HF3型车门左边框焊接总成的自动焊接装置设计.docx
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HF3型车门左边框焊接总成的自动焊接装置设计
第一章绪论
1.1课题的背景及研究意义
汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化工具。
没有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。
中国汽车工程学会理事长张小虞对中国入世五年带给中国汽车的影响时表示，国内汽车的产量在入世的5年内增长了3倍，中国在全世界汽车产业的排序从过去的第8位上升到前3位。
中国已经成为汽车产业大国。
要想迈入汽车产业强国行列，我国汽车工业必须努力打造自主品牌、加速技术创新、提高自主知识产权的比重、调整产品结构、促进产品创新和管理机制创新，从总体上提高我国汽车行业的制造水平和能力，增强汽车行业的国际竞争力，加速我国汽车行业的国际化进程。
（1）
良好的车身结构给驾驶员和乘客提供了安全的架乘空间。
在发生事故时，车身相关部分能充分吸收撞击的能量，降低人员所受的冲击。
因此，车身焊接技术十分重要，它是提高产品质量和生产效率的关键。
车身装焊夹具也正是保证其焊接高质量的关键焊接夹具属于焊接工艺过程的辅助装置，在汽车车身大批量生产过程中，该装置是必不可少的。
它不仅可以提高焊接生产率，而且也是保证焊接产品的尺寸精度及外观要求的重要装置。
焊接夹具没有统一规格和标准化，属于非标准设计和制造的工艺装备，要根据具体车型的结构特点、生产条件和实际需求来自行设计与制造。
因此在汽车制造过程中汽车焊装工艺和焊接夹具的设计变得尤为重要。
本设计为了缩短夹具设计的周期，提高设计精度和设计效率将直接利用catia软件进行三维设计。
Catia软件可以构建整套夹具的全数字化模型，可对整个产品、指定的子系统或零件进行可视化装配分析、检测从而促进产品的性能优化。
与传统二维设计相比，利用Pro/E软件所提供的虚拟装配功能，能实现不通过实际生产调试就可在设计过程中检测出零件存在的问题大大降低的成产成本
（2）。
1.2国内外研究现状
1.2.1虚拟制造技术的应用和发展
从20世纪60年代起至今，制造企业的战略由资源经济向知识经济转变。
20世纪60年代制造企业追求的是扩大生产规模，70年代是降低生产成本，80年代是提高产品质量，90年代则是进一步加快市场响应速度，21世纪随着知识经济的到来，技术创新成为企业发展的灵魂，企业必须同时具备时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力和创新竞争能力才能赢得市场。
虚拟制造（VirtualManufacture）的发展适应了时代的要求。
虚拟制造又称拟实制造，它是实际制造过程在计算机上的本质实现，即利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个制造过程，从而对产品的设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务做出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制能力。
可以看出，虚拟制造并不是真实的制造过程。
它不产生真实产品，不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型实现制造的本质过程。
从虚拟制造概念的提出到迄今为止，它已成为世界各国科技界、企业界研究的热点。
世界上许多国家都将虚拟制造看作是21世纪制造业变革的核心技术之一，纷纷从不同方向开展研究。
美国拖拉机公司用虚拟设计方法代替常规设计方法，把原来从设计到定型所需的6-9个月时间缩短到不足1个月时间，而且允许用户在虚拟环境下观察试验（FieldTest），并在1993年获得虚拟环境应用奖。
近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，已开展了很多研究工作，据不完全统计，目前全国已有几十家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术方面的研究。
国家863/CIMS主题也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。
如今，随着先进的计算机理论和技术的不断应用，虚拟制造技术取得了的显著发展，虚拟制造技术的应用成为汽车制造业提高竞争力的重要技术手段（3）。
1.2.2柔性技术的发展与应用
在20世纪30年代到20世纪50年代，一般采用自动流水线制造设备，这可称为刚性自动化（FixedAutomation）方式。
自动流水线设备的价格通常相当昂贵，如果要改变产品的品种，自动流水线需要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大，柔性制造系统的出现改变了这一状况。
由于柔性技术具有较高的生产率和对产品及市场的应变能力，使其在制造领域得到了广泛的应用，尤其在英国、美国、日本、德国等工业化国家，柔性焊装夹具在国外已成为车身生产线的主要方式，结构上多采用贯通式焊装生产。
贯通式焊装生产是指工件的定位夹具系统与工位间输送系统呈分离状态，其功能是将工件移送至下一工位。
目前对柔性夹具的设计主要是对于传统夹具的创新研究，这类夹具有两种：
1.传统的槽系组合夹具。
传统的槽系组合夹具的突出特点是组装灵活多变，使用可靠，尽管它有好的柔性，但是配套元件多而且元件加工精度极高，尤其是夹具装配和调整时间长，初置费用高，生产厂家很少采用，逐渐被冷落。
2.孔系组合夹具。
这是最新发展的柔性夹具，它与传统的槽系组合夹具原理相同只是元件结构和组装方式不同。
该系列元件因其结构简单，以孔定位，螺栓连接，定位精度高，刚性好，是现代柔性夹具的主流。
使用孔系组合夹具可以大幅节省夹具的设计制造工时，缩短生产准备周期，节约钢材，经济效益十分显著。
装焊夹具的柔性设计是夹具设计方面需要解决的关键问题，对于现有焊接夹具创新研究的同时，也要在夹具原理和结构方面进行创新研究，寻求原理、结构方面的突破。
为此本设计将采用孔系组合夹具来提高焊装夹具的柔性化（4）。
1.3课题研究的主要内容
1.基于产品数模设计焊接组件的加工方案，并对其工装的设计过程，方法及工作远离进行分析，确定定位加紧装置和转动机构的最终设计方案
2.通过分析拟定必要的保证要求的设计内容：
设计三个工位的焊接夹具，各工位的焊接夹具工作既可以相互独立，也可以有序预约，使操作者操作便捷，维护方便
3.通过分析设计符合实际的焊接夹具
4.通过分析，对定位加紧装置和转动机构进行了结构的设计
5.完成二维和三维装配图
6.要有对相关项目进行理论分析和设计计算
7.图纸和说明书要符合规范，标准化，清晰
第二章车门焊接夹具及焊接技术的研究
一个车门的制造过程为：
冲压，凸焊，点焊，弧焊，包边等，而点焊又是其中的重中之重。
为了达到以上强度，刚度及精度方面的要求，在点焊过程中使用一副可靠的焊接夹具是极其重要的。
在焊接生产过程中，焊接所需要的工时较少，而约占全部加工工时2/3以上的时间都是用于备料、装配及其他辅助工作。
因此，必须大力推广使用机械化和自动化程度较高的装配焊接工艺装备。
焊接工装夹具的主要作用如下：
（1）准确、可靠的定位和夹紧，减小制品的尺寸偏差，提高零件精度和可换性。
（2）有效地防止焊接变形。
（3）使工件出于最佳施焊部位，焊缝的成型性良好，工艺缺陷明显降低，焊接速度得以提高。
（4）扩大先进的工艺方法的使用范围，促进焊接结构的生产机械化和自动化的综合发展。
如下图:
。
车门焊接工作台图2-1
2.1焊接夹具的概述
装焊夹具概述把冲压件在一定工艺装配中定形、定位并夹紧，组合成前围组件、合件、分总成及总成，同时利用焊接的方法使其形成整体的过程称为装焊过程。
装焊夹具没有统一规格和标准化，均属于非标准设计和制造的工艺设备，是根据具体各车型的结构特点、生产条件和实际需要来
焊接夹具图2-2
2.1.1焊接夹具的特点
1.车门装配焊接夹具的定位方式、定位元件形状复杂。
车门装配焊接夹具由于车门零件大多是三维空间曲面的冲压件，他们不仅形状复杂，而且刚性差，易变形。
在夹具中定位时往往要合理的取前围某特定的曲面、孔作定位面、定位孔，定位孔的首选应是产品图的基准孔，
2.汽车车门外形复杂，大多是三维空间曲面尺寸较大装焊夹具的定位往往采用过定位的设计以保证在装焊部件时的正确性，尽量减少车身焊接时产生的焊接变形；
3.一般情况下，汽车车身装配焊接夹具中的夹紧装置通常采用手动与气动装置，大部分采用气动夹紧装置。
夹紧装置的位置与结构设计需合理、精确、牢靠；动作的程序设计需准确、简捷。
4.汽车车门装配焊接夹具设计时要充分分析车身零部件，考虑定位、定位装置、夹紧装置、输送装置及焊枪、焊钳之间的干扰问题。
设计人员必须充分考虑冲压件装配焊接前后取出等一系列的干涉问题，如定位装置、夹紧装置之间的干涉；焊枪、焊钳与定位装置、夹紧装置之间的干涉[5]。
2.1.2焊接夹具要求
在汽车车身焊接过程中定位夹紧保证车身零件之间正确的装配关系同时保证车身焊接质量及焊接过程顺利
车门焊接夹具的优劣在决定着车门质量。
为此，此次装焊夹具的设计必须达到以下要求：
（1）保证焊件焊后几何形状和尺寸精度符合图纸和技术要求；
（2）使用时安全可靠，凡是受力的各种器件，都应有足够的强度和刚度；
（3）便于施工和操作，定位、夹紧和松开应省力而迅速，夹具应使装配和焊接过程简化，操作顺序合理；
（4）容易制造和便于维修；零部件应尽量标准化、通用化，易于加工制作；易磨损件要便于更换；
（5）降低夹具制造成本，尽量使用标准件。
此次所焊接的车门为哈飞左前门部件，设计了其中点焊的第一道工序的夹具，选用的焊接设备为悬挂式电焊机，选用的焊钳为X型焊钳。
本次设计所全程使用CAD技术，3D图利用CATIA软件绘制，2D图利用AutoCAD软件绘制。
设计的过程中参考了一些点焊工艺方面的书籍，也参考了诸多焊接工装方面的书籍，采用了一些知名企业的焊接工装标准，借鉴了现有的车门装焊夹具。
以上种种都让我收益颇多[6]
2.2焊接夹具设计方案的确定
1.夹具高度。
考虑到本地人的平均身高，将夹具的夹紧时的高度定为1000mm，为方便取件并考虑到夹紧机构力臂受力足够，夹具打开的最高的高度为1xxxmm。
2.摆放方案。
车的前后方向为x方向，车的宽度方向为y方向，垂直于地面的方向为z方向。
垂直零线在前壁板前方距离车体2000mm处的平面上，水平零线位于轮胎下方距离车架顶部500mm处，车体中心线为y=0的平面，左边为负，右边为正。
考虑到车门整体呈扁平状，并且为方便焊接操作，将零件的摆放方式定为车门按车身坐标来摆放，ZX方向与地面平行，向为BASE板的法线方向。
即y
3.BASE方案
BASE是夹具的基本件，它要把夹具的各种元件、机构装置连接成一个工件外形整体。
夹具BASE的形状和尺寸主要取决于夹具各组成件的分布位置、轮廓尺寸及加工条件等。
设计夹具BASE时应满足以下要求：
（1）足够的强度和刚度；
（2）结构简单、轻便。
在保证强度和刚度的前提下结构尽可能简单紧凑。
（3）安装稳定可靠。
（4）结构的工艺性好，便于制造、装配和检验。
（5）尺寸稳定且具备一定精度。
（6）清理方便。
由于夹具底板要承受相当重的重量，综合考虑结构合理性、工艺性、经济性，标准化等，为保证夹具的刚度和强度，夹具的BASE板采用厚度为20mm的Q235板材或者Q255板材，板材下面用槽钢支撑，槽钢选用热轧普通槽钢，代号为GB/T70714b。
槽钢在两个垂直方向呈网状搭接，槽钢与BASE板通过焊接连接，焊后经过退火处理以消除焊接应力。
BASE板的平面度0.10。
在槽钢靠近地面的底部焊接5个支脚底座。
。
BASE支撑采用支脚支撑，支脚通过螺栓与BASE板上的支脚底座进行连接。
BASE外形需将板件包含在内，BASE板外形与车门整体外形相一致。
。
（孔，面定位）
4.定位方案
定位的作用是要使工件在家具中具有准确和确定不变的位置，在保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。
（1）工件的定位原理
自由物体在空间直角坐标系中有6个自由度，即沿OX，OY，OZ三个轴向的平动自由度和三个绕轴的转动自由度。
要使工件在夹具中有确定不变的位置，则必须限制六个自由度。
工件的六个自由度均被限制的定位叫完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。
在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形，有些自由度是不必要限制的，故可以采用不完全定位的方法。
在焊接夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制一个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度。
但是在大的钣金件中，为了保证焊接不变形和保护工件不受外力压垮，常常需要多设置若干定位加紧。
以下说明钣金件的典型定位方式。
一个钣金件由一个主定位孔和一个副定位孔及三个定位面进行定位。
定位原理如下图所示。
H为主定位孔，呈圆形（circularhole）为副定位孔，为了；h防止与主定位孔配合时出现过定位，其形状呈腰形（regularslot）为定位面。
，SH中插入主定位销（principlelocator）以限制x，y向平动自由度，在h中插入销配合H中的销可以限制绕z轴的转动自由度，3个S面相当于三个点，限制板件Z向的移动及绕x轴和y轴的转动，所以综上S面限制板件三个自由度，H限制板件两个自由度，h限制一个自由度。
由此，板件得以完好定位。
如图2.2-1
车门数模图2.2-1
5.夹紧方案
夹紧机构的三要素是夹紧力的方向、夹紧力作用点、夹紧力大小。
对夹紧机构的基本要求如下：
（1）夹紧作用准确，出于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。
（2）夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损害零件的表面质量。
（3）夹紧件应具备一定的刚性和强度，仅仅作用力是可调节的。
（4）结构力求简单便于制造和维修。
一般的，夹紧与支撑成对存在，即假如一个零件的一边为支撑面，该零件的另一面有一个配对的夹持面。
本夹具采用的夹紧方式出于夹紧状态时，NC块1的下表面通过螺栓紧固在连接板上，上表面作为S面的支撑面，NC块2用螺栓紧固在压爪上，下表面作为S面的夹紧面。
压爪通过铰链1与气缸的耳环相连，通过铰链2与连接板相连。
气缸通过铰链3与连接板相连。
如图:
2.2-2
焊接夹具图2.2-2
当夹紧松开时，压爪及NC块2通过气缸的力作用，绕着铰链2的中心沿着弧线旋转。
当夹紧时，压爪及NC块2通过气缸的力作用，绕着铰链2的中心沿着图示弧线向下旋转，当气缸出力过大使NC块2行程过大而压坏工件时，限位块起着限位作用。
此处的气缸选用SMC公司的CK1B系列耳环式气缸。
对于钣金件，要使焊接时能够可靠压紧，对于厚度>1.8mm的钢板，压紧力F>50kg；对于厚度<1.8mm的钢板，压紧力F>30kg。
根据杠杆原理计算可得出压爪不一超过xxxmm。
这种夹紧方式能够满足以上四种基本要求。
（典型的夹紧机构气缸选用SMC产品CK1A耳环式气缸[7]。
6.POST数量及位置确定
连接板用螺栓固定在L支座上，L支座用螺栓固定在BASE板上。
一个L支座就叫做一个POST。
POST的数量及位置取决于定位销位置数量及S面的以保证工件平衡稳定，所以POST位置数量。
一般的每隔400mm需设置一个S面，的数量也大致为每400mm。
但是POST的布置不能影响焊前放件，焊接操作和焊后取件。
以下为本夹具的POST方案。
根据以上各零件的定位信息，确定了POST的数量及位置。
POST1上固定两个定位销，POST2、POST3、POST5、POST6、POST10上均固定一对支撑夹紧。
POST4上固定两对支撑夹紧块和两个定位销。
POST7、POST8上的NC块为异形NC块。
POST9上固定两对支撑夹紧块。
POST2、POST3、POST4、POST5、POST6、POST7、POST8、POST9、POST10上均带有一个CK1型的标准夹紧气缸。
POST11上附有一个x方向活动定位销，此POST上有一个CQ2系列的薄型气缸和一个MGP系列的带导杆薄型气缸。
为方便气路分别控制不同的动作，将POST1、2、3、4、5、6、9、10中的POST11中的MGP带导杆气缸为组B组，POST11中CQ2夹紧气缸确定为A组。
系列的薄型气缸为C组。
POST7和POST8中的夹紧气缸为D组。
如图图2.2-3
车门POST图2.2-3
本设计是汽车前门左边框焊接总成的自动焊接装置设计所以只需要POST1POST2POST3POST4POST5POST8POST9
7.紧固方案
本夹具典型的紧固方案如下图所示。
所有的紧固方式必须采用两个销钉和若干螺栓紧固的方式。
有两个销钉孔，两个零件的销钉孔中插入销钉实现定位，定位后再用螺栓紧固。
在两个被紧固的零件之间必须加一垫片，以保证后期的可调节能力，垫片的厚度为5mm。
紧固件要求为高强度内六角螺丝，性能等级为8.8级。
L支座的与BASE板之间的紧固采用M12X25的内六角螺丝；连接板与L支座之间的紧固采用M10X35的内六角螺栓（GB？
）；NC块与压爪和连接板之间的紧固采用M8X40的内六角螺丝。
销钉必须是是新的带有螺纹的孔，以便在需要时取出。
如图2.2-4:
定位销图2.2-4
2.3本章小结
通过对车门焊接夹具的了解,掌握夹具的作用,掌握焊接夹具的特点和要求,确定基本定位方案.
第三章汽车车门的三维夹具设计
本文将阐述利用CATIA三维软件进行装焊夹具的设计
3.1主要结构及零件的设计说明
3.1.1BASE部分
1）BASE板BASE板的形状大致与车门形状相似，BASE板的大小要超过零件大小，这样在工作的时候可以防止车门零件被磕碰。
BASE板采用材质为Q235-A。
BASE板上钻有三个基准孔。
在制造时选用如图示的右下角的基准孔为基准。
用于安装L制作的销孔与基准孔的公差为±0.05，同个L座下的销孔公差为±0.02。
BASE板两个表面的粗糙度为3.2。
BASE板朝上的方向的平面度为BASE板与槽钢支架焊接成型。
如图:
3.1
2）槽钢支架槽钢选用热轧普通槽钢，代号为GB/T70714b。
槽钢在两个垂直方向呈网状搭接，槽钢与BASE板通过焊接连接，焊后经过退火处理以消除焊接应力。
3）支撑支撑底座焊接在槽钢支架上。
下方的支撑有不同直径的圆钢和螺母焊接而成。
BASE板图3.1
3.1.2POST部分
POST1上只设有两个定位销，定位销固定在销座上，固定方式为挡销限位。
销座通过螺栓和垫片与适配块连接。
适配块通过螺栓和垫片与连接板连接。
由于连个垫片垂直，所以定位销具有双向调节的能力。
（1）定位销A
一般的，定位销定位处的直径D=孔的最大实体尺寸-0.2mm，定位销的公差为0/-0.10。
定位销采用的材料为20Cr，要求渗碳处理，渗碳深度为0.8~1.2mm；淬火处理至HRC58~62，销子的锐边需倒钝，定位销做表面氧化处理。
定位销A作为皮带内侧加强件的主定位销和窗框加强件的副定位销。
由于窗框加强件副定位孔的直径为8.1mm，皮带内侧加强件主定位孔的半径为10.1mm，最底层的车门内板上的孔为一过孔直径为12mm，三个孔的中心在同一直线上，该直线与y轴平行。
由下至上，三层板的厚度分别为0.7mm，1.2mm，1mm，且该处窗框加强件与皮带内侧加强版之间的距离为0.78mm。
故定位销A可设计为台阶销，台阶的下级作为皮带内侧加强件的主定位销，台阶的上级作为窗框加强件的副定位销。
其定位方式如图xx所示。
（2）定位销B，定位销B作为作为车门内板的主定位销。
其直径为孔直径最大实体尺寸-0.2mm，公差为0/-0.1mm。
。
（3）销座销座用于固定定位销，由于定位销下部有一锥度，当一个销钉卡住定位销的锥面时，将定位销限位。
销座上有销钉孔和螺纹孔，可以固定在适配块上。
（4）垫片垫片为本夹具的通用规格。
垫片起调节作用，其基本形式为3个相同大小的孔，孔的直径为9.5mm，比螺纹孔和销钉孔直径大。
垫片厚度为5mm。
垫片材料为Q235-A，表面磨光氧化处理。
（5）适配块适配块用于固定销座。
并且在两个方向上设有销钉孔和螺纹孔，这样可以在两个方向烧伤安装垫片，以实现单独的双向调节能力。
适配块的材料为Q235-A
（6）连接板连接板用于固定适配块。
连接板固定在L支座上。
连接板上设有一组用于与L支座装配的螺纹孔与销钉孔，其基本形式为两个销钉孔用于定位，四个螺纹孔用于紧固。
两个销钉孔之间的公差为±0.02。
连接板采用的材料为Q235-A，表面磨光氧化处理。
（7）L支座L支座铸造而成，其材料为ZG20-35。
铸造制作要承受较大的力，所以采用加强肋的形式。
铸造后需机加，用于连接的表面粗糙度为1.6。
相对表面的垂直度要求为0.03。
其总高度有425、405mm、330、300mm、250mm、205mm六种规格，不同规格的L支座仅有数值方向上的高度尺寸及加强筋的高度尺寸不同，其余均为相同尺寸。
高度为330mm的L支座的外形尺寸及技术要求见附图xx。
POST2POST2拥有一对支撑压紧。
POST2的垫片采用同POST1的标准规格。
L支座基本形式与POST1中的L支座一样，其总体高度为250mm。
NC块1。
NC块基本形状为L型，NC块应尽量避免异形。
NC块的材料为Q235-A。
NC块1的作用是夹紧片件，故要求夹紧面的形状精度较高，夹紧面与NC块的主体面存在一定角度。
具体的外形尺寸及技术要求见附图xx。
NC块2NC块2作为起支撑作用，故其支撑面的形状精度也较高，支撑面与NC块的主体面存在一定角度。
具体的外形尺寸及技术要求见附图xx。
限位块公，限位块母限位块起限位作用，限位块公用螺栓紧固在压爪上，限位块母用螺栓紧固在连接板上。
当压爪向下压时，限位块公作用在限位块母上，从而防止气缸行程过大而压坏零件。
限位块的外形尺寸及技术要求见附图xx。
压爪臂。
压爪臂由一个臂块和侧边两个小件组成。
臂块末端用于连接气缸末端的耳环，组成铰链。
侧边两小件与连接块连接组成另外一个铰链。
侧边见与臂块采用焊接的方式连接在一起。
焊缝高度为5，焊后应打磨使焊缝光滑，焊后需失效消除应力。
连接板的外形尺寸及技术要求。
连接板连接板的外形尺寸及技术要求见附图xx。
POST3POST3设有一对支撑压紧机构。
其L支座选用205mm的规格。
连接板的外形尺寸及技术要求见附图xx。
POST4考虑到两个S面较近，在POST4上布置两对支撑压紧，NC块为异形，压爪臂为异形。
POST4上有两个定位销，连接板为异形。
垫片、适配块与之前所用的型号一致。
定位销定位销C同定位销A一样，由于该销所处的环境与定位销A完全一样的，设计为台阶销形式，其零件图见定位销A的零件图。
定位销
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