◇常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 胡美民 湯志鵬 顧秋宇 袁志剛 常旺娜

內(nèi)燃機(jī)車總風(fēng)缸缸體的體積較大，圓度差，與封頭對(duì)接比較困難；而且封頭重量較重，傳統(tǒng)的焊接夾具需要依靠人力組裝，對(duì)于大型零部件焊接缺乏助力裝置，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大而且非常危險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)車總風(fēng)缸焊接工裝夾具，可以輕松實(shí)現(xiàn)定位夾緊與大型零件的翻轉(zhuǎn)，操作簡(jiǎn)單方便，安全可靠，提高了生產(chǎn)效率，降低了制作成本。采用與焊接機(jī)器人銜接模塊可以與焊接機(jī)器人兼容銜接，實(shí)現(xiàn)大型零件自動(dòng)焊接功能。

1 引言

隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，工業(yè)生產(chǎn)中大型設(shè)備的應(yīng)用更加普遍，大型零部件的工裝夾具的發(fā)展也越來(lái)越快。對(duì)于大型回轉(zhuǎn)件的焊接工作中，需要保證零部件之間對(duì)接的連接精度，要求工裝夾具具備操作的便捷性、加工的方便性、大載荷的承載性、自動(dòng)化生產(chǎn)線的改造性、成本的優(yōu)越性等要求。而市面上已有的大型回轉(zhuǎn)件焊接工裝夾具或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜不可靠或是價(jià)格昂貴或是無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)化改造升級(jí)，有的還只是停留在設(shè)計(jì)圖紙層面。因此，急需一款具備上述性能的大型回轉(zhuǎn)件焊接工裝夾具，并能大量普及。

2 研究現(xiàn)狀

總風(fēng)缸的圓度差，與封頭對(duì)接較困難，而且封頭重量較重（約25kg），若僅靠人力組裝焊接，勞動(dòng)強(qiáng)度大且很危險(xiǎn)。目前，市場(chǎng)上相繼出現(xiàn)了一些回轉(zhuǎn)件焊接工裝夾具，它們的技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)方式各不相同。下面對(duì)這幾種常見(jiàn)的工裝夾具進(jìn)行介紹。

敖建軍設(shè)計(jì)的焊接裝置[1]，該裝置通過(guò)T型絲桿帶動(dòng)套筒旋轉(zhuǎn)，套筒在滑桿內(nèi)左右滑動(dòng)，帶動(dòng)焊槍焊接不同直徑大小的焊接件。魏樹(shù)國(guó)設(shè)計(jì)的焊接裝置[2]，其支撐架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與配重塊相連的連桿保持豎直，使支撐板處于靜止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)筒體則能焊接環(huán)形焊縫；弧形支撐板和筒體之間形成的密封腔可以保證電弧燃燒，提高焊縫效率且操作簡(jiǎn)便。陸萍萍設(shè)計(jì)的焊接裝置[3]，兩段旋向相反的螺紋桿能實(shí)現(xiàn)兩組夾持組件同時(shí)相向移動(dòng)，三角支撐輥組件可以根據(jù)接觸壓力轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)支撐待焊件；焊接時(shí)輥軸旋轉(zhuǎn)保證待焊接位置處于上方，減少焊接難度。朱真日設(shè)計(jì)的焊接裝置[4]利用橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、縱向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓力容器的定位，橫向定位孔內(nèi)限制容器前后移動(dòng)，便于固定和焊接，可對(duì)不同規(guī)格的壓力容器進(jìn)行焊接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。李盛好設(shè)計(jì)的焊接裝置[5]，通過(guò)螺紋桿連接活動(dòng)塊和支撐桿，導(dǎo)向桿外側(cè)連接安裝架和限位塊。該裝置便于直徑不同的壓力容器上料和固定夾持，能夠有效降低工作強(qiáng)度，且穩(wěn)定性強(qiáng)。朱孟舜設(shè)計(jì)的焊接裝置[6]，將多個(gè)弧形板緊貼在預(yù)制柱外壁，利用彈簧夾緊固定弧形板形成筒狀容器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)底板將待焊接位置與焊槍對(duì)應(yīng)，電動(dòng)滑軌升降焊槍進(jìn)行焊接。劉進(jìn)廠設(shè)計(jì)的焊接裝置[7]，底部的電動(dòng)伸縮桿輸出端共同固定安裝板，安裝板上固定焊槍，裝置上端之間設(shè)有除煙機(jī)構(gòu)，不僅對(duì)焊件兩端限位，還可除去焊接過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵。張慶發(fā)設(shè)計(jì)的焊接裝置[8]，支撐板頂端面上固定的輸出軸與傳動(dòng)輥連接電機(jī)。焊件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)需作業(yè)員來(lái)回變換工作位置，省時(shí)省力。鄭肖設(shè)計(jì)的焊接裝置[9]，焊接滾輪架裝置對(duì)接封頭輔助調(diào)節(jié)裝置，封頭輔助對(duì)接調(diào)節(jié)裝置可以固定筒體和封頭，通過(guò)埋弧焊操作機(jī)的自動(dòng)埋弧焊小車進(jìn)行環(huán)形焊縫焊接，焊接速度快，操作方便。袁紅華設(shè)計(jì)的焊接裝置[10]，用電機(jī)減速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變位，十字滑塊連軸器降低兩軸同心度要求；雙軸承實(shí)現(xiàn)調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)功能；腳踏開(kāi)關(guān)制動(dòng)實(shí)用方便，能提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3 設(shè)計(jì)思路

為了克服現(xiàn)有焊接工裝設(shè)備在裝夾大型回轉(zhuǎn)零部件的不足，本文設(shè)計(jì)了一種適用于總風(fēng)缸焊接工裝夾具，可以方便的進(jìn)行定位、夾緊、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作，并通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格尺寸的大型零件裝夾。本文所設(shè)計(jì)的工裝涉及內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車技術(shù)領(lǐng)域，主要針對(duì)總風(fēng)缸組裝胎，根據(jù)總風(fēng)缸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可拆卸式移動(dòng)翻轉(zhuǎn)組裝胎膜。為適合大型回轉(zhuǎn)零部件焊接時(shí)需要回轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，便于回轉(zhuǎn)的時(shí)候?qū)⑿枰附拥奈恢梅奖愕恼{(diào)節(jié)置于焊接工人合適的高度，方便進(jìn)行焊接工作進(jìn)行，結(jié)構(gòu)選用較為成熟的滾動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，夾具的定位、夾緊的設(shè)計(jì)可以承受大型零部件的應(yīng)用，徑向尺寸調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)方案合理，能夠?qū)崿F(xiàn)不同徑向尺寸的大型工件的裝夾，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單安全可靠，方便操作，提高了生產(chǎn)效率，降低了制作成本。

4 設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的裝置的主要結(jié)構(gòu)包括左右兩個(gè)翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置、左右兩個(gè)滾動(dòng)支撐裝置、左右兩個(gè)滾動(dòng)支架和夾具體，滾動(dòng)支撐裝置底部設(shè)有導(dǎo)軌，夾具包括總風(fēng)缸夾具和底部夾具，左右兩個(gè)滾動(dòng)支架設(shè)在左右兩個(gè)翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置之間，滾動(dòng)支撐裝置上面設(shè)有翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置，滾動(dòng)支撐裝置和翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置之間用底部夾具固定連接，翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置包括上半圓和下半圓，上半圓和下半圓連接處通過(guò)鉸鏈連接。滾動(dòng)支撐裝置可在導(dǎo)軌上移動(dòng)，可使用組裝長(zhǎng)度不同的總風(fēng)缸（1500mm-3000mm）；翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置是可拆卸的，可預(yù)先制作直徑不同的夾緊裝置，再根據(jù)總風(fēng)缸的直徑選擇相應(yīng)的夾緊裝置。圖1是內(nèi)燃機(jī)車總風(fēng)缸夾具結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為內(nèi)燃機(jī)車總風(fēng)缸工裝夾具三維圖。

圖1 內(nèi)燃機(jī)車總風(fēng)缸夾具結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 內(nèi)燃機(jī)車總風(fēng)缸工裝夾具三維圖

使用前根據(jù)總風(fēng)缸長(zhǎng)度，把兩個(gè)滾動(dòng)支撐裝置調(diào)整到合適的距離，然后根據(jù)總風(fēng)缸的直徑選擇相應(yīng)的翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置，再用夾具把翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置固定在滾動(dòng)支撐裝置上，根據(jù)需要的尺寸安裝在適當(dāng)?shù)奈恢脤?shí)現(xiàn)焊件的定位與裝夾。

5 創(chuàng)新特色

（1）本文所設(shè)計(jì)的工裝裝備具有重量輕承載能力強(qiáng)，擁有結(jié)構(gòu)緊湊良好的承載能力。對(duì)所設(shè)計(jì)的工裝夾具主要結(jié)構(gòu)零部件進(jìn)行有限元分析，并對(duì)所設(shè)計(jì)的工裝夾具系統(tǒng)進(jìn)行一萬(wàn)次摩擦磨損測(cè)試和翻轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用10年以上使用主要零部件無(wú)需更換，5年以上易損零件無(wú)需更換。

（2）本文所設(shè)計(jì)的工裝裝備采用滾動(dòng)支撐支架和翻轉(zhuǎn)定位裝置，實(shí)現(xiàn)連接重量較大的封頭，且方便對(duì)接，采用滾動(dòng)支撐支架和翻轉(zhuǎn)定位裝置，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，且操作方便。工裝裝備可以適用不同軸向尺寸和徑向尺寸的大型回轉(zhuǎn)件的裝夾，應(yīng)用場(chǎng)合廣泛并且價(jià)格便宜。

（3）本文所設(shè)計(jì)的工裝裝備夾具有與自動(dòng)機(jī)械手連接模塊，可以升級(jí)為與自動(dòng)機(jī)械手連接，配合機(jī)械手完成零部件上料的自動(dòng)裝夾，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

本文所設(shè)計(jì)的裝備與其他裝備的比較如表1所示。對(duì)比其他裝備可發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的裝備主要的性能較好，裝備的應(yīng)用推廣前景較好。

表1 本裝備與其他裝備的主要性能比較

6 結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)燃機(jī)車總風(fēng)缸焊接工裝夾具設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高效的實(shí)現(xiàn)大型回轉(zhuǎn)零部件焊接的定位、夾緊和翻轉(zhuǎn)。針對(duì)本文焊接中較重的封頭以及總風(fēng)缸缸體的特點(diǎn)，采用可拆卸式移動(dòng)翻轉(zhuǎn)組裝胎膜，其中滾動(dòng)支撐裝置可在導(dǎo)軌上移動(dòng)，可適用組裝長(zhǎng)度不同的總風(fēng)缸（1500mm～3000mm）；可拆卸的翻轉(zhuǎn)定位夾緊裝置根據(jù)預(yù)先制作的直徑不同夾緊裝置，選擇相應(yīng)的夾緊裝置，實(shí)現(xiàn)不同尺寸的回轉(zhuǎn)零部件的焊接；夾具采用與焊接機(jī)器人銜接模塊，可以與焊接機(jī)器人兼容銜接，升級(jí)實(shí)現(xiàn)大型回轉(zhuǎn)零件自動(dòng)焊接功能。該裝置的設(shè)計(jì)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了大型回轉(zhuǎn)件的焊接精度和焊接效率，降低了加工成本，應(yīng)用前景十分廣泛。