎn)品的焊接夾具快換方式和設(shè)計要點。

1 焊接夾具在排氣系統(tǒng)生產(chǎn)線上的應(yīng)用

1.1 轎車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成

轎車的排氣系統(tǒng)通常是指汽車中用于收集和排放廢氣的系統(tǒng)，是轎車中的重要組成部分。按照排氣系統(tǒng)距離發(fā)動機的遠近位置將排氣系統(tǒng)分為熱端和冷端，轎車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示[1]。

熱端部分是直接連接發(fā)動機的排氣口，主要包括歧管、催化凈化器、排氣溫度傳感器等。

圖1 轎車排氣系統(tǒng)的構(gòu)成

冷端部分承接熱端，主要包括中消、后消、排氣管、尾管、掛鉤等零部件。

1.2 焊接夾具在排氣系統(tǒng)生產(chǎn)中的重要應(yīng)用

目前轎車排氣系統(tǒng)需要采用大量焊接工藝來完成各部分零件的組裝，焊接過程中會產(chǎn)生大量的煙塵、弧光、金屬飛濺，焊接工作量大，環(huán)境惡劣，因此焊接機器人在排氣系統(tǒng)自動化生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。

為了使焊接機器人更好地完成焊接工藝，生產(chǎn)出穩(wěn)定合格的產(chǎn)品，需要對焊接產(chǎn)品實現(xiàn)準確的定位和可靠的夾緊，需要設(shè)計各種專用焊接夾具。焊接夾具的設(shè)計必須建立在對排氣系統(tǒng)各組成零部件的使用特性和功能有足夠了解的基礎(chǔ)上。熱端部分的主要功能是分解和凈化高溫有害氣體，要求焊縫密封性高。冷端部分的主要功能是消除噪聲，焊縫密封性要求相對較低。無論是熱端部分的產(chǎn)品還是冷端部分的產(chǎn)品，自動焊接夾具不僅能保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)精度方面的要求，還能提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人的勞動強度，在焊接生產(chǎn)實現(xiàn)機械化、自動化進程等方面都起著非常重要的作用。

2 排氣系統(tǒng)中多種產(chǎn)品的夾具快換方式及設(shè)計要點

傳統(tǒng)的排氣系統(tǒng)生產(chǎn)中一般是每種產(chǎn)品需要制作專門的焊接夾具，這種針對性強、結(jié)構(gòu)單一的焊接夾具利用率低，當企業(yè)遇到多種產(chǎn)品時，需增加夾具數(shù)量來滿足不同的需求，造成資源浪費，增加企業(yè)生產(chǎn)制造成本，因此需要焊接夾具具有靈活的快換方式來滿足多種產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。

焊接夾具的快換是指在機械機構(gòu)上設(shè)法實現(xiàn)減少安裝螺栓上緊及取下時間。以不取下螺栓而達到鎖定的功能為目標，在非常短的時間內(nèi)高效地完成夾具的轉(zhuǎn)換工作?？鞊Q的目的是縮短換模時間，提高生產(chǎn)能力，降低生產(chǎn)成本。

排氣系統(tǒng)中的冷端部分通常由尺寸較長的圓管、不同規(guī)格的消聲包以及形狀各異的掛鉤組成。針對上述冷端產(chǎn)品的特點，將焊接夾具快換方式分為兩大類。第一類為不需要拆卸的快換方式，在傳統(tǒng)的固定夾具中，安裝螺栓是最常見的，但是螺栓的松緊動作所耗費的時間通常占快換時間的較大部分。因此如何設(shè)計無需拆卸的快換方式成為夾具快換中的重中之重，可以通過以下3種方法來實現(xiàn)：①在不同管徑的產(chǎn)品條件下，夾具的快換方式采用旋轉(zhuǎn)方法，實現(xiàn)每次快換僅需旋轉(zhuǎn)一次即可完成不同產(chǎn)品定位之間的切換；②在不同規(guī)格的消聲包產(chǎn)品條件下，夾具的快換方式可采用滑軌，實現(xiàn)每次快換僅需操作人員很輕便地移動滑塊來切換不同產(chǎn)品的不同定位狀態(tài)；③采用擺缸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)兩種定位和壓緊組件全自動化的切換。第二類為需要拆卸的快換方式，即將每個拆卸的部分做成快換單元，每個快換單元內(nèi)安裝固定的結(jié)構(gòu)，采用C型開口墊圈，將其墊在螺帽下，只需將螺帽旋轉(zhuǎn)放松一圈后，即可從C型墊圈的開口處取下，達到完全松開目的。上緊時反向行之，僅需旋轉(zhuǎn)一圈即可達到擰緊目的[2-5]。

2.1 焊接夾具不需要拆卸的快換方式

焊接夾具快換盡量優(yōu)先選用不拆卸的方式，這樣可以縮短快換時間，降低快換難度，提高快換工作的安全性，下面介紹3種無需拆卸的快換方法。

2.1.1 不同管徑產(chǎn)品的焊接夾具旋轉(zhuǎn)快換方式和設(shè)計要點

冷端部分不同管徑的產(chǎn)品對比如圖2所示。

圖2 冷端部分不同管徑的產(chǎn)品對比

排氣系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到多種管徑、多種走向的管徑產(chǎn)品，將不同管徑的定位機構(gòu)設(shè)計安裝在一個公共底座上，利用公共底座上的轉(zhuǎn)軸，采用旋轉(zhuǎn)方式來切換不同的定位狀態(tài)。這樣不僅可以實現(xiàn)多種產(chǎn)品定位之間的靈活切換，還節(jié)省快換時間。3種不同直徑圓管的定位和壓緊方式快換組件如圖3所示。

（1）設(shè)計每種管徑的定位裝置。傳統(tǒng)定位管徑外圓的方法很多，常采用V形塊定位法，其特點是：①方便簡單，成本低廉，是機械加工設(shè)備常用的附件。②一般與壓板和螺栓結(jié)合使用。③配合擋塊等零件，夾具可以很快對產(chǎn)品進行定位和固定，特別是對于回轉(zhuǎn)體產(chǎn)品效果最好。但本設(shè)計夾具圓管外圓的定位采用U形，其優(yōu)點為：U形的三平面均可通過相應(yīng)的調(diào)整墊片來進行調(diào)整，更加準確和可靠。因此做成3種相似但不同的U形塊來分別定位不同管徑的外圓。

（2）將3種管徑的定位機構(gòu)放在一個公共的連接座上，連接座上設(shè)計一個帶凸起的轉(zhuǎn)軸和一個安裝底座，安裝底座上設(shè)計與轉(zhuǎn)軸相配合的軸套，通過連接座的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)來切換不同產(chǎn)品的定位位置，當轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)到位時，通過快換插銷鎖住位置，并通過接近開關(guān)信號來識別當前的定位機構(gòu)裝置所處狀態(tài)。

（3）圓管壓緊部分的設(shè)計?？稍趬簤K的不同高度位置打上圓孔，目的是當遇到不同管徑時，通過壓塊上的不同圓孔位置來調(diào)節(jié)壓塊的上升和下降，進而隨著管徑的變化做出相應(yīng)調(diào)整。

綜上所述，該結(jié)構(gòu)是一種用于管路定位的快換裝置，它包括其上設(shè)置至少一個管固定組件、鎖止部件、檢測部件的安裝支座。該鎖止部件用于鎖定或解鎖不同裝夾狀態(tài)；該結(jié)構(gòu)所提供的管固定組件可根據(jù)生產(chǎn)線選擇不同的管路配置來滿足生產(chǎn)需求的裝夾狀態(tài)，無需拆卸更換安裝底座，大大降低操作人員的工作量，節(jié)省時間，提高生產(chǎn)效率，進而提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。

圖3 3種不同直徑的圓管的定位和壓緊方式快換組件

2.1.2 不同規(guī)格的消聲包某處的定位和壓緊可以采用滑軌切換的方式

小消聲包掛鉤處的定位和壓緊快換組件如圖4所示。

不同規(guī)格的消聲包有很多不同的定位位置，其中最明顯的是消聲包上的掛鉤位置。當定位小消聲包掛鉤位置時，該機構(gòu)會影響和干涉大消聲包的定位，此時需要對該機構(gòu)進行不同產(chǎn)品、不同狀態(tài)的處理，因此在機構(gòu)下面增加滑軌，以方便地切換不同產(chǎn)品的不同狀態(tài)，當遇到小消聲包掛鉤產(chǎn)品時，操作人員將掛鉤的定位和壓緊機構(gòu)向左側(cè)滑動到位，用快換插銷進行鎖定，并由相應(yīng)的接近開關(guān)來檢測該機構(gòu)是否滑動到位；當遇到大消聲包產(chǎn)品時，操作人員將該機構(gòu)向右側(cè)滑動到位，并用快換插銷進行鎖定，相應(yīng)的接近開關(guān)檢測該機構(gòu)是否滑開到位。該方式無需拆卸底座即可切換不同的生產(chǎn)狀態(tài)，操作簡單，方便靈活，大大降低操作人員的工作量，節(jié)省時間，提高生產(chǎn)效率，進而提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。

2.1.3 采用擺缸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)全自動化切換方式的設(shè)計要點

高效、穩(wěn)定、安全一直是企業(yè)生產(chǎn)部門的目標，如何快速地完成夾具快換工作是其努力的方向。因此采用擺缸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)全自動切換狀態(tài)，全自動快換組件如圖5所示。圖5中左側(cè)的兩種產(chǎn)品是五孔法蘭產(chǎn)品和四孔法蘭產(chǎn)品，可采用圖5中右側(cè)所示的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

圖4 小消聲包掛鉤處的定位和壓緊快換組件

圖5 夾具的全自動快換組件

（1）將四孔法蘭的定位和壓緊建立在一個整體單元上，五孔法蘭的定位和壓緊建立在另一個整體單元上。兩個快換單元的切換靠中間的旋轉(zhuǎn)擺缸來實現(xiàn)。

（2）在快換到位時加上限位塊，由于擺缸的旋轉(zhuǎn)速度較快，為了減少擺動到位時帶來的沖擊，在到位時增加緩沖裝置。當旋轉(zhuǎn)到位后，需要氣缸帶著定位銷進行鎖定，保證當前的狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

（3）到位時最好通過接近開關(guān)來識別當前是哪一種產(chǎn)品的定位和壓緊達到了工作所需狀態(tài)。

（4）考慮到快換時的氣路問題，可將該旋轉(zhuǎn)機構(gòu)所涉及氣缸的相應(yīng)電磁閥安裝在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的空白處，這樣與電磁閥連接的氣管與壓緊機構(gòu)和其他氣缸不產(chǎn)生相對運動，無需擔心氣管是否會因擺缸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生磨損和損壞，但是從總氣源連接到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上電磁閥的氣管應(yīng)盡可能長，以防止旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時導(dǎo)致氣路損壞。

綜上所述，全自動的切換狀態(tài)在現(xiàn)今快速、高效的生產(chǎn)中非常重要，不但大大節(jié)省操作人員的操作時間，而且可以保證快換的準確性和安全性。

2.2 焊接夾具需要拆卸的快換方式

由于排氣產(chǎn)品主要通過掛鉤等連接方式固定在汽車底盤下，而不同類型的汽車安裝底盤導(dǎo)致多種排氣產(chǎn)品的掛鉤形狀差別很大，如果焊接夾具采用不拆卸的快換方式，往往很難實現(xiàn)多種掛鉤的定位和壓緊，這時需將定位和壓緊裝置做成一個快換單元，如圖6所示。

（1）先將不同掛鉤產(chǎn)品的定位和壓緊做成一個快換單元，每個掛鉤的定位和壓緊單獨設(shè)計。

（2）在設(shè)計快換單元的公共底座時，由于該底座無需拆卸，因此需在公共底座上建立兩個固定定位銷，在快換單元上設(shè)計與定位銷相配合的定位套，以實現(xiàn)夾具快換過程中的快速定位。公共底座上應(yīng)有安裝快換單元的粗導(dǎo)向，方便操作人員了解大致的快換位置。

（3）在每個快換單元安裝位置處設(shè)計C型開口墊圈，將其墊在螺帽下，只需將螺帽旋轉(zhuǎn)放松一圈后即可從C型墊圈的開口處取下，達到完全松開目的。上緊時反向行之，僅需旋轉(zhuǎn)一圈即可擰緊。

（4）在公共底座上應(yīng)有接近開關(guān)裝置檢測和識別當前的快換單元是哪一種產(chǎn)品的快換單元。

（5）人工更換時快換單元時，應(yīng)將快換單元的質(zhì)量盡可能控制在20 kg以內(nèi)，否則需要專用夾具更換設(shè)備，如夾具快換小車等。

采用上述方法設(shè)計的快換單元可將每個快換單元更換時間控制在10 min內(nèi)，大大提高機器人焊接系統(tǒng)的整體生產(chǎn)效率。

圖6 掛鉤處定位和壓緊的獨立快換單元組件

3 結(jié)論

詳細介紹在轎車排氣系統(tǒng)中夾具針對產(chǎn)品的不同情況所采用不同的快換方式，每種快換方式的設(shè)計理念不同，但最終目標都是以高效、準確、安全的快換方式來實現(xiàn)夾具快換。隨著現(xiàn)代社會汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)量和品種的迅速增加，柔性化的設(shè)計理念越來越重要，只有進一步提高焊接夾具的柔性化設(shè)計水平，才能使設(shè)備能更好地服務(wù)于用戶，與汽車行業(yè)的飛速發(fā)展同步前進。

參考文獻：

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