杜建霞，李 瓊，張紅玉，周建軍，王 寧

（1.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001；2.天水長城開關(guān)廠集團(tuán)有限公司，甘肅 天水 741020）

C-GIS 的制造工藝是影響其質(zhì)量與水平的最重要的方面，其中氣箱焊接質(zhì)量直接影響著開關(guān)柜的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1]。為提升中壓柜在市場上的競爭力，國外企業(yè)大多采用焊接變形小、焊接缺陷少、適合規(guī)?；a(chǎn)的激光焊接方式提升產(chǎn)品質(zhì)效。對國內(nèi)企業(yè)在建設(shè)激光焊生產(chǎn)線的同時(shí)，改造現(xiàn)有的氬弧焊或氣體保護(hù)焊生產(chǎn)制造工藝，提升充氣柜氣箱的密封性能來提升產(chǎn)品質(zhì)量和效率是迫在眉睫的任務(wù)。

1 原有C-GIS 氣箱直縫焊接夾具介紹

充氣柜氣箱的密封性能成為制約中壓開關(guān)柜高質(zhì)量發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)難題。充氣柜氣箱的泄漏問題對高壓充氣柜的滅弧性能、絕緣性能及環(huán)境保護(hù)都有很大影響。充氣柜氣箱的焊接質(zhì)量和其焊接工裝夾具性能有著密不可分的關(guān)系[2]。

1.1 工作原理

圖1 為原有采用賽融實(shí)時(shí)跟蹤傳感器的庫卡機(jī)器人系統(tǒng)C-GIS 氣箱直縫焊接變位機(jī)工裝夾具實(shí)物圖。圖2 為變位機(jī)工裝夾具CAD 效果圖。固定臂與機(jī)體固定連接，活動(dòng)臂可沿橫梁移動(dòng)帶動(dòng)右夾具靠近左夾具夾緊C-GIS 氣箱，或者遠(yuǎn)離左夾具松開C-GIS 氣箱。左、右夾具上分別有4 個(gè)可沿徑向調(diào)節(jié)距離的卡爪。當(dāng)活動(dòng)臂靠近固定臂時(shí)，左夾具上的4 個(gè)卡爪與右夾具上的4 個(gè)卡爪頂在C-GIS 氣箱左右側(cè)面棱邊上，通過左右對頂夾持力將氣箱固定在焊接工位上。

圖1 夾具實(shí)物圖

圖2 夾具CAD 效果圖

1.2 存在的問題

如圖2 所示，用對頂夾持力對C-GIS 氣箱進(jìn)行時(shí)，左側(cè)4 個(gè)左卡爪和右側(cè)4 個(gè)右卡爪分別夾持在氣箱的左、右側(cè)強(qiáng)度較高的棱上，即焊槍的焊道上。此種對頂夾持存在的問題有三，如下所述。

①對頂夾持的卡爪位于焊縫上，阻礙了焊槍的焊道，使得變位機(jī)工裝夾具在一個(gè)工位姿態(tài)下只能焊一道焊縫，每個(gè)箱體的12 條焊縫需要2 次拆裝才能完成焊接，耗費(fèi)時(shí)間長，效率低。②對頂夾持定位機(jī)構(gòu)卡爪的力量難以控制，導(dǎo)致箱體變形或夾不緊的情況時(shí)有發(fā)生，影響生產(chǎn)質(zhì)量。③C-GIS 氣箱在直縫焊接前，箱體的6塊板子是點(diǎn)焊連接狀態(tài)，多次反復(fù)裝夾容易引起箱體變形，影響直縫連續(xù)焊前焊縫縫隙的大小和質(zhì)量。

總之，現(xiàn)有夾具存在卡爪不能獨(dú)立退讓阻擋焊道，加工時(shí)需多次裝夾氣箱，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、焊縫質(zhì)量不高而直接影響充氣柜氣箱的生產(chǎn)效率和氣密性等問題。

2 C-GIS 氣箱焊接夾具的改造目標(biāo)及思路

2.1 氣箱特性分析

C-GIS 開關(guān)柜氣箱一般是由2.5～3 mm 厚度的6塊不銹鋼板材組成的薄壁箱體。在進(jìn)行箱體直縫焊接前，6 塊薄壁版是點(diǎn)焊連接在一起，夾緊力過大或夾緊位置不合理，極易引起薄壁箱體的變形導(dǎo)致直縫焊道縫隙變形。因此，設(shè)計(jì)箱體焊接夾具時(shí)既要考慮夾緊力位置與大小問題，也要充分考慮夾緊的方式方法來減小夾緊力過大引起的變形[3-4]。

2.2 夾具改造目標(biāo)

如圖2 所示，在原有固定臂、活動(dòng)臂基礎(chǔ)上，對變位機(jī)夾具機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，通過改變裝夾方式，減小夾具對箱體的夾緊力，以防止薄壁板發(fā)生過大的變形而影響產(chǎn)品質(zhì)量[5]；讓變位機(jī)夾具每個(gè)卡爪能夠獨(dú)立退讓焊道，實(shí)現(xiàn)變位機(jī)工裝夾具在一個(gè)工位姿態(tài)下能焊接3 道焊縫，每個(gè)箱體1 次裝夾、旋轉(zhuǎn)3 次（即3 個(gè)姿態(tài)）、完成12 道焊縫的焊接。

2.3 夾具改造思路

為避免對頂夾具卡爪左、右側(cè)對頂夾緊薄壁箱體容易產(chǎn)生變形的弊端，對其夾具定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造。此處夾具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分3 部分，一是上下、前后對夾運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)箱體同側(cè)（左側(cè)或右側(cè)）上下、前后夾緊定位；二是夾頭伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保每個(gè)夾頭可單獨(dú)伸縮退讓焊道；三是氣箱的左右定位的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 焊接夾具對夾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 對夾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

如圖2 所示，采用“左卡爪”和“右卡爪”橫向?qū)攰A緊氣箱時(shí)，要保持自重為G的氣箱靜止不動(dòng)，最小夾緊力N=G/μ，式中μ是滑動(dòng)摩擦系數(shù)。由于μ為小于1 的常數(shù)，所以N＞G，即氣箱所受的最小夾緊力N大于氣箱的自重G。這也是圖2 中對頂夾緊機(jī)構(gòu)容易造成氣箱變形的根本原因。

將圖2 中的左、右卡爪橫向左右兩側(cè)對頂夾緊定位，改造為如圖3 所示的上下、前后同側(cè)對夾的夾緊定位機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是氣箱的自身重量由某工位狀態(tài)下處于下方的左側(cè)和右側(cè)的2 個(gè)“下夾頭”承擔(dān)，其他夾頭主要起定位作用，合理避免了原有的對頂夾持產(chǎn)生過大夾持力而氣箱變形的情況，改造后的夾具在結(jié)構(gòu)上更科學(xué)，在夾持方法上更加可靠。

如圖3所示，為對夾運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)改造的3D示意圖，圖3（a）為固定臂上的夾具3D示意圖，圖3（b）為活動(dòng)臂上的夾具3D示意圖。改造后夾具夾頭的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：“3-上下夾頭”隨“1-上下組件”沿上、下方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣箱的上下方向的夾緊或松開；“4-前后夾頭”隨“2-前后組件”沿前、后方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣箱的前后方向的夾緊或松開；“5-上下導(dǎo)桿”“6-前后導(dǎo)桿”分別牽引“1-上下組件”“2-前后組件”相對或相向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾頭的夾緊或松開。

3.2 對夾運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心部件設(shè)計(jì)

3.2.1 對夾機(jī)構(gòu)的選擇

對夾運(yùn)動(dòng)的核心就是選擇合適的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)桿的控制。如前所述，圖3 中互相垂直分布的“5-上下導(dǎo)桿”“6-前后導(dǎo)桿”控制上下、前后組件的運(yùn)動(dòng)。液壓氣壓裝置、四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等均可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但本夾具改進(jìn)需充分考慮選用機(jī)構(gòu)的占用空間大小、產(chǎn)量及性價(jià)比等因素，經(jīng)過反復(fù)對比論證，此處選擇利用旋向相反的差動(dòng)螺旋傳動(dòng)工作原理來實(shí)現(xiàn)控制導(dǎo)桿相向或相對運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)夾頭夾緊或松開氣箱的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3.2.2 對夾機(jī)構(gòu)的工作原理

如圖4 所示，為梯形螺紋差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)[6]。當(dāng)“1-固定螺桿”轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與之配合的“2、3-移動(dòng)螺母”將沿螺桿的軸線方向運(yùn)動(dòng)?！?、3-移動(dòng)螺母”的運(yùn)動(dòng)直接帶動(dòng)圖3 中導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)桿牽引組件運(yùn)動(dòng)、組件移動(dòng)決定夾頭開合運(yùn)動(dòng)，如此關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)為后續(xù)開發(fā)夾具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制成為可能。

圖4 差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)

由于固定螺桿1 左右兩端的螺紋旋向相反，假設(shè)固定螺桿1 左端與移動(dòng)螺母2 旋合的螺紋為左旋螺紋，與移動(dòng)螺母3 旋合的螺紋為右旋螺母時(shí)，按照雙動(dòng)螺旋傳動(dòng)螺桿（螺母）移動(dòng)方向的判定，當(dāng)固定螺桿1左視圖順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，用左手法則判定移動(dòng)螺母2 向右移動(dòng)，用右手法則判定移動(dòng)螺母3 向左移動(dòng)，此時(shí)移動(dòng)螺母2、3 相向靠近移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合攏夾緊功能；反之，改變固定螺桿1 旋轉(zhuǎn)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)螺母2、3 反向遠(yuǎn)離移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分離松開功能。如圖4 所示，固定螺桿的長度LAB的尺寸大小取決于氣箱規(guī)格；L23為左右兩移動(dòng)螺母的有效移動(dòng)距離。

3.2.3 對夾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算

計(jì)算旋向相反的差動(dòng)螺旋傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)際上就是計(jì)算差動(dòng)螺旋傳動(dòng)中兩反向移動(dòng)螺母2、3 的相對移動(dòng)距離。因?yàn)閮梢苿?dòng)螺母2、3 旋向相反，活動(dòng)螺母的移動(dòng)距離計(jì)算式如下[6]

式中：L為螺母的移動(dòng)距離，mm；n為回轉(zhuǎn)周數(shù)；Ph2、Ph3為螺紋導(dǎo)程，mm。

若螺紋的導(dǎo)程Ph2=Ph3=5 mm（P=2.5 mm），當(dāng)雙頭固定螺桿旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，兩移動(dòng)螺母2、3 彼此靠近或彼此遠(yuǎn)離的距離為L=1×（2.5×2+2.5×2）=10 mm?？筛鶕?jù)需要來選擇導(dǎo)程以實(shí)現(xiàn)快速夾緊或松開的功能。對夾機(jī)構(gòu)的開合時(shí)間長短，直接決定著箱體裝夾的輔助時(shí)間的長短，即生產(chǎn)效率，減小對夾機(jī)構(gòu)開合的時(shí)間就是提高生產(chǎn)效率的一種方式。

3.2.4 對夾機(jī)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

在充分考慮對夾機(jī)構(gòu)的加工制造、運(yùn)動(dòng)的精度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及運(yùn)動(dòng)速度的情況下，本螺旋傳動(dòng)梯形螺紋選擇中等公差精度，即兩移動(dòng)螺母2、3 螺紋中徑公差精度為6 H，固定螺桿1 螺紋中徑公差精度為6 g，即配合公差為6 H/6 g；為保證梯形螺紋傳動(dòng)的平穩(wěn)性，旋合長度不宜太短，因此梯形螺紋中沒有短旋合長度，只有中旋合長度N和長度旋合長度L，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體需要選擇旋合長度；移動(dòng)螺母2、3 的軸線與固定螺桿1 的軸線的同軸度公差等級可選擇IT7 或IT8[7]。如圖5 所示，選擇差動(dòng)螺旋傳動(dòng)固定螺桿梯形螺紋的外徑尺寸為60 mm，左端為右旋梯形螺紋，右端為左旋梯形螺紋，考慮固定螺桿的規(guī)格及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，左旋、右旋螺紋均選擇長旋合長度L；固定螺桿左端、右端螺紋中徑和頂徑公差帶代號均為6 g；固定螺桿左端右旋螺桿與右端左旋螺桿的同軸度為Φ0.025 mm；根據(jù)鍵的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，查選固定螺桿Φ60 mm 上A 型普通平鍵的基本尺寸，并選擇正常連接，即螺桿上鍵槽公差代號為N9。

圖5 固定螺桿工藝圖

4 獨(dú)立伸縮夾頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 獨(dú)立伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 獨(dú)立伸縮機(jī)構(gòu)的選擇

如圖3 所示，“3-上下夾頭”“4-前后夾頭”在某工作狀態(tài)夾緊氣箱時(shí)，依然位于焊道上。為使夾頭能在不改變焊接裝夾工位姿態(tài)的情況下，使阻擋在本工位姿態(tài)焊道上的夾頭能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)退讓焊道及復(fù)位的功能，即每個(gè)夾頭均應(yīng)具有獨(dú)立伸縮的運(yùn)動(dòng)功能。如圖6 所示，為V 型伸縮機(jī)構(gòu)[6]，采用V 型機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)夾頭獨(dú)立伸縮運(yùn)動(dòng)功能。圖6 中“2-夾頭”被左右2 個(gè)“1-V 型塊”夾持，“2-夾頭”可沿“1-V 型塊”的V 槽面相對運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)“2-夾頭”的伸縮功能。

圖6 V 型伸縮機(jī)構(gòu)

4.1.2 V 型伸縮機(jī)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)

為保證夾具夾緊定位的準(zhǔn)確性及裝配精度，V 型塊底面有平面度要求，鑒于平面加工銑削、刨削比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，V 型塊底面的平面度公差等級可選擇IT7 至IT9；V 型塊1 與夾頭2 兩側(cè)的“V”面有配合精度要求，可選擇基孔制，公差等級選IT7 或IT8 的間隙配合，比如H7/f6 或H8/f7，來確保夾頭2 與V 型塊1 相對運(yùn)動(dòng)。

4.2 伸縮機(jī)構(gòu)的控制器件設(shè)計(jì)

如圖6 所示，為減小“2-夾頭”伸縮過程中對箱體表面劃傷，特增設(shè)“4-滾輪”以減小夾頭伸縮時(shí)對箱體表面的刮痕；“3-傳感器”通過監(jiān)測“2-夾頭”與被夾持箱體的位移（距離），并將檢測到的距離轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行傳遞，來實(shí)現(xiàn)控制夾頭的伸出或縮回運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又控制上下夾頭或前后夾頭靠近或遠(yuǎn)離箱體的運(yùn)動(dòng)位置。換而言之，傳感器在此處即控制夾頭夾緊或松開箱體，也控制夾頭獨(dú)立或同時(shí)伸縮的運(yùn)動(dòng)。

5 氣箱焊接的定位及輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 氣箱焊接的定位

氣箱在被焊接時(shí)，需要得到前后、左右、上下的穩(wěn)固的定位，確保其在當(dāng)下工位狀態(tài)下完成加工工序。綜前所述，氣箱焊接夾具改造后，圖2 中的“固定臂”上的“左夾具”“左卡爪”被圖3（a）中固定臂夾具代替；同理，“活動(dòng)臂”上的“右夾具”“右卡爪”被圖3（b）中活動(dòng)臂夾具代替。此時(shí)，氣箱上、下方向的定位由“3-上下夾頭”完成，其前后方向的定位由“4-前后夾頭”完成。那么氣箱左、右方向的定位與夾緊均由固定臂夾具和活動(dòng)臂夾具雙側(cè)的8 個(gè)“L”型內(nèi)突“7-左右定位器”承擔(dān)。同時(shí)，為確保上下、左右、前后定位的精度及性價(jià)比，對夾具的對夾夾頭底面間的平行度、對稱度公差等級選擇IT9 至IT10 即可。

5.2 活動(dòng)臂位移控制

為能有效控制活動(dòng)臂移動(dòng)的距離與位置，在活動(dòng)臂單側(cè)設(shè)置檢測并控制其運(yùn)動(dòng)位移的控制器，如圖3所示，活動(dòng)臂上的4 個(gè)“L”型外突“8-限位器”來限制活動(dòng)臂夾緊時(shí)的位置及速度，避免活動(dòng)臂在靠近固定臂夾緊時(shí)與氣箱產(chǎn)生撞擊。

因此，以上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了氣箱焊接前的上下、前后、左右的夾緊及定位功能，確保箱體在焊接時(shí)不沿任何方向發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

6 結(jié)束語

①對夾夾持機(jī)構(gòu)有效避免了薄壁氣箱焊接夾持力過大而產(chǎn)生變形的問題。②V 型伸縮機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)焊接工裝夾具每個(gè)夾頭獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，使得遮擋焊道的夾頭松開退避，讓出焊道的功能，具備了焊接工裝夾具一個(gè)工作姿態(tài)下一次焊接3 條焊縫的可能。

綜上所述，本文的機(jī)構(gòu)改造能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)箱體裝夾1 次，旋轉(zhuǎn)3 次，完成全部12 條焊縫焊接作業(yè)，大大提升了箱體焊接加工的效率和質(zhì)量。同時(shí)，本文針對C-GIS 氣箱直縫焊接變位機(jī)工裝夾具的機(jī)械機(jī)構(gòu)改造為后續(xù)開發(fā)其自動(dòng)化控制奠定了基礎(chǔ)，也為設(shè)計(jì)易變形的薄壁件夾具提供了新思路。