一種汽車焊裝夾具五面體系統的設計

金美華,王曉勇,楊新春,王金瀟

(南京工業職業技術學院機械工程學院，江蘇 南京 210023)

1 基本需求

根據汽車生產線的基本構造和實際要求，分析汽車組裝及焊接生產工藝，可知五面體系統需滿足以下需求[1]：汽車分裝焊接塊裝夾；機器人焊接控制；焊接裝夾的裝配工序與工藝流程控制；機器人數量與動作節拍協調；干涉區的規避；五面體夾具的旋轉控制與穩定性保持等。

2 機械結構與工作原理

為克服原有夾具庫的夾具更換節拍慢、動作繁瑣的不足[2]，本文設計了一種新型M30汽車組合夾具，其結構由轉臺、五面體結構和夾具等組成，通過底部的大轉臺帶動五面體切換到各個面的精準位置，以便于根據車型切換夾具或進行后續的機器人焊接加工。

2.1 夾具的組成

1)轉臺。轉臺是位于夾具最底層的旋轉機構，由伺服電機驅動，用于控制五面體的轉動。伺服電機尺寸精度為2.5mm，在轉臺底部安裝有固定銷，以固定轉臺位置，保證加工時焊接的定位精度。

2)五面體。五面體上有5個夾具置換位，用來放置夾具或者機械抓手，以滿足多種工序同時進行的需求,如機器人抓取和焊槍焊接時，機械手首先抓取工件放置在夾具的置換位上，然后自動更換焊槍完成焊接。五面體夾具庫的每個置換位上有一個快插模塊，用來給夾具傳遞通訊信號和氣源動力，實現夾具的自動化。

3)夾具。用于固定汽車板件，輔助焊接工作的完成，并確保焊接時的準確性[3]。

2.2 工作原理

系統通過可編程邏輯控制器(PLC)設定好汽車型號后，由特定傳感器檢測汽車板件到位，反饋信號給PLC，以判定汽車板件與選用車型的一致性；五面體旋轉到工作面進行工作準備，機器人抓取工件放置到加工位，切換抓手更換焊接槍，完成后反饋信號給夾具，夾具夾緊，即可進行焊接。

五面體可以旋轉到不同的工作位置，按照上述過程，循環工作，同時滿足多工位的焊接需要[4]。

通常，生產線上會同時安裝兩套同款車型的夾具，分裝在轉臺左、右兩端，轉臺一端是機器人上件，另一端是機器人焊接，當兩端同時完成工作后，轉臺自動旋轉，完成上件、焊接，交替循環作業[5]。

圖1為五面體轉臺夾具分布示意圖，可根據需求自動完成各種組合工作，五面體夾具分為A、B、C、D、E 5個夾具庫，可進行夾具的裝夾和工具的更換，實現車型的一鍵更換和工作面的一鍵切換。

圖1 五面體轉臺夾具分布示意圖

3 氣動系統

五面體系統的夾具更換由氣動控制系統完成，圖2是夾具加工氣動系統原理圖。通常，系統通過以下動作完成工件的裝夾：首先定位銷開銷，然后夾具張合完成工件的更換和夾緊，最后定位銷退出，夾緊的氣缸縮回。

4 PLC控制系統

4.1 PLC硬件組態

本文的PLC選擇S7-300的317FCPU和MPI/DP總線。首先打開S7-300站點，插入BACK-300底板、PS-300電源和317FCPU，然后MPI/DP總線接口選擇Profibus接口。創建網絡后再插入已選擇的模塊，修改起始地址，最后即可創建硬件組態，如圖3所示。

圖2 夾具加工的氣動系統原理圖

圖3 硬件組態圖

4.2 STEP7管理器的I/O分配

S7-300 PLC采用STEP7編程軟件編程和仿真，設置的部分IN分配表見表1，OUT分配表見表2。

表1 部分IN分配表

5 結束語

本文設計的新型五面體夾具實現了生產線庫區的自動化、動作的連貫化和整體化，夾具與夾具之間的更換可自動完成。通過轉臺與組合夾具的協同動作，優化了工作過程，克服了原有夾具庫夾具更換節拍慢、動作繁瑣的不足，有效提高了生產線的工作效率。

表2 部分OUT分配表