施工升降机吊笼骨架高精度自动化组装焊接工装设计*

王晓凯 吕英波 路来骁 陈庆强 王仁超

1 山东建筑大学机电工程学院 济南 250101 2 大汉科技股份有限公司 济南 250200

0 引言

随着我国经济水平的快速发展，高层建筑、桥梁等工程项目逐年增加，且施工难度越来越高，急需更高质量的建筑施工机械作为支撑。施工升降机是载人载货垂直运输机械，在施工过程中起着至关重要的作用[1]。相比于其他机械，施工升降机的安全性要求更严格，对其制造精度提出了更高要求。施工升降机主要由塔身、吊笼、起升机构和附墙等结构组成，其生产制造过程中需采用大量的焊接结构[2]，故焊接质量和精度是制约施工升降机产品质量提升的关键核心问题。

目前，对标准节类结构简单的零部件已基本实现了机器人焊接线自动化生产，其生产效率和焊接质量有较大进步。然而，对结构较复杂的吊笼部件尚无法自动化生产，产品质量在很大程度上仍依赖焊接工人技术水平，焊接工艺质量很难保证，导致吊笼骨架焊接后形状、尺寸不稳定，存在较大的焊接误差[3]。在此因素的影响下引起了后续装配工序的诸多问题，如铝护板安装工序无法实现孔的预制而需人工进行现场配钻，严重影响了升降机吊笼装配效率。施工升降机吊笼作为承载人与货物质量的主体，其制造精度对装配效率、产品质量及升降机运行平稳程度提升起至关重要的作用。

在焊接过程中，材料由于受到热源不均匀地加热和冷却而造成焊件膨胀、收缩不均匀，最后导致残余应力和变形，继而对结构的强度、稳定性以及装配精度产生不良影响[4]；而存在的焊接变形会严重影响焊件的精度和使用寿命[5]。

针对小型焊件焊接变形的问题，Dattoma V等[6]进行了不同焊接工艺条件下6061铝合金接头的MIG焊接数值模拟，发现提高焊速会降低结构的垂直变形和角变形，但会增加最大纵向拉应力，较高的电流可以增加结构残余应力和变形，而焊接顺序不影响纵向残余应力分布；Fu G M等[7]发现焊接顺序是通过影响板中部块焊缝起始和结束处的残余应力分布来影响变形；若将其放大到大型焊接结构件中，Honaryar A等[8]发现在双体船整体壳体模型中，在外角接头最大角度(140°)附近易产生较大焊接变形，且焊接速度对减少变形产生重要影响；梁军强等[9]针对电动汽车电池盒铝合金框架结构分析得出采用W形内外交替的焊接顺序，首先将中间横梁、短梁与边框连接在一起，可增大电池盒框架抗变形能力，然后再焊接其余焊缝，通过框架的平衡对称状态抵消部分变形。

施工升降机吊笼骨架是以焊接为主要连接方式的大型框架结构，组装焊接焊点多、局部焊缝长、焊接杆件多等均可使其产生焊接变形，焊接夹具是焊接过程中重要的控制焊接变形工具，其设计方式主要经历了手工设计、计算机辅助设计和智能化等3个发展阶段[10]。焊装夹具除了完成本工序的零件组装、定位外，还担任检验和校正上道工序焊合件焊接质量的任务，因而其设计制造影响着整个焊接工艺水平、生产能力及产品质量[11]。王毅等[12]针对汽车焊接夹具设计了可实现快速安装和定位的可重构定位夹具，降低了因车型改变而带来的夹具维护升级成本；Ordieres J等[13]发现在给定的制造路线内夹具设计对焊接变形的影响相比于焊接顺序，控制变形效果更明显；Huang H等[14]通过有限元模拟某大型工程机械结构分别在有夹具约束和无夹具约束情况下的焊接变形，发现夹具约束越靠近焊缝位置结构的焊接变形量越小；Jiang W C等[15]为了减小超厚管板对接焊接过程中的残余应力和变形，在管板两端增加载荷，减少了焊接角变形。气动夹具是一种焊装夹具，主要作用是通过将工件进行准确定位以及可靠夹紧而保证在焊装过程中的焊装精度和焊装质量，提高焊装过程中的焊装效率[16]。熊晓萍[17]对拉杆式气缸作为驱动的夹具的几种较典型运动机构进行了分析，有关其焊装效率和焊装动作精度均基本满足生产要求。因而，继续提高焊接夹具的结构精度和刚度仍是未来研发的热点所在，利用计算机辅助夹具设计，以提高生产效率和生产安全为目的研究与开发智能化、自动化的焊接夹具将是焊接夹具发展的时代趋势[18]。

因此，高精度夹具是对控制焊接变形、提高焊接质量和焊接精度的有力保障。本文以某SC200型施工升降机吊笼骨架为研究对象，对其结构特点、组装焊接顺序、现有焊接工装及吊装运输特点进行分析，设计能适应不同尺寸吊笼骨架的高精度自动化组焊工装，通过对各工装面表面进行铣削加工、定期替换定位块标准件以及气动夹具进行夹紧实现工装长期有效的高精度定位与焊接变形控制，提高焊接精度和生产效率。

1 吊笼骨架结构特征分析

如图1所示，升降机吊笼骨架焊接采用先单片、后组焊的工艺流程，先将主槽钢架、吊笼顶、吊笼底焊接成片，然后由起重机将吊笼顶、吊笼底吊装至特定工装处，将方管和角钢等附属零件摆放就位后进行吊笼骨架的组装焊接工作。组焊完成后，将铝护板平铺于吊笼骨架内表面，安装铝护板的过程中需要不断翻转吊笼骨架进行人工钻孔、安装铆钉等工序，最终完成吊笼整笼的生产。

图1 吊笼生产线流程图

该吊笼焊接工装的吊笼骨架有2种型号，即3 m型和3.2 m型。通过比较这2种型号升降机吊笼结构，发现3.2 m型升降机吊笼骨架与3 m型升降机吊笼骨架在宽度（Y轴）和高度（Z轴）方向尺寸相同，但长度（X轴）方向相同杆件的相对位置不同，具体体现在主槽钢架面杆件和驾驶室面杆件的相对位置不同，以图2所示3 m型与3.2 m型吊笼骨架同一位置的方管为例，其间距为7 mm。因此，结合同一位置不同型号升降机吊笼的相同点与不同点，可将3.2 m型和3 m型升降机吊笼骨架焊接工装兼容合并，使该工装方案可同时满足3 m型和3.2 m型升降机吊笼骨架的组焊需求，以下工装设计主要以3 m型吊笼骨架各部位定位与夹紧为例。

图2 3 m型升降机吊笼骨架

图3为SC200型施工升降机吊笼骨架组装焊接示意图，其在焊接前的组装顺序为：先将主槽钢架面的主槽钢架、C形槽钢和方管等放置在现有工装上，然后将吊笼底面吊装至现有工装面进行固定，随后进行吊笼顶面的吊装，并用自制简易工具进行固定，最后将驾驶室面的方管与角钢安放就位。随着工艺的优化，可在下料阶段预先在杆件上打孔，实现后期铝护板的快速安装，减少因不停翻转吊笼骨架进行手工打孔而导致生产效率不高的问题。然而，由于现有工装定位粗糙，焊接完成后的吊笼杆件定位精度无法满足后期铝护板安装需求。因此，为提高吊笼骨架组装焊接精度，提高生产效率，需设计新的吊笼骨架组装焊接工装方案，并实现吊笼骨架焊接组装过程中杆件的高精度定位及装夹的自动化。

图3 吊笼骨架组装焊接示意图

2 吊笼骨架组装焊接工装设计

2.1 工装整体结构设计

根据吊笼骨架的结构特点，为了装夹方便和定位准确，选择将质量较大的主槽钢架面作为定位基准，先进行主槽钢架面各部件的定位及夹紧，再对吊笼骨架的其他面进行定位夹紧。该工装主要由夹具体、定位键、可调垫铁、卡爪、气缸等组成。

针对升降机吊笼骨架焊前组装和焊后整笼吊出的问题，升降机吊笼工装整体采用U形结构形式，吊笼底面工装和吊笼顶面工装设置在主槽钢架面工装的两侧，分别与主槽钢架面工装通过转轴进行连接，实现打开和闭合动作，吊笼底面工装和吊笼顶面工装两侧安装有液压缸，能驱动2工装面绕轴转动。工装呈打开状态时可进行主槽钢架面工件的夹紧定位，工装呈工作状态时可将升降机吊笼顶面、升降机吊笼底面及驾驶室面杆件置于工装面进行夹紧定位。利用定位块、气缸/液压缸和卡爪实现零件定位及装夹，工装中所用气缸/液压缸夹具均通过集成化模块按钮控制，从而实现装夹时夹紧工件；拆卸时松开工件，将吊笼骨架从工装中取出，吊笼骨架组焊工装示意图如图4所示。

图4 吊笼骨架组焊工装示意图

为保证主槽钢架面工装、吊笼顶面工装和吊笼底面工装的精度，对安装有定位块及夹具的底面进行铣削加工，各工装面主要由H形钢、方管和钢板焊接组成，焊接完成后产生焊接变形，对工件的定位产生影响，导致定位不精。因此，根据工件定位基准采用数控铣床对工装表面进行铣削加工和钻孔，保证其加工精度范围为0.02～0.1 mm，保证其表面的水平度及夹具的精准安装。在各工装面夹具安装时，通过不断测量各定位面与基准面之间的距离调整夹具的位置，以此提高工件在安装完成后的定位精度。

2.2 主槽钢架面夹具设计

主槽钢架面工装为水平设置，其下方安装有可调垫铁，在安装过程中利用高精度水平仪测量其水平度，通过调节可调垫铁高度使主槽钢架面保持较高的水平度，主槽钢架面工装设有多个杆件夹紧定位装置，用于对主槽钢架面杆件的夹紧和定位，杆件夹紧定位装置的数量和位置依主槽钢架面杆件的数量和位置而定（见图5），以主槽钢架内侧（图5中虚线所示）为基准面，其他杆件及零件以虚线为基准进行定位。

图5 主槽钢架面工装

如图6所示，主槽钢架面杆件夹紧定位装置由气缸组件、支撑件、底座和卡爪等组成。底座和支撑件组合完成杆件的定位，气缸组件与卡爪通过和底座连接完成杆件的夹紧。当施工升降机吊笼为3 m型时，将杆件放置于支撑件平面Ⅰ与立面Ⅰ处，通过气缸组件提供动力带动卡爪靠近支撑件，实现对杆件的夹紧和定位；当施工升降机吊笼为3.2 m型时，将杆件放置在支撑件平面Ⅰ与立面Ⅱ处，通过气缸组件带动卡爪靠近支撑件，实现对杆件的夹紧和定位，同时杆件夹紧定位装置的支撑件通过可拆卸的方式安装于底座。因此，当支撑件经过长时间磨损影响杆件的定位精度时，可对支撑件进行替换，以保证定位精度。

图6 主槽钢架面杆件夹紧定位装置

根据六点定位原理，在主槽钢架面Y轴负方向设置定位块，且定位块上安装有定位螺栓，可通过旋转螺栓对杆件定位进行微调，以保证其定位精度。在Y轴正方向设置气缸夹紧装置，为主槽钢架面各部件提供Y轴方向的夹紧力，通过与X轴方向的杆件夹紧定位装置相配合，完成各部件的定位与夹紧，降低其在组装焊接过程中的焊接变形，提高各杆件的定位精度。

2.3 吊笼顶面及吊笼底面夹具设计

吊笼顶面工装与吊笼底面工装结构相似，以吊笼底面工装为例，其示意图如图7所示。吊笼底面工装和吊笼顶面工装上均安装有定位块，吊笼顶面工装及吊笼底面工装定位键座经铣削形成精准的定位面，定位键作为可替换零件安装于定位键座，防止经磨损导致定位精度的降低。吊笼底面工装及吊笼顶工装面上端两侧安装有上端夹紧装置，下端夹紧装置安装于主槽钢架面工装，分布在吊笼底面工装及吊笼顶面工装下端两侧，气缸组件带动卡爪靠近吊笼底面和吊笼顶面实现夹紧及定位，此时可将驾驶室面杆件置于工装面进行夹紧定位，如图8所示。

图7 吊笼底面工装示意图

图8 吊笼顶面夹紧装置

2.4 驾驶室面夹具设计

由于驾驶室面各杆件在焊接时处于整个工装的最上方，受到空间的限制，驾驶室面各杆件的定位及夹紧装置分别安装于吊笼底面工装和吊笼顶面工装。其中，与吊笼底面相连接一侧主要进行杆件定位，与吊笼顶面相连接的一侧主要进行杆件夹紧（见图9）。吊笼顶面工装一侧安装有方管夹紧装置，包括方管夹紧组件和气缸组件，气缸组件包括滑块、滑轨、角接头、气缸等，气缸带动滑块在滑轨内移动，方管夹紧组件包括焊接架与方管夹紧机构，焊接架与吊笼顶面工装通过具有高精度的导轨滑块连接，不易发生偏移，通过滑块带动安装有大方管夹紧机构和小方管夹紧机构焊架移动实现对驾驶室面大方管和小方管的夹紧功能。

吊笼底面工装的顶部设置方管定位装置，方管定位装置包括大方管定位装置和小方管定位装置。大方管定位装置如图10所示，卡槽内设置楔形压块，楔形压块通过螺栓安装在卡槽内，卡槽上方设置卡槽盖，卡槽下方设置定位块，定位块设有与大方管形状相匹配的凹槽，将大方管的一端置于凹槽内实现初定位，卡槽和楔形压块通过安装于螺栓的弹簧提供压力，将大方管压紧于定位面和升降机吊笼底面，以实现大方管一端的定位和压紧。

图10 大方管定位装置

小方管定位装置如图11所示，与大方管定位装置相似，小方管定位装置有2个卡槽，每个卡槽内均设有楔形压块，卡槽下方设置具有2个凹槽的定位块，2个凹槽可以分别对3 m型和3.2 m型升降机吊笼骨架的小方管的一端进行定位。当施工升降机吊笼为3 m型时，将小方管的一端置于凹槽Ⅰ内；当施工升降机吊笼为3.2 m型时，将小方管的一端置于凹槽Ⅱ内实现初定位。卡槽和楔形压块将小方管压紧于升降机吊笼底面，以实现小方管一端的定位和压紧。

图11 小方管定位装置

吊笼底面工装的顶部设置方管夹紧装置，方管夹紧装置和方管定位装置配合使用，且形状类似（见图12），其不同点在于方管夹紧装置中楔形压块的倾斜角相较于方管定位装置更大，楔形压块对方管在长度方向的压力更大，主要进行方管在长度方向上的压紧。

图12 吊笼顶面一侧方管夹紧装置

为提高方管的定位精度，在完成方管定位装置与夹紧装置的安装后对其定位面进行测量和微调，其误差范围为0.02～0.1 mm。

3 气压与液压系统设计

本文采用液压与气压驱动定位和夹紧装置，实现零部件的自动化可靠夹紧。气压系统主要由气源、压力调节器、气缸、控制器、阀门和管道系统等组成，气压系统主要负责将工件固定于工装，通过控制器控制气缸的伸缩带动卡爪实现工件的夹紧与释放。液压系统主要由液压泵、储液器、液压缸、液压阀和控制器等组成，在完成主槽钢架面各部件的安装就位后，液压缸推动吊笼顶面工装和吊笼底面工装进入工作状态进行吊笼的组装；在完成吊笼骨架组装焊接后，液压缸收缩工装进入打开状态，将组焊好的吊笼骨架取出。

采用自动化工装可确保生产过程中的一致性和质量，提供稳定的夹紧力，减少因人为因素而引起的误差，采用一键式控制方式使工件的定位更方便快捷，提高了吊笼骨架的组装焊接效率。

4 结论

1）对施工升降机吊笼骨架的结构特性进行深入分析，并遵循六点定位原则，确定了以主槽钢架面作为基准的工装方案，应用高精度定位块与气缸，实现了对工件的精确定位和夹紧。

2）完成了焊接工装的整体结构设计以及装夹夹具的设计工作。该工装整体采用U形结构，通过液压缸控制吊笼顶面和底面工装的开合功能，方便吊笼骨架的组装焊接及卸装。此外，各工装表面均经过精密铣削，并结合可替换定位块，实现各部分的准确定位，针对各杆件的形状特点，设计了以气缸为驱动力夹紧杆件的专用夹具，控制杆件的焊接变形。

3）该工装可同时满足3 m型和3.2 m型吊笼骨架的组装焊接，节省了工装场地，通过对工装面进行铣削形成高精度定位面，且定位块可进行替换，结合气动夹具，提高了工装的自动化程度，实现了吊笼骨架部件及杆件的高精度定位，减少了人为调整时间，提高了产品的生产效率。