四面體夾具及其切換機構設計與應用

關鍵詞：四面體夾具;切換機構;定位單元

0引言

現(xiàn)代化汽車企業(yè)為了降低成本、節(jié)省場地空間一般都要進行混線柔性化生產(chǎn)，同時也要考慮未來車型能快速導入及時響應需求，以期許在激烈的市場競爭中占據(jù)主動權。

焊裝車間公共補焊線，要建設成無人全自動化多柔性高效率生產(chǎn)線，要求至少能補焊4平臺多種車型。要實現(xiàn)4平臺多種車型混線生產(chǎn)，難點是定位夾具的設計，本文將介紹四面體和其線旁輔助切換機構的設計。

1方案分析

根據(jù)車型給的定位信息（定位信息是由專業(yè)科室指定），以其中的某一種A車型的車身坐標系為基準，其他車型以雪橇孔重合移動后，得到的4平臺車型定位孔分布情況（圖1）。

從圖1分析出，各平臺車型定位孔在同一坐標系里面坐標都不一樣，所以必須設計出4種不同定位單元。同時，4平臺定位孔距離又很近，傳統(tǒng)的定位工裝很難做設計避讓，所以設計采用四面體夾具+線旁輔助切換機構的形式，以下是詳細說明。

2結構構設計

包括四面體夾具與線旁輔助切換機構。其中四面體夾具安裝在滑橇上，隨著滑橇和白車身一起輸送;線旁輔助切換結構放置在生產(chǎn)線左右兩邊，只布置在切換工位，每條生產(chǎn)線布置一個輔助切換工位。

2.1四面體夾具設計

定位單元設計：定位夾具要能實現(xiàn)4平臺車型定位，要有4種不一樣的定位單元，各個定位單元要相互避讓，不能干涉，根據(jù)這個功能需求，設計了如下四面體夾具結構，其包括四面體夾具本體與自鎖機構（圖2）。

2.1.1本體設計

如圖3所示，四面體本體包括四組定位組件單元，如圖三。每一組定位組件分別定位一種平臺車型，每一組件包括基本的定位塊、定位銷，它們通過各自連接板與旋轉連接板6連接。旋轉連接板通過連接軸8、軸承3、軸承5與支座（支座通過緊固螺栓連接在滑橇本體上）連接在一起，這樣旋轉連接板就設計成了可360°旋轉運動?；剞D盤9是為了與線旁切換機構回轉軸嚙合塊相互嚙合而設計。四面體本體設計是以其中一平臺為設計基準，旋轉90°、180°、270°分別切換到另外一種平臺車型。

旋轉四面體軸與軸承的選型設計尤為關鍵，受力分析不當或者設計結構不合理，后期使用的時候都可能會出現(xiàn)車身定位不精確、斷軸、軸承容易損壞及壽命短等問題。因此，采用了雙軸承支承形式（圖4）。其設計的轉動軸直徑D為50.0mm，材料為45優(yōu)質碳素結構鋼，加工時要經(jīng)過調質處理、表面發(fā)黑處理。軸承的選型：軸承本身具有游隙，定位夾具要求的精度為±0.1mm，主要受徑向載荷，四面體轉速低，所以軸承采用圓錐滾子軸承，型號為33010，其基本額定負載達76.8kN，為了使四面體能達到精度要求，采用雙軸承型式，兩軸承的安裝距離L為100.0mm。兩軸承設計的安裝距離L要考慮其合理性問題，必須保證L的長度不小于75.0mm，因為軸承本身有游隙，L過小時，作用力F作用于四面體回轉體上就會使回轉體晃動，而達不到夾具±0.1mm的定位要求。

2.1.2自鎖機構設計

由于四面體不帶電氣等動力單元，所以四面體的打開與鎖緊必須要通過線旁切換結構來實現(xiàn)。如圖5所示，自鎖機構主要是根據(jù)四連桿自鎖機構原理設計，其主要包括鎖緊楔形塊、鎖緊楔形軸、鉸鏈A、鉸鏈B等，圖中（a）為四面體的自鎖狀態(tài)。如圖5（a）所示，四面體處于鎖緊狀態(tài)，此時鉸鏈機構的各個鉸鏈連接點處于一直線上形成死點，鎖緊楔形塊與鎖緊楔形軸相互嚙合，故而四面體本體被鎖緊。四面體本體上有4塊鎖緊楔形塊，鎖緊楔形塊沿軸承軸線均等分布，四面體本體每旋轉90°都有一塊楔形塊與楔形軸能嚙合，即四面體每旋轉90°都可以實現(xiàn)自鎖，保證每個面的定位單元能夠準確定位。圖5（b）中鉸鏈A設計有鎖緊限位與打開限位，保證鎖緊與打開位置唯一準確;鉸鏈B設計有上延伸桿與下延伸桿，是為了線旁結構切換而設計。

2.2線旁輔助切換夾具設計

線旁輔助切換機構是對四面體夾具進行打開與鎖緊切換的輔助機構，放置在線旁兩側，如圖六，主要包括推動氣缸、伺服電機、旋轉軸、鎖緊氣缸和解鎖氣缸。其中推動氣缸的作用是推動伺服電機與旋轉軸進與出，推動氣缸采用自鎖氣缸，自鎖氣缸可以保證氣缸前進或者后退到位后產(chǎn)生自鎖，從而避免機構誤動作而產(chǎn)生的安全隱患;伺服電機的作用是可以利用程序精確控制旋轉軸回轉運動，實現(xiàn)四面體回轉角度的精確控制;旋轉軸是帶動四面體回轉運動的部件，端頭設計有嚙合塊是為了與四面體上的回轉盤嚙合，實現(xiàn)動力的傳遞;鎖緊氣缸的作用是自鎖機構在打開狀態(tài)且四面體回轉動作完成后使四面體鎖緊，氣缸頭處設計有撞塊，其與自鎖機構鉸鏈B直接發(fā)生碰撞;解鎖氣缸的作用是打開自鎖機構，與鎖緊氣缸一樣氣缸頭處設計有撞塊，其與自鎖機構鉸鏈B直接發(fā)生碰撞。

2.1.1切換原理

四面體夾具的切換過程主要分為8個步驟，如圖7為切換的具體過程：

（1）初始狀態(tài)：四面體夾具隨著滑橇運行到切換工位時，檢測開關檢測到四面體夾具已經(jīng)到位時，此時即為初始狀態(tài)。

（2）嚙合：四面體到位后，線旁切換機構的推動氣缸動作推著伺服電機與旋轉軸向前運動使旋轉軸端的嚙合塊與四面體夾具本體上的回轉盤嚙合。

（3）解鎖：嚙合動作完成后，解鎖氣缸發(fā)生作用，氣缸向前推進，氣缸頭上的撞塊撞向自鎖機構鉸鏈B的下延伸桿，自鎖機構的楔形軸與四面體本體上的楔形塊脫離，自鎖機構被解鎖。

（4）旋轉切換：解鎖完成后，伺服電機輸出軸帶動四面體本體作回轉運動。伺服電機可作360°回轉運動，當做90°、180°、270°三種角度旋轉時分別對應切換到的一種車型。

（5）解鎖氣缸回退：伺服電機作完回轉運動后，解鎖氣缸退回原位。

（6）鎖緊：解鎖氣缸回位后，鎖緊氣缸發(fā)生作用，氣缸在壓縮空氣的作用下向前推進，氣缸頭上的撞塊撞向自鎖機構鉸鏈B的上延伸桿，自鎖機構的楔形軸與四面體本體上的楔形塊嚙合，自鎖機構被鎖緊。

7.伺服電機回退。

8.鎖緊氣缸回退。

2.1.2四面體夾具的應用

該機構已成功應用于上汽通用五菱柳東和東部車身多條補焊線上，如圖8為整體結構，包括補焊工位和切換工位。寶駿二期公共補焊線和東部車身補焊線各有2條線，單線設計節(jié)拍為40J/h，每條線設計8個補焊工位，一個切換工位（切換工位放在空中），其運用了256套四面體夾具，16套切換夾具。四面體夾具和切換機構的制造成本都比較低，因其不帶動力單元結構有效減少生產(chǎn)運行成本，降低能源消耗;同時，其在生產(chǎn)時夾具不動作，輸送時是汽車白車身隨四面體夾具一起輸送到下個工位，產(chǎn)生非增值時間少，節(jié)省了寶貴時間成本，提高節(jié)拍。從目前運用的情況看，四面體夾具結構緊湊，占用空間小，定位精度高，維護維修方便簡單等，經(jīng)過補焊線焊出的白車身焊點穩(wěn)定。

經(jīng)過多年持續(xù)生產(chǎn)和新車型不斷的導入改造，采用四面體夾具做為定位的公共補焊線已經(jīng)累計生產(chǎn)了市面上的熱賣的五菱宏光/S、寶駿630、寶駿560、寶駿730、寶駿510以及新寶駿RS-5等數(shù)百萬輛。

3結束語

四面體夾具的成功設計應用，很好地解決了多車型在公共補焊線的混線批量生產(chǎn)問題，同時也方便未來新車型快速導入，只要某種車型停產(chǎn)或者不需要經(jīng)過此補焊線，就可以直接把車型的定位單元拆除，再設計新車型定位單元即可以實現(xiàn)新車型導入，而不影響其他車型的定位與生產(chǎn)。四面體夾具與線旁夾具用低成本、高價值的設計理念不斷為公司與社會創(chuàng)造價值。