夹具设计教材.docx
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夹具设计教材
车体焊装夹具的设计
一.焊装夹具一般知识
焊装夹具与焊接变位机械和焊件输送机械一起统称为焊装设备。
它是将工件迅速准确地定位并固定于所定位置，包括引导焊枪或工件的导向装置在内的用于装配和焊接的工艺装备的总称。
夹具的分类，焊装夹具按用途可分为：
装配夹具、焊接夹具、装配-焊接夹具、检验夹具、其他。
按动力源可分为：
手动、气动、磁力、液压、真空等。
焊装夹具由多个局部组成，一般为基板〔BASE）、定位元件（定位销、定位块〕、夹紧机构〔压块、压杆、气缸〕、连接板支架、辅助元件〔气路系统、标准件、外购件〕。
二.夹具设计准备
在开场进展夹具设计前需要进展工艺分析条件注入，要求我们完成以下几个工作内容:
1、根据数模|、产品图、参考车工艺进展焊接SE分析，编制焊接工艺流程并提出定位孔并编MLP、MCP；
2、根据设计纲领、数模|、产品图、参考车工艺、焊接工艺流程，初步确定夹具数量；
3、根据工艺路线、夹具数量进展工艺平面布置图的设计；
4、初选焊钳图库；
5、工位节拍、平安管理及详细工艺方案；
6、物流要求。
夹具公司根据整车厂提供资料将完成夹具的设计制造，如下列图所示，
其中动作时间的计算参考标准如下：
1、装件时间：
小件2秒，大件5秒；
2、夹紧、松开时间：
每级2秒；
3、夹具举升、旋转时间：
各5秒；
4、滑台平移〔气动〕：
根据平移距离按平均0.1米/秒的速度计算；〔一般行程0.5米〕
5、输送线升降时间：
根据升降高度按平均0.1米/秒的速度计算：
〔一般行程0.5米〕
6、输送线前进、后退时间：
根据升降高度按平均8米/分钟的速度计算；〔一般升降高度4米
焊接时间的参考计算如下：
1、点焊：
3——5秒每点，根据焊接部位、焊钳大小操作方便性确定。
一般中小夹具：
每点4秒，地板大焊钳工位每点5秒，侧围补焊、车身补焊每点3秒。
换枪时间5秒。
以上包括焊枪移动时间。
2、弧焊：
连续焊10毫米/秒
3、凸焊螺母、植钉：
5秒/个
4、涂胶：
连续涂胶20毫米秒，涂胶胶点2秒点。
三.夹具设计原理
1.六点定那么〔限制零件6个自由度〕
2.过定位原那么
车身零件一般为弹性体，刚性差，易变形。
尤其是当零件尺寸较大时，刚性更差，这些零件在其自身重量作用下都难以保证其准确的形状，单纯采用六点定位原那么定位，无法保证其位置和形状，因而需要采用工件外表或型面过定位的方式定位，即在焊点附近均需设置定位面，增加其刚性，但其定位点的数量和位置会影响夹具的功能和焊件的质量。
3.定位基准的选择
定位基准尽量采用产品图纸上已有的孔，或者在设计时已考虑工艺的需要而事先确定的定位孔或定位面。
原那么上优先选择平面，尽量防止选择曲面，降低其制造难度和本钱。
为了保证互换性，要求同一构件的组合件、分总成，直至总成的装配基准一致，并与设计基准重合，而且检具上的基准也应与此一致。
4.其他要求
保证工件的位置精度
保证使用方便和平安
夹具构造应尽量小巧，保证焊接通道
夹具类型与其生产规模相适应并保证高效生产
夹具构造与元件的标准化、模块化并可重复使用以保证低本钱。
四、夹具设计流程
1.建模准备
●资料收集准备
●车身零件的三维数据；焊点分布图；焊枪图；MCP&MCS图；设计基准书；国标件；企标件；外购件；〔所使用绘图软件的文件管理规定〕
●在建模过程中会产生一些新文件：
总装配图〔GA〕；夹具单元图〔UNIT〕；夹具动态模拟图〔MOTION〕；对设计进度跟踪的进度表〔LIST〕
●建模前需要建立合理的设计文件树，这样便于管理上述文件，其中文件夹明、文件名应符合文件管理规定。
使用〔UG〕建模文件树如右图
●
●首先根据车身三维数模截取零件截面，然后将零件截面图读入到夹具设计单元中。
●结合设计基准书、夹具夹持方案、MLP、MCP分析单元数量及分布方向，夹具操作高度、控制方式，各单元定位销的类型、定位面的组成、压紧方式分析确定各单元的构造组成部件，选用标准件、国标件的类型及数量。
●设置软件参数后，进入标准件库，选择适宜的标准件，包括压块、定位块、定位销托、气缸等。
●完成标准件选择后，进入到草图平面，绘制非标件，包括GAUAGE、CLAMP及自制件等。
●改变气缸的尺寸约束，检查夹具的干预情况。
●对所使用的软件进展设置。
●阅读MCP&MCS图，对图中夹具单元进展合理的组合、合并。
●按规定建立总装配图〔GA〕文件，并分别载入文件〔车身数据、焊枪图、焊点图〕，并建立相应的单元文件〔UNIT〕，再在每个单元文件下建立夹具机构。
UGFileTree
CATIAFileTree
2.三维建模过程〔以UG为例〕
截取车身断面线使夹具单元成为工作部件，利用绝对坐标输入三点确定截取断面线的平面，按照MCP——LAYOUT截取断面线，切车体断面时要符合设计基准书规定和UG设计中的图层管理规定
对UG来说这是必须的，但对CATIA来说，因为要先偏置一个平面到A、B面处，相当于作了同样的工作，就不需要再来做这一步。
1.做草图
首先将工作坐标系〔WCS〕移动到断面线附近，以断面为基准建立sketch，并在压杆草图时可用Edit——Transform进展简单的翻开分析，以减轻运动分析时的工作量。
为确定好装配关系，多个零件的草图基准最好是同一个参考基准。
为了方便操作，需要将草图平面原点建立在定位块附近。
而且，草图原点的绝对坐标值必须是整数（否那么以整数参数设计出的零件，导致最后在基板上支座安装孔的绝对坐标是小数，造成装配和检测上的麻烦）。
如果夹具单元是二维的，要保证在参考坐标下是整数。
草图画好后，先加几何约束再加尺寸约束。
在加尺寸约束时，一定要以草图的坐标轴为基准，给草图定位，保证各面相对坐标系为整数。
同时，相对坐标轴标注的线保证为定位板的加工基准或其他特征线。
定位板上气缸安装孔、安装压板的基准孔及其他具有相关尺寸要求的孔或边，需要相对标注，以便修改的方便。
2.做实体
拉伸实体以便得到压块、定位块、连接板和某些非标准支座，同样方式画单
元的多个组件。
动静态检查〔MOTION〕
主要目的：
检查夹具静、动态是否干预；检查压块翻开角度。
一般要求：
压块离车身边缘最近距离在20mm以上。
二维功能用的熟练也可以在草图中进展翻开角度分析。
3.修改草图
对于出现干预的情况或夹具压块翻开角度不够的情况都需要对草图进展修改，必要时更换气缸，重复上面几个步骤，直到满足要求为止。
4.装配标准件
调用标准支架时，根据BASE面高度，确定支架安装高度。
根据支架与定位板的安装面的配合情况，对连接板草图或实体作局部修改。
5.焊枪干预检查
对于所涉及的夹具能不能不阻碍焊枪的进出和焊接过程，需要对焊枪进展干预性检查。
检查就是以焊点为参考对象，载入多把焊枪，旋转焊枪，使它有不同的位姿，看能不能顺利的完成焊接过程。
其中要注意：
不要过多的改变焊枪的姿态，否那么在实际操作中会造成不断的翻枪工作。
这个工作最好在设计中进展，一边设计一边考虑焊枪的位姿，否那么出现干预调整的工作量将会很大。
3.二维制图过程
1.制图的预设置〔Preferences〕
在制图前，一般都需要设置与制图有关的标准和参数，这些参数大局部在制图过程中不需要修改。
下次设计之前根据设计建立一个标准文件〔宏〕一次全部设置完需要的设置〔二次开发〕。
以防止每人都做同样的工作。
2.三维转二维
假设设计模型已建好且在三维接对坐标系中为正视图，那么可直接进入绘图（Drawing）操作环境中。
假设设计好的模型，在绝对坐标系中有一定角度。
那么需做如下处理：
a:
View---Operation----Rotate命令将模型按一定角度旋转为正视图。
b：
View---Operation----Saveas命令将显示为正视图的状态，另存为一个自己设置的视图名字。
3.二维绘图
（1）标准图框的导入。
File----Import----part选用标准图纸，以坐标原点插入即可。
（2）添加视图、正交视图、向视图、局部放大图；
（3）添加剖面图
4.二维尺寸标注
夹具总图上应标注：
夹具轮廓尺寸、操作高度、卡兰线〔应该与汽车坐标线统一〕、坐标基准、坐标基准孔、各部件的安装位置、气缸位置、所有定位尺寸坐标基准孔应相对于坐标线标注。
出图内容包括三向视图及轴测图。
单元中的非标件需要出零件图，并标注公差、外表加工精度等相关技术要求。
一般要求：
加工型面不得超过±0.07mm。
尼龙件外型不得超过±0.5mm。
关系相对较近标注可就近选择标注基准。
销孔公差选择过渡配合H7/j6。
其他标注尺寸参考加工尺寸标准。
零件图标注举例：
装配图标注举例：
五、零件加工流程
福臻公司有3台大型龙门式加工中心，专门进展BASE板的加工，工作面宽约2米，长约10米，其他4个小型加工中心负责夹具单元小件外表加工，包括乙炔切割在内的设备都是采用数控加工。
零件加工以二维图为准，其中标准件多数厂家是配套供货，而自制件仅仅是BASE等的面加工和削、支撑面加工，特殊的如连接板由于形状按需要定，要自己制作，现场采用数控火焰切割机，切割余3mm，切割后加工磨平。
现从加工过程的检验、加工标准、零件材料信息、三坐标检测及常用检测方法这五方面进展阐述：
1、加工验证
1〕图纸验证：
〔1〕检验图纸的各项标注是否一致
〔2〕注意图纸所标明的比例
〔3〕注意图纸是否与电子图一致
〔4〕检查图纸的标注是否与实际应用有误
〔5〕检查图纸与工件是否一致
2〕工装的验证与工件的装卡
〔1〕定期检验工装精度
〔2〕注意对工装进展修整
〔3〕及时更换丧失精度的工装
〔4〕工件装夹时的装夹点要分布均匀
〔5〕工件装夹选择适当位置
〔6〕压紧力要均匀
〔7〕压紧点要放在垫铁与工件的中间
3〕加工前的二次验证
〔1〕工件与编程所用的图纸是否一致
〔2〕工件原点是否与编程一致
〔3〕加工时正面与反面所用的坐标是否一致
〔4〕打孔时所使用的刀具是否是程序所用刀具
4〕加工后的验证
检查完成情况与图纸是否一致，有无遗漏。
2、加工标准
工件名称
工程
公差值〔mm〕
BASE
穿插基准槽垂直度
0.10/1000
平面度
0.02/2000.10/2000
定位孔精度
相邻孔位：
0.03
任意孔位：
0.08
基准边与定位销孔距离精度
±0.03
基面与立面垂直精度
L=100-300±0.05
L=300-500±0.08
L=500-600±0.12
定位销孔与相关基面的距离精度
±0.03
定位销孔的位置精度
±0.05
连接板/CLAMP
定位销孔孔位精度
±0.02
连接板平面度
±0.03
加工完成后倒角、去毛刺、抹油与砸钢号
3、零件材料的选择
名称
规格
材料
热处理
L板
45#
LINK
Q235-A
CATCHER〔支撑座〕
45
HRC40-45
STOPPER
45
HRC40-45
HINGPIN
45
HRC40-45
SHIM〔LOCATE〕
60Si2Mn
SHIM〔L-PLATE〕
Q235-A
GUIDE（导向〕
Q235-A
LOCATEPIN
45
HRC40-45
名称
规格
材料
热处理
LOCATEPIN〔定位小工件，与环形磁铁MGI-RI结合使用〕
20Cr
渗碳〔渗碳深度0.5-0.8〕外表淬火HRC58-60
BASEHANGER
Q235-A
TURNINGDEVICE
45
HRC40-45
TURNINGBLOCK
旋转腔体
HT200
铸件不得有气泡，夹杂等缺陷，外表光整。
需经过时效处理
LIFTERCOVER
Q235-A
HRC40-45
LIFTERJOINT
Q235-A
LIFTERLOCK
Q235-A
LIFTERSHAFT
45
HRC50-55
TEMPLATE
45
调质〔外表发黑处理，成品件型面局部外表高频淬火硬度大于HRC38〕
4、三坐标检测
在夹具完成装配后，都要经过三坐标检测其精度，福臻公司有一台便携式三坐标用来测量夹具装配精度，两台固定式的三坐标用来测量和画线，主要采用CAM2.Measure3.91和MDT两种软件来操作，测量步骤大致如下：
1〕清理夹具台面，将三坐标放在BASE板上，翻开磁铁开关，固定三坐标。
2〕将该设备连接好电源和笔记本电脑
3〕开启CAM软件
4〕开启三坐标，展开三坐标手臂，以激活坐标，开场数据传输。
5〕建立坐标系
a、BASE板上取四个点，CARLINE线的两条基准线上各取两点
b、设置相关参数，使测量坐标与图纸的坐标一致。
c、保存两份坐标系〔SAT文件〕，从MDT中调出数模，然后去掉图纸中不相关的线，同时检查所需检测面是画出，输出为IGES文件，再将该文件调入到保存过的SAT文件中。
d、开场测量，对孔和面一般都取四点，将测量值与理论值比拟，分析偏差是否合格，误差不大时采用垫片调整，合格后保存文件。
5、检测方法
夹具的装配需要用到较多测量工具和测量方法，我们对一些常用的检测方法归类如下：
利用高度尺来检测型面的位置，销距，画线等。
利用验距台来检测销空距离
利用游标卡尺检测板厚，两面间的距离以及深度
利用万能角度尺测量角度及距离
利用角尺来测垂直和定位
利用千分尺来测量直径
利用便携式三坐标检测装配精度
利用固定式三坐标检测、画线
6、夹具单元的加工步骤
工序号
工序名称
设备
1
备制毛坯〔下料〕
数控火焰切割机
2
铣平面
滑枕铣床
3
去毛刺，倒角
铰磨机
4
钻平面孔
经济数控立式钻床
5
倒角〔孔〕
倒角器
6
铣端面
万能升降台铣床
7
去毛刺，倒角
铰磨机
8
钻端面孔，倒角
经济数控立式钻床
9
焊接
电焊机
10
检测
高度尺
11
攻丝
西湖台式钻床
12
油漆〔装配局部完成〕
毛刷
六、气路分析
1、气路图制作过程示意
逻辑分析就是将夹具操作和零件安装等动作先后顺序和相互之间的关系应用气路元件进展表达的过程，实际绘制气路图主要考虑顶升的速度、顶升与全开的关系、前后夹紧顺序等问题。
2、常用气路元件介绍
3、气路实例
七、实用技巧
在上面的三维和二维设计过程中，虽然包括了夹具建模的一般步骤，但任何夹具都是不同的，每新设计一套夹具、单元，都有可能遇到新的问题，所以在夹具设计之后还需要总结经历。
以下是在夹具设计中的一些体会：
配作销与NC〔数控〕销：
加工精度不高或需要针对改变状态了的零件进展现场调节，使用配作销；其他情况一般使用NC销。
定位块和压块使用整体式还是分体式，与两方面的因素有关：
制造方的加工精度、夹具购入方的要求。
如果制造的加工精度低，一般为了装配调节，做成分体式；如果精度高，可以做成整体式，对于宇信来说，一般的小件都给了外协加工，自己加工BASE的数控铣床精度可达2丝，数控线切割得精度可达5丝，可以加工整体式。
但是购置方要求做成分体式时就业会做成分体式。
做成分体式的压块或定位块需要在哪个方向可调那么相应方向上加上至少一组垫片。
一般来说，A、B面都应严格按照车身断面线来确定，但像PNL是个斜面的情况下，而且在压块附近又有密集的焊点，要考虑压块与PNL的角度和焊枪角度与PNL角度不能相差太大，否那么压块与焊枪会产生干预现象。
这时压块在PNL上的投影不一定要与断面线重合，有一定的角度是可以的，以不阻碍焊接为准。
一般情况下，压块做成与X、Y、Z面平行的直上直下式，这样是为了便于加工，但这样压块压紧方向与PNL发现就有一定的角度，这是允许的。
但如果压块附近有焊点时，需要将压块与PNL做成垂直的形式。
在下面几种情况下需要在压杆和连接板上装配限位块：
1〕压块上连接有旋转销的情况；2〕夹具在压块处没有定位块〔支撑块〕的情况；3〕A、B面高差较大，斜度在15度以上的情况；4〕夹具压杆较长、压块较大较沉的情况；5〕定位块是活动的情况。
关于定位销的使用问题，固定式定位销一般情况使用，用得最多。
移动式定位销用在与主定位销成一定角度的情况下，方便卸料。
旋转式定位销用在上、下层零件组焊，而上层零件无法从下方伸出定位销定位时。
固定销需要在哪两个方向可调，需要在相应方向上加上垫片。
移动销伸入定位孔一般5mm。
旋转销一般安装在旋转臂上绕销轴转出，旋转点应选在与销孔的零件断面在同一条直线上，且定位销伸入零件的长度要控制到最小，否那么定位销难以转出销孔。
为了使旋转销准确定位，在旋转臂上应装有嵌入式限位块保证其位置精度。
一般深入定位孔5mm,但如果深入空间缺乏的情况下，可以短一点，但不能小于搭接处的厚度。
三维销在装入单元时一般先将它的中心线在原始文件中过来，再以此中心线为基准对销进展初装配，然后再适宜的位置画出销支架，然后再以销支架为基准进展准确装配。
调节夹具翻开角度，缩短连接板转轴与压杆中心连线在水平方向的尺寸，更换气缸，参加二次翻转机构。
为便于加工，夹具压块做成平直的样式，即使A、B面高差较大的情况下也可以这样，但这时需要以其他的方式来提高位置的准确度：
1〕在压杆上装限位块；2〕降低连接板转轴与压杆中心连现在竖直方向的尺寸。
定位销轴线与PNL法线一般是不会有夹角的，但如果出现了夹角，而且夹角不超过5度的情况下可将之处理为没有夹角的，但此时销伸出长度在3mm左右。
一般来说，在相互垂直的方向都有固定定位销的情况不多见，但在这种情况下，要么将一个方向定位销做成移动销，要么一个方向定位销伸出长度要短一些，但最短不能小于3mm。
在模拟过程中，如果再没有分步翻开的情况下出现的UNIT动态干预，这是不允许的，必须对夹具进展修改；对于有分步翻开的情况那么可以存在动态干预〔不允许出现静态干预〕。
分步翻开较多的一般是侧围上的二次翻转机构，和其他有分步装卸件的工位。
焊装夹具对不同的车型来说，是属于专用设备，必须进展非标设计和制造，但每一个夹具具体构造上都存在着很多共同的特点，据此可以对夹具类型及其构成零件进展分类成组，实现通用化，系列化，标准化。
所以建立一些标准件是很有必要的。
综上，夹具设计是一个很复杂的过程，需要考虑到产品、工艺、加工制造、检测等各个方面，仅仅将眼光盯在使用软件进展三维建模是欠妥的，对整个的设计过程有所了解，知道重点在哪里，要注意些什么事情，这样才能设计出好的夹具。
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