柔性化焊接线夹具智能快换装置的设计

程雷

唐山松下产业机器有限公司 河北唐山 063000

1 序言

随着当今汽车及两轮车产品逐步向着个性化方向发展，其产品的更新、改型周期加快，使得生产批量越来越少，而品种却越来越多。机器人焊接因其效率高、质量稳定、重复性好及柔性强的优势而越来越多地被应用在智能制造领域，例如，汽车行业中机器人焊接应用占比约40%。如果说工厂使用焊接机器人的目的主要是为了提高焊接生产的质量和效率，那只能是实现生产自动化的初级阶段，完全采用过去常用的刚性自动化设备或专机已经很难适应产品多变的要求[1，2]，智能柔性化焊接生产线的柔性化特点正是解决这一矛盾的最佳方案。柔性化焊接生产线是在相同的地方、同一条生产线上可同时满足多种车型的生产，其通用设备和公用动力设施一次性投入、永久性使用，每次开发新车型时，只需增加局部专用设备，改造事先预置的通用设备和调试共用化程序，因此避免了重复投资造成的浪费，并且缩短了技改时间。然而，专用设备通常为各车型的夹具和抓手，如何快速且有效完成夹具切换，成为柔性生产线的关键技术[3]。柔性化焊接生产线有以下几个特点：①柔性化机器人的应用。②柔性化切换系统。③高速输送系统。在此主要介绍一种机器人焊接系统夹具智能快换装置的设计及柔性化。

2 焊接夹具柔性化及快换装置的特点

在柔性化焊接生产线上，由于各种车型或配置的差异化需求，导致工装夹具种类和数量繁多，因此在不能实现各车型共用的情况下，工装夹具要通过切换来适应不同车型的变化，实现柔性化共线[4]。

夹具的柔性化设计具体体现为：一是夹具和夹具梁整体更换，这种形式适合产品差异较大的零件；另一种是夹具梁和电磁阀端子等共用，只快换夹具[5]，这种形式适合同一车型且差异较小的产品。本文主要介绍一种适于产品差异较大场合的夹具快换装置的设计方案，即夹具和夹具梁整体更换，主要体现在夹具梁和变位机之间的快换上。

目前，现有的夹具装卸多采用数量不等的螺栓和螺母将夹具固定，在进行夹具换型时，需要人工进行找正定位、紧固、示教调试等多个步骤。由此，导致夹具在更换时劳动强度大，更换时间长，且容易产生调试不良品，这在很大程度上影响了生产效率和生产品质，不能满足自动化生产线的需求。此外，在螺栓和螺母重复频繁松紧的过程中，易出现螺栓和螺母的损坏，从而影响设备正常稳定运行。

本文所述夹具快换装置的设计示例，经现场实践，可以大幅提高夹具更换的效率，减轻工人劳动强度，提高生产效率和生产品质，提升焊接生产线对柔性化的需求。该装置可推广应用在焊接生产线对柔性化有提升需求的场合，如汽车行业的排气焊接生产线对汽车消声器的焊接场合，以及两轮车行业的摩托车车架焊接生产线对车架的焊接场合（见图1）。

图1 夹具快换装置可试用的焊接产品

3 焊接夹具快换装置的设计方案

焊接夹具智能快换装置，可解决焊接夹具的拆卸及装夹效率低及频繁松紧标准件对设备造成运行不稳定的问题，从而提升焊接生产线的柔性化需求。

焊接夹具智能快换装置包括主从动端快换结构、从动端定位结构、夹具小车导向定位结构（见图2）。主从动端快换结构由气动举升机构将夹具小车送来的夹具升起和落下，起到接夹具和卸夹具的作用（见图3）。带锁气缸在导向销和导向板导向作用下实现对夹具的夹紧和放松，同时带锁气缸保证了夹具在系统突然断电和断气情况下的安全；从动端定位结构用穿销气缸将处于换型状态的变位机进行定位，以保证夹具的精确定位（见图4）；夹具小车导向定位结构是夹具周转及装卸夹具的必要组成部分，是实现智能快换的前提保障。

图2 夹具快换的总体设计方案

图3 主从动端快换装置

图4 从动端插销定位及快换装置

通过对焊接夹具换型时的螺栓紧固结构和对焊接夹具的装卸方式进行改进，实现焊接夹具在机器人自动焊接工作站的智能快换。

首先，装载夹具的小车通过夹具小车导向定位结构（见图5）进行出入工作站导向和准确定位，夹具小车导向部分沿着导向板推至定位块处，同时夹具部分沿着主从动端快换结构的导向球到达精定位块处，由压紧气缸将夹具小车压紧，从而进入夹具装夹的准确预定位置；然后操作举升按钮，控制主从动端快换结构中的气动举升机构到达接夹具位置，同时定位销穿入夹具，定位板支撑住夹具，此时夹具脱离了夹具小车，把小车推至工作站外部后，操作落下按钮控制夹具降至固定位置；其次，操作压紧按钮，带锁气缸带动夹具压头在导向销及导向板的作用下对夹具进行自动压紧，并起到断电及断气后安全锁紧夹具的作用；最后，在连接气电快插后完成智能装夹过程，随后起动焊接程序以完成机器人对夹具上工件的自动焊接（见图6）。

图5 夹具小车导向定位机构

图6 焊接生产线的夹具小车及快换装置实例

机器人完成自动焊接后，需要对夹具进行换型操作时，首先启动从动端定位结构，插销气缸带动定位销沿导向套进入从动端回转盘的定位套位置，防止了从动端在换型过程中随意转动，为换型提供稳定保障；然后对工作站现有夹具进行拆卸气电快插，再操作气动举升按钮使夹具升起到位后，将小车推至预定位置，之后操作落下按钮使夹具落至换型小车上，之后把小车推至工作站外预定位置，将装载着新夹具的小车推至预定位置，进行智能装夹的循环操作。

4 结束语

针对当今汽车及两轮车产品焊接生产线的柔性化需求，介绍了焊接夹具柔性化、快换装置的特点，以及一种夹具快换装置的设计方案，焊接生产线柔性化的夹具智能快换装置，减少夹具的设计、制造和安装调试时间，缩短了换模时间，提高了生产能力，降低了生产成本。与专用夹具相比，具有明显的技术经济效果，特别适用于多品种、小批量生产的焊接系统，以创新的理念结合实际应用，对焊接生产线柔性化设计与应用具有一定参考价值。