：卡车车架机器人铆接工艺
卡车车架机器人铆接工艺
一、卡车车架铆接工艺现状
车架是卡车中最重要的零部件之一，卡车上几乎所有的关键部件都装配其上，是卡车的基础部件之一，它承受着所装载的全部重量，传递着全部驱动力和制动力，在汽车中发挥着重要作用。&
卡车车架一般由纵梁、横梁以及纵梁上的各种附件等通过铆接设备（如：风动、液压铆接机，机器人铆接，铆接自动化铆钳等）将各种规格铆钉铆接后拼装而成。风动铆接是通过压缩空气吹动风锤连续锤击铆钉窝使铆钉杆墩粗并使钉帽成型。液压铆接是通过液压泵产生高压驱动油缸，通过由合金结构钢做成的弓形铆钳将铆钉压合成形。与风动铆接相比较，采用液压铆接具有以下优点：1.噪音小。2.劳动强度低。3.铆接速度快，约3秒钟即可铆接一只铆钉。4.铆接力大，冷热铆均可。5.铆钉受力均匀，铆接质量好，可矫正车架局部变形。因此，目前国内各卡车生产厂家均采用液压铆接工艺，也是本文所讨论的重点。国外的公司使用定制的液压铆钳配合专门开发的机器人程序和铆接工装，可以实现车架底盘，横梁的全自动化无人值守铆接，同时针对一个车架上多种铆钉规格，他们还研发一套自动换铆头装置，可以配合机器人和编程自动更换对应铆钉直径的铆接头，在volvo，iveco等重卡车上已经有成条线的应用。在国内武汉埃瑞特（IRIVET）也使用同步技术研发适合本土重卡车型的机器人铆接线，也取得了一些新的突破。
二、卡车车架铆接工艺存在的一些问题&
(1) 干涉问题：&
通常一个生产制作完成后的车架上，分布着密密麻麻各种规格的数以百计的铆钉，而有些铆钉的位置很特殊：a.紧贴纵梁（或横梁）的翼面，铆钉孔中心与翼面半径方向过于狭小，从而造成铆钳活塞杆（或铆模）在铆接过程中干涉；b.在横梁与纵梁连接处的三角地带内部，而内部空间狭小使铆钳无法进入；c.在距离很近的两横梁之间，铆钳在两横梁之间无法活动。铆钳一般为弓形结构，在铆接铆钉时承受了巨大的压力，在保证强度、刚性的情况下必须保持一定的体积形状。从而出现了一方面铆接空间狭小，需要减小铆钳体积形状，而另一方面还要保证铆钳的强度和刚性，这两方面的矛盾。
（2）操作问题：&
铆钳铆接分两种形式；一种为卧铆铆接，就是将铆钳放在地上，工人将纵梁吊挂起来推到铆钳中间来进行铆接。另一种为悬吊铆接，就是车架放置在工作台上，将铆钳悬挂在导轨上，移动铆钳来对车架进行铆接。在车架铆接制造过程中多采用悬吊铆接方式。铆钳体的尺寸根据铆钉大小，车架的不同而差别很大，重量一般在50~100公斤左右，大的甚至达到200公斤。所以在有些情况下需要2-3人才能操作一台铆钳进行铆接。直接影响效率。机器人铆接，主要是通过合理的工装设计，保证各部件固定并贴合到位，通过工人将铆钳插入铆接孔后，机器人自动实现铆接作业。如果没有正确的工装来固定需要铆接的工件，则会出现掉钉，歪曲，翻转，铆偏，不牢靠等问题。&
（3）其它问题：
在铆钳的设计和制造方面，国内产品与国外品牌差距不大。
a..安全性：铆钳的每一次铆接动作，都要承受几十吨的压力，而且动作非常频繁，如果铆钳材质内部有缺陷，可能会发生疲劳断裂。&
b.漏油问题：液压设备的漏油问题一直是个技术难题，在高压状态下，各种密封件的寿命都不长，很容易漏油，污染环境。&
三、未来车架铆接制造工艺发展趋势&
（1） 替代螺栓连接工艺：&
工人使用气动扳手通过高强度螺栓将横梁与纵梁以及附件连接在一起，这种制造工艺优势在于：a、在通过螺栓连接横梁与纵梁时，一侧用开口扳手固定高强度螺母，另一侧用气动（或电动）扳手将螺栓快速拧紧。由于扳手体积很小，不用像铆钳铆接那样过多考虑干涉问题。b、操作方便，速度快。由于扳手体积小、重量轻，工人使用起来比用铆钳方便很多（虽然铆钳悬挂装置上有弹簧平衡器），也容易上手。也较为安全。但是这种工艺也存在一些问题需要解决：a、生产成本高：车架螺接都采用高强度螺栓和高强度螺母，才能承受大的载荷。而一个高强螺栓和螺母的价格是一个铆钉的几倍甚至十几倍，在一个车架上（特别是加长的一些重卡车型上）分布着数以百计的螺栓。因此，在大批量生产中这种螺接与铆接的成本差距是显而易见的。b、螺栓的.放松问题：车架在车辆运输、行驶过程中因震动、变载、冲击等动载荷或温度发生较大变化时可使螺栓连接产生松动。由松动产生失效，由失效会产生严重的后果。而铆接相对来说就比较稳定。 特别是近年来机器人的引用和可定制化的铆钳，让这一工作变得格外轻松，只需要一个工人值守，即可全天24小时作业，不论哪种批次的产品，只需要前期根据所有种类的车架做好定制，即可实现一条生产线全覆盖。
(2) 替代焊接工艺：&
焊接工艺在轿车和轻卡的车架制造上是应用很广泛的，在中、重卡上只是在一些不太重要的车架附件上进行焊接。焊接工艺的优势在于：无需在纵梁和横梁上打孔或冲孔，这样就不会对车架的强度造成影响。但是，在焊接后都会产生不同程度的应力集中，产生整体或局部的变形，尤其是车架这样的薄板焊接就更为严重。为了防止车架变形和增加效率，需要为车架焊接制作专用的工装夹具，然而车架的种类很多，车型的更新换代很快，这样就无疑在车架焊接的工装夹具上的制造成本是非常巨大的。并且对于车架的焊接质量的控制也很难，与铆接和螺接相比较，检查车架的焊接质量需要专用设备，投入的成本高。而铆接和螺接在质量控制方面就更加的方便、直观和经济。&
机器人铆接技术在轻、中、重卡车架制造过程中将会占据越来越主导的地位。他避免了传统工人劳作带来的高强度，低效率，高次品率。从而使车架制造工艺方面更加高效、合理，最终形成高质量、低成本的生产模式。
武汉埃瑞特机械制造有限公司
湖北省武汉市洪山区李纸路板桥南5号
邮编：430065
服务电话:400-027-0250
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铆接机知识
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对某叉车车架变形过大的分析及优化
　　一、 故障现象： 中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-7493262.htm　　我公司某叉车样车，车架前立板在车辆使用一段时间后发生形变，与司机室发生干涉，导致司机室损坏。 　　二、故障分析（有限元法） 　　1、 车架结构及计算载荷 　　1.1车架结构 　　车架结构形式多样，无论是框架式、脊梁式还是综合式都是由纵横梁连接而成，其中纵梁是主要承载元件。纵梁有直有曲，断面沿长度有变有不变。纵梁断面形式有槽形、工字形、箱形和Z字形等。某叉车纵梁多用焊接结构并加强成闭口断面形式或型材。横梁与纵梁连接成整体，从而保证车架有足够的抗弯和抗扭刚度。 　　1.2 车架载荷 　　车架是整个叉车的基体，车架承受着来自路面及装载的各种载荷的作用力，成为一个承受着复杂空间力系的框架结构，车架变形主要表现为弯、扭两种状态。若用经典力学方法来计算车架强度和刚度或进行动力分析，则需要做很多的简化和假设，计算精度很低。但车架承受的载荷总的来说可以分为自身载荷和有效载荷两类：自身载荷是指车架自重、驾驶室、各总成及设备重（工作装置、配重、发动机、变速器、离合器等）；有效载荷是工作装置的偏载，它们以集中或分布载荷的形式作用在车架上。叉车车架计算主要考虑弯曲强度计算，弯曲刚度和扭转刚度计算。 　　2、 车架的有限元分析 　　首先选取车架受力最恶劣的工况，对于叉车车架而言，车架受到叉车工作装置、液压缸和工作载荷的作用力，且在计算过程中，车架及液压缸等部件本身的质量及重心会对整个计算产生较大的影响，因此，必须考虑整个上部结构的质量，通过以上工况及受力分析，用MSC-PATRAN及MSC-NASTRAN对车架进行有限元分析。 　　2.1 有限元建模 　　为了更能真实地反映车架的受力情况，将工作装置液压缸及车架全部建模，并在臂架与车架连接的节点处、伸缩臂的铰接处、油缸铰接处均通过耦合模拟连接，为节省工作量，将叉车上所有的销轴、货叉及油缸都看作铰接件，建模时用BEAM梁单元模拟，其它板筋件用SHELL壳单元模拟，铸件用SOLID实体单元模拟，不考虑各工艺孔，简化某些工序的工艺余量，并在轮胎安装孔处建立刚性节点，力求更真实地对约束情况进行模拟。 　　2.2边界条件及负载 　　2.2.1边界条件及负载 　　结合实际工作工况，如下图4所示，在轮胎安装位置完全约束，在货叉处施加工作载荷F=25000N的集中载荷，在上部结构其它总成的重心处施加载荷F=65000N的集中载荷。 　　3.1.2 结果分析 　　由应力云图可看出，车架最大应力为σMAX=522MPa 　　材料选用的是Q690D ，根据相关资料查出Q690D的屈服强度σs=690MPa 根据《液压挖掘机》所列出液压挖掘机结构件安全系数推荐知车架、行走架安全系数n为1.5～2 　　车架安全系数：<1.5 　　车架变形量： δMAX=23.2mm 　　由分析结果可看出车架应力应变过大，结构有待改进。 　　4 应力、应变云图 　　按照相同的边界条件及负载条件对修改结构做有限元分析，应力、应变云图如下图1、图2所示： 　　4.3 结果分析 　　车架安全系数： >2 　　车架变形量： δMAX=5.32mm 　　由分析结果可看出该结构设计安全可靠，能满足使用要求。 　　5 结束语 　　本文通过对叉车车架的有限元分析，得出车架在工作过程中的应力分布情况，对样机试制阶段发现的设计缺陷提出理论依据，指导了车架设计的后续改进，提高了车架可靠性。改进后的车架经过5万公里行驶测试和1000小时作业测试，该部位未出现变形故障，验证了本次应力分析的正确性。 　　参考文献： 　　[1] 马爱军，周传月，王旭/Patran和Nastran有限元分析软件专业教程.―北京：清华大学出版社，2005 　　[2] 周京平.中文版Pro/ENGINEER wildfire 3.0完全自学手册―北京：科学出版社，2007 　　[3] 中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典：第二卷―南昌：江西科学技术出版社，2002 　　[4] 液压挖掘机（原理、结构、设计、计算）―武汉：华中科技大学出版社，2011.10 　　作者简介： 　　何霞，2003年毕业至今，一直从事机械结构力学性能方面的分析工作，几乎参与了近几年公司所有结构件的设计校核和设计改进。
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