動臂焊后尺寸質量分析與控制方法研究

成二強，徐武彬，李 冰

（廣西科技大學機械工程學院，廣西 柳州545006）

0 引言

動臂作為裝載機工作裝置中的關鍵支撐和主要受力構件，在工作中除承受較大的靜工作載荷還要承受一定的沖擊載荷，其制造質量將直接影響整機的性能和可靠性。

動臂制造中的焊接變形一直困擾著裝載機的生產廠家，國內大部分機械生產廠家以及科研人員的研究主要集中在焊接工藝參數優化與焊后矯正處理兩方面[1-3]。然而，單純的依靠工藝參數優化無法完全消除焊接變形，且矯正程序嚴重影響生產效率。本文介紹一種動臂焊后尺寸質量控制方法，以開檔尺寸為例，從焊接前后尺寸波動的關系入手，并結合工裝設計，以達到同時控制焊后尺寸波動與焊接變形的目的。

1 動臂焊后開檔尺寸問題現狀分析

動臂焊接結構件如圖1所示，橫梁與動臂板之間的焊縫采用較大的坡口焊，焊接時動臂板只有內側受熱，由于受熱不均，焊后勢必造成動臂板彎曲變形導致開檔尺寸減小，兩端的圓搭面對稱度不達標。如圖2為某型動臂焊后車架端開檔尺寸數據，其尺寸設計值為1 065 mm.

圖1 裝載機動臂結構

圖2 某型號動臂焊后間距尺寸

由圖可知，動臂焊后間距尺寸測量數據表現以下兩種形式：均值漂移與尺寸波動。均值漂移由焊接變形引起，而尺寸波動是由于在生產過程中零部件的制造誤差，裝配因素，焊接穩定性能以及人為等多種因素累計而成。本文針對這兩種不同的尺寸質量問題分別進行分析控制，制定如圖3技術路線。

圖3 尺寸質量控制技術路線

2 焊接前后尺寸偏差相關性分析

本文采用一一對應的取樣原則，對焊接前后開檔尺寸偏差值進行了相關性分析。即在總拼工序取樣測量后放回生產線，并在矯正工序對同一工件進行取樣測量，測點布置如圖4所示，偏差計算式見式1：

其中，δ車架，△車架分別為車架端焊接前與焊接后偏差；δ鏟斗，△鏟斗分別為鏟斗端焊接前與焊接后偏差；D1，d1為動臂焊接前后鏟斗端寬度；D3為動臂焊接前橫梁部位寬度；D4，d4為動臂焊接前后車架端寬度。

圖4 測點布置示意

由于前后工序檢測數據相關性系數受取樣方法、抽樣頻次、樣本容量、測量精度等多方面因素影響較大，在所采集數據中重點針對每一天批次中編號集中且數據量較多的樣本進行分析。以型號4為例，測量結果如圖5所示。

圖5 型號4開檔尺寸焊接前后偏差相關性

δ車架與 △車架相關性分析結果：ρ車架＝ 0.9312；δ鏟斗與△鏟斗相關性：ρ鏟斗=0.8453，由此可知，動臂焊接前后開檔尺寸波動相關性較強。

3 總拼工序結構尺寸鏈近似模型

在建立尺寸鏈模型之前，首先要分析動臂的定位方式及裝配順序。動臂零部件均為剛體，采用六點定位原理，圖6為定位布局實物圖，裝配順序按照圖7中1-2-3順序進行。

圖6 動臂工裝實物

圖7 動臂裝配與定位二維簡化模型

實際生產中研究發現，動臂板銷軸與對應定位座接觸較好，在高度方向定位良好，但寬度方向（y向）上動臂板在拼裝過程中與定位塊會產生一定的間隙，存在定位誤差。因此，本文對三維尺寸模型進行了一定的簡化，重點分析xoy平面內的定位誤差，如圖7所示。

為簡化分析，平面度誤差中，暫先考慮動臂板1的平面度誤差影響。由于橫梁與動臂板接觸面相對臂長較小，將橫梁與動臂板接觸簡化為點接觸。忽略板材厚度的制造誤差，建立鏟斗端尺寸鏈模型如圖8所示。

圖8 考慮尺寸偏差與平面度尺寸鏈模型

其中，x1為動臂板定位點1，3的y向距離；x2為橫梁兩端中心距離；x3為鏟斗孔軸線到與動臂板定位點1間距；x4為橫梁圓筒軸線到鏟斗孔軸線距離；p1，p2為輔助尺寸；θ為動臂板1與水平方向夾角，裝配控制目標為動臂鏟斗端間距尺寸，記為y.建立矢量方程：

成分別在 x、y 軸上的投影[5]，分別記為 Di，di，i=0，1，2；當θ=0時，由方程2可得到4個方程：

方程3為隱式方程，運用直接線性法（DLM）[6]對方程（3）進行線性化處理：

進行矩陣計算，各參數取其名義值，計算結果{△U}中 △Y 為：

式（4）中各系數即為各尺寸敏感度系數，可知，x1以及d1影響系數大于1.其中x1偏差可認為動臂板定位偏差，因此，動臂板定位偏差、動臂平面度以及橫梁尺寸被確定為影響開檔尺寸的關鍵因素。此外，對所采集數據進一步分析之后得知，動臂板平面度存在一定的偏差。

4 工裝結構設計及尺寸鏈分析

從經濟角度而言，單純通過提高零件質量來優化裝配尺寸的辦法并不合適[7]。本文采用減小尺寸鏈上影響環節的方法來解決動臂的裝配問題，并將零部件定位布局作為尺寸鏈優化的首選途徑。動臂板高度方向上的定位良好，保持原方案不變；由于橫梁圓筒端面為精加工后的成品，精度較高，故改用圓筒端面與固定座2上定位塊為兩動臂板定位面（圖9）。并取消原動臂板兩端定位塊。改進后的工裝模型如圖10所示。

圖9 動臂板定位面

圖10 改進后的工裝模型

動臂兩側開檔尺寸y直接通過激光位移傳感器檢測來保證，構成的尺寸鏈為：

L為激光位移傳感器檢測數值，改進后縮短了尺寸鏈長，消除了板面平面度帶來的誤差，并提高了工裝自動化水平。

5 結論

本文提出了一種動臂焊后尺寸質量控制方法，針對動臂焊后開襠尺寸存在的兩種質量問題進行了研究，動臂焊接前后尺寸偏差存在波動相關性較強，進一步通過簡化的尺寸鏈模型分析，確定對焊后尺寸影響較大的因素有3個，即動臂板平面度、動臂定位偏差以及橫梁寬度。并從縮短尺寸鏈的角度，對原工裝進行結構設計，減少了尺寸鏈影響環節，消除了板面平面度誤差帶來的影響。