主夹具升降机Z轴支撑臂结构改进研究

2019-03-10仇华铮黄昆肖勇李柳强

汽车与驾驶维修(维修版) 2019年12期

仇华铮、黄昆、肖勇、李柳强

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 545007）

0 引言

夹具输送系统是焊装车间主线上，在侧围总成预装后，用于输送侧围夹紧定位集成设备的输送关键设备。该主夹具输送系统升降机是由3套输送立柱构成，每套立柱采用FNUCK伺服电机作为动力源，两级滑台通过链轮链条传动、滑块导轨导向、同步调试系统实现主夹具升降的同步性输送设备，目前应用于宝骏车身车间4条生产线。主夹具输送系统升降机机械结构的主要失效模式是支撑臂一级滑台滑块损坏，且集中发生在Z轴立柱一级滑台。该设备Z轴一级滑台滑块采用单导轨双滑块机构，若出现其中一个滑块出现损坏，单滑块不能维持生产使用，必须停线进行更换，影响生产输出。

同时，在生产过程中，升降机输送主夹具降到低位定位时，常出现刮磨主夹具定位销的问题，长期以往，影响主夹具的定位精度[1-2]。本文以提升主夹具输送系统稳定性为目标，针对该设备升降机结构频繁发生的导轨滑块失效故障，设计改进了Z轴立柱支撑臂，为主夹具输送系统的稳定运行提供助力。

1 Z轴立柱支撑臂结构改进与参数

设计条件：6 s聚升高度2.5 m（实际一二级每根导轨升降一次2 m），举升速度2.5/6 s，三台聚升总重2 600 kg（前聚升重650 kg，后聚升重1 300 kg），后聚升臂长1 560 mm，后臂重心400 mm，举升臂重150 kg，主夹具升降机由XYZ三柱支撑主夹具升降（图1）。

主夹具输送系统Z轴立柱结构如图2所示，Z轴立柱主要由伺服电机、减速机、配重、支撑臂、导轨、链轮链条等构成。

2 Z轴的动力校核与支撑臂结构参数

图1 主夹具升降机3柱支撑主夹具数模图

图2 主夹具升降机Z轴立柱结构图

主夹具输送系统升降机的交接主夹具过程中，每生产1台车会交接2次主夹具，每天近2 000次交接，要求升降机的输送精度、升降机的结构强度满足精度要求。

2.1 Z轴的支撑臂结构参数

支撑臂输送销在交接主夹具低速段过程中，主夹具施加在支撑臂上的力可看作简易悬臂梁。主夹具交接过程中支撑臂产生受挤压变形，设计要求输送销定位水平位移≤3 mm，支撑臂可简化悬臂梁，如图3所示。

图3 Z轴立柱支撑臂

A1（ABCD截面面积）=81×156=12 636 mm2

A2（abcd截面面积）=(156-16）×（81-22）= 8 260 mm2

L（支撑臂悬臂长）=1 361 mm

形心确认：截面为Z向对称，形心必然在对称轴上。

z1=81/2=40.5 mm

z2=1/2×（81-8-14）+14=43.5

支撑臂材料弹性模量E=210 MPa，在支撑臂变形满足最大挠度3 mm时，作用在悬臂梁上的力为

MC=111.3×1.56=173.6 N·m

改造前，升降机每个立柱支撑臂为双滑块单导轨结构。

悬臂承重弯矩：M1=1 300 kg×9.8 N/kg×1.56 M=19 874.4 N·m

悬臂自重弯矩：M2=150 kg×9.8 N/kg×0.4 M=588 N·m

悬臂总弯矩：M=19 874.4+588=20 462.4 N·m

升降机支撑臂一级滑台选用的导轨为超重载荷型、高刚性的保持器型滚柱滚动SRG系列导轨滑块选型为SRG55C2SSC1，C0=266 000 N，满足设计要求。

导轨使用寿命：

考虑直线导轨使用的环境因素、运动状态、轨道表面硬度、系统温度等的影响，使用滚柱的LM滚动导轨的额定寿命计算方法如公式3所示。

2.2 Z轴一层滑台导轨的安装结构

Z轴支撑臂一层滑台直线导轨及滑块设计安装未靠边限位安装，支撑臂在安装后，滑块的中部因未设计观察孔，滑块的防尘附件检查通过内窥镜完成，实施难度高、观察视野差、耗时长。若未及时发现滑块损坏，更换耗时2 h，严重影响产能输出。改造前，Z轴立柱支撑臂空载状态下，CAE分析的变形量为0.08 mm。Z轴立柱输送销定位销最大位移4.05 mm，则空负载的支撑臂变形差为3.96 mm，原Z轴支撑臂设计输送销的水平方向的理论变形超出了极限值，是影响滑块受力的异常因素。

3 Z轴的支撑臂输送稳定性改进

3.1 Z轴的支撑臂导轨滑块增加及维护便利性改进

将主夹具升降机Z轴支撑臂改为三滑块结构，提升导轨的安全系数。同时设计滑块防尘附件观察孔，便于定期维护导轨滑块，观察防尘附件的状态[3]。从导轨使用寿命公式看出，降低单个滑块的受力，可变相的增加使用寿命。在原滑块选型SRG55C2SSC1不变的情况下，使用三滑块结构，滑块压力：

C0=266 kN，得静态安全系数：fs≥19.7

安全系数是原结构近2倍，设备更稳定。同时在滑块内侧不便于检查防尘附件的区域，设计增加了检查孔，便于维护维修。

3.2 支撑臂刚性强化设计

原Z轴立柱支撑臂在负载状态下空负载的输送销水平偏差4.04 mm，将支撑臂改造前后数模导入CAE进行分析，负载状态下位移基本一致，改造后不影响输送精度。改造后，Z轴立柱支撑臂空载状态下，CAE分析的变形量为0.03 mm。优化后，Z轴立柱输送销定位销最大位移2.12 mm，则空负载的支撑臂变形差为2.09 mm，支撑臂输送销的水平方向的变形满足要求，有效主夹具提升交接的稳定性。