一种汽车焊装夹具五面体系统的设计

金美华,王晓勇,杨新春,王金潇

(南京工业职业技术学院机械工程学院，江苏 南京 210023)

1 基本需求

根据汽车生产线的基本构造和实际要求，分析汽车组装及焊接生产工艺，可知五面体系统需满足以下需求[1]：汽车分装焊接块装夹；机器人焊接控制；焊接装夹的装配工序与工艺流程控制；机器人数量与动作节拍协调；干涉区的规避；五面体夹具的旋转控制与稳定性保持等。

2 机械结构与工作原理

为克服原有夹具库的夹具更换节拍慢、动作繁琐的不足[2]，本文设计了一种新型M30汽车组合夹具，其结构由转台、五面体结构和夹具等组成，通过底部的大转台带动五面体切换到各个面的精准位置，以便于根据车型切换夹具或进行后续的机器人焊接加工。

2.1 夹具的组成

1)转台。转台是位于夹具最底层的旋转机构，由伺服电机驱动，用于控制五面体的转动。伺服电机尺寸精度为2.5mm，在转台底部安装有固定销，以固定转台位置，保证加工时焊接的定位精度。

2)五面体。五面体上有5个夹具置换位，用来放置夹具或者机械抓手，以满足多种工序同时进行的需求,如机器人抓取和焊枪焊接时，机械手首先抓取工件放置在夹具的置换位上，然后自动更换焊枪完成焊接。五面体夹具库的每个置换位上有一个快插模块，用来给夹具传递通讯信号和气源动力，实现夹具的自动化。

3)夹具。用于固定汽车板件，辅助焊接工作的完成，并确保焊接时的准确性[3]。

2.2 工作原理

系统通过可编程逻辑控制器(PLC)设定好汽车型号后，由特定传感器检测汽车板件到位，反馈信号给PLC，以判定汽车板件与选用车型的一致性；五面体旋转到工作面进行工作准备，机器人抓取工件放置到加工位，切换抓手更换焊接枪，完成后反馈信号给夹具，夹具夹紧，即可进行焊接。

五面体可以旋转到不同的工作位置，按照上述过程，循环工作，同时满足多工位的焊接需要[4]。

通常，生产线上会同时安装两套同款车型的夹具，分装在转台左、右两端，转台一端是机器人上件，另一端是机器人焊接，当两端同时完成工作后，转台自动旋转，完成上件、焊接，交替循环作业[5]。

图1为五面体转台夹具分布示意图，可根据需求自动完成各种组合工作，五面体夹具分为A、B、C、D、E 5个夹具库，可进行夹具的装夹和工具的更换，实现车型的一键更换和工作面的一键切换。

图1 五面体转台夹具分布示意图

3 气动系统

五面体系统的夹具更换由气动控制系统完成，图2是夹具加工气动系统原理图。通常，系统通过以下动作完成工件的装夹：首先定位销开销，然后夹具张合完成工件的更换和夹紧，最后定位销退出，夹紧的气缸缩回。

4 PLC控制系统

4.1 PLC硬件组态

本文的PLC选择S7-300的317FCPU和MPI/DP总线。首先打开S7-300站点，插入BACK-300底板、PS-300电源和317FCPU，然后MPI/DP总线接口选择Profibus接口。创建网络后再插入已选择的模块，修改起始地址，最后即可创建硬件组态，如图3所示。

图2 夹具加工的气动系统原理图

图3 硬件组态图

4.2 STEP7管理器的I/O分配

S7-300 PLC采用STEP7编程软件编程和仿真，设置的部分IN分配表见表1，OUT分配表见表2。

表1 部分IN分配表

5 结束语

本文设计的新型五面体夹具实现了生产线库区的自动化、动作的连贯化和整体化，夹具与夹具之间的更换可自动完成。通过转台与组合夹具的协同动作，优化了工作过程，克服了原有夹具库夹具更换节拍慢、动作繁琐的不足，有效提高了生产线的工作效率。

表2 部分OUT分配表