汽车焊接.docx

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汽车焊接

摘要

汽车焊装生产线及焊装夹具是汽车车身生产的关键设备，它对汽车生产制造水平起着至关重要的作用，直接影响汽车生产规模、生产效率和生产质量。

随着我国汽车工业的迅速发展，激烈的市场竞争使汽车产品的更新换代越来越快，汽车车身设计越来越个性化，对汽车焊装线的需求量巨大，必须自行设计适合我国国情的汽车焊装线，努力提高设计和制造能力。

本文设计了焊装夹具部件，对夹具运动机构模型简化，以前围总成工位为重点，对焊装夹具的方案设计进行了探讨和优化设计。

关键词：

汽车；前围前横梁；夹具；catia三维设计

Abstract

Asthekeyequipmentfortheproductionofautomobilebodywork,theautomobileassembly-weldinglineandweldingjigareimportantfortheautomobileproductionlevel,anddirectlyaffectstheproductionpattern,productionefficiencyandproductionquality.Accompanyingtherapiddevelopmentofournationsautomobileindustry,thecompetitionofautomobilemarketbecomesdrastic,itmakestheupdatingspeedofautomobileproductmoreandmorequickly,andthedesignofautomobilebodyworkmoreindividuality,theneedingofautomobileassembly-weldinglinesbecomemoreandmorelarge.Theautomobileassembly-weldinglineswhichfitthesituationofourcountrymustbeindigenous,andthedesignandmanufactureabilitiesmustbeimproved.Inthispaper,themodelofmovementmachineofjigispredigested,theprocessdesignandoptimizationdesignbyanexampleofthefrontwallisprobedinto.

Keywords:

Automobile;Frontwallbeforethebeam;Jig;CATIAThree-dimensionaldesign

第一章绪论

汽车车身制造是汽车制造业中的一项系统工程，随着我国汽车制造业的飞速发展，对汽车焊装线的需求量巨大，对其质量上的要求也日益提高。

汽车车身是经过冲压、焊接、涂装、总装这四个主要工艺过程生产出来的，焊装作为汽车生产的四大工艺之一，其技术、设备、生产布局、自动化水平、柔性化水平等对整个汽车生产的作用至关重要。

本文基于CATIA软件，进行Q001车前围前横梁二序焊装夹具设计。

1.1课题的来源及意义

汽车工业是我国国民经济支柱产业之一，在国民经济发展中有特殊地位和作用，汽车工业能极大地带动和促进其它工业和产业的发展，并且成为显示一个国家工业发达水平的重要标志。

随着汽车市场竞争的日益加剧，加快了汽车产品的更新换代步伐，汽车新产品的开发和制造周期越来越短。

2006年，国内汽车厂家共推出117款轿车、SUV和MPV新车型。

增加新车型冲压模具和焊接工装夹具虽必不可少，但汽车换型最主要的是改造焊接生产线。

在汽车制造业中，汽车焊装夹具在汽车焊装线投入中占有相当大的比例，焊装夹具的设计制造直接影响汽车的生产规模、效率和生产质量。

车身焊装是车身制造的重要组成部分，它是将已经冲压成形的车身零件在夹具上定位夹紧后，通过点焊、凸焊、CO2保护焊、钎焊以及粘接工艺（主要是电阻点焊）装配成为白车身的过程。

目前，国内的焊接装备生产厂家综合技术实力不足，不具备设计制造高水平的成套焊装线的能力，面对汽车行业的日益激烈的竞争又不允许国内的汽车生产厂家用国产的装备进行试验，只好成套引进，使得国内接装备生产厂家近年来与国外水平的差距越来越大。

国内汽车焊接生产水平与国外逐渐接近，而国内焊接装备制造水平与国外差距却逐渐加大，提高我国焊装线及焊装夹具自主设计和制造水平迫在眉睫。

1.2焊装夹具国内外研究概况

中国的汽车制造业已有50年的历史，只是在近几年中才得到了飞速的发展。

相比之下，我国汽车制造业的工艺水平，特别是焊接工装夹具水平，显得越来越不适应这种快速发展速度的要求。

这种现象的存在，原因在于在我国机械加工行业的传统习惯中，焊接制造工艺的地位不高。

在中国众多的汽车制造生产厂家中，焊接工装夹具通常采用的是专用工装夹具，它是针对一道或几道特定的焊接工艺而配备的。

随着目前汽车生产小批量、个性化的发展趋势，这类工装的使用就越来越受到限制，其设计生产的周期较长，场地占用较大，重复使用率较低的缺点充分的暴露出来。

这种现状很大程度制约了我国汽车制造业焊接工艺水平的提高，延长了新车型研发的周期。

在世界先进国家的汽车制造业，对广泛使用的焊接工装夹具已经标准化、系列化，设计时进行合理选用即可[1]。

在国内对焊接夹具的系统研究不够重视，汽车焊接夹具的开发设计更是一个薄弱环节。

在我国现有的所有引进车型中,焊接夹具几乎无一例外全部依赖进口。

焊接夹具开发的滞后状态严重制约了我国汽车工业的进一步发展。

这与国外的技术封锁有关但更主要的是我们重引进轻研究开发重眼前利益,轻长远打算。

我国不少科研部门和制造单位从事了这项有益的作,如机械工业部第四设计研究院、沈阳牡机制造公司、成都飞机制造公司和一汽、东风等国内著名汽车大集团都是其中的佼佼者。

由于国产焊装起点都不高,批量不大,与西方汽车大国相比水平还有待在实践中进一步提高。

在世界先进发达国家，焊接工艺及柔性焊接生产线备受关注，特别是柔性焊装生产线适应不同产量、不同生产率、不同自动化程度、不同工厂环境的特点，柔性生产系统是车身焊装线的主流发展趋势。

而且在工业发达国家和汽车大国,焊装的研制开已形成一个相对独立的新兴工业部门焊装的开发与设计已形成子标准化、系列化、通用化人们能够紧随汽车车身车型更新换代的步伐,及时地为新产品提供相应的焊接生产线为汽车厂家早上批量占领市场提供了坚实的技术装备保证,争得了宝贵时间。

应该看到汽车焊接夹具是一项利润丰厚的智力型产品,占一个车身车型开发费用的1/6左右。

按目前国际上一个轿车车身正常开发费用5000-8000万美元计算,焊接夹具至少占800万美元以上。

它真正的材料费用是很低的，大部分是在设计制作费用上。

1.3夹具设计的基本理论及方法

经过多年的发展,在汽车焊装夹具的分析和设计方面已经形成了较为系统的夹具设计的基本理论。

如N-2-1定位原理，形闭合和力闭合，螺旋理论等。

N-2-1定位原理车用焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴,其中包括定位元件,夹紧元件,连接元件,骨架及紧固元件等基本组成部分,设计中最重要的部分是定位元件的设计,往常设计时大多采用六点定位,即“3-2-1”定位原理。

对于车身零件,定位夹具除了具备限制零件刚体运动的基本功能外,还必须能够限制过多的工件变形。

如果还是用普通的六点定位的话,工件将因为没有进行可靠的定位而发生定位不准的问题。

要对薄板柔性件进行可靠定位,必须有更为有效的夹具设计理论来支持。

“N-2-1”定位原理是一种新的定位原理,该定位原理与广泛应用于刚性件的“3-2-1”定位原理相比更适用于薄板件的定位。

我们可以根据“N-2-1”定位原理,提出夹具优化设计算法,即利用有限元分析和非线性规划方法去找到最优的“N”定位点,以使得薄板件的总体变形最小。

“N-2-1”定位原理认为[2]:

（1）第一基准面上所需的定位点数为N（N≥3）

对绝大部分薄板件加工过程,其最主要的尺寸问题是薄板件法向方向上的变形,甚至其自重所引起的变形就不容忽视。

有关分析表明,对一块长宽各400mm,厚1mm的薄板,用“3-2-1”原理定位,在其自重作用下就可能产生1~3mm的平均变形。

因此,对于薄板件而言,最合理的夹具系统是要求其第一基准面上存在多于三个定位点去限制这一方向上的零件变形。

（2）第二、第三基准面所需的定位点为二个和一个

在第二、第三基准面上分别需要二个和一个定位点去限制薄板件的刚体运动。

二个和一个定位点是完全足够的,因为实际加工所产生的力通常不会作用在这两个基准面上,以避免弯曲和翘曲。

更进一步的分析表明,第二基准面上的两个定位点应布置在薄板件较长的边上。

这是因为当两个定位点间距尽可能大时,零件将更稳定,同时还可以更好的弥补零件表面或定位元件的安装误差。

（3）禁止在正反两侧同时设置定位点

必须强调禁止在工件正反两侧同时设置定位点,因为甚至极小的几何缺陷都可能导致薄板件相对巨大的挠度和潜在的不稳定或翘曲。

1.4汽车焊装夹具发展趋势

目前，中国汽车有市场两个特点：

一是有很高的增长率，二是市场竞争非常激烈。

汽车市场的竞争点越来越集中在产品的更新换代上，面对如此快速的产品更新，汽车行业过去采用那种大批量单车型专机生产模式已不太适应当前发展的要求。

因此多品种的柔性化生产也越来越多地应用在汽车生产中，概括起来，目前汽车焊装夹具的发展显现以下两方面的特点[3]：

（1）车身焊接夹具设计的智能化趋势

车身焊接夹具的设计受车身零件结构形状、焊接工艺、焊接方法、焊接设备等多种因素的影响和制约，设计周期长，设计工作量大，设计过程复杂，在一定程度上制约了汽车柔性化的发展方向。

随着AI技术和CAD技术的飞速发展，探索其结构的特点和规律，建立一个具有零部件库、实例知识库、领域知识库和推理规则的智能化系统，对于提高设计效率，缩短新车型的开发周期具有较大的实用价值。

（2）自动化、柔性化程度普遍提高趋势

汽车制造的个性化、批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使汽车焊装生产线的自动化、柔性化程度日益提高。

由于焊接机器人可以提高焊装生产的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高生产效率，保证焊接质量，是实现了车身装焊的柔性化、自动化生产方式的有效手段，这样焊接机器人在汽车焊接生产中获得了大量应用。

随着机器人自动化成套焊装系统的广泛应用，我国汽车焊装生产线的自动化、柔性化程度将显著提高。

1.5本文主要工作

本文以长安Q001车前围横梁总成焊装夹具的设计为基础，对焊装夹具运动机构进行分析，并对前围2序分总成工位夹具方案设计过程进行了探讨和优化设计，对焊点的分布与数量进行分析随后在夹具实际设计过程中进行了验证和应用。

装配焊接是车身制造中的重要环节之一，它直接影响车身质量、生产率和经济性，提高装配精度和焊接质量是车身制造的核心工作。

焊装夹具就是为了保证车身的装配精度、提高生产率

设计要求应尽可能详细、明确、合理且具有一定先进性。

主要有10个方面的内容。

1.5.1功能性的要求

保证二序夹具能够焊接一序没有焊接的焊点，同时保证员工操作方便，焊钳要焊接点的地方不与夹具的如何地方干涉。

1.5.2适应性的要求

保证焊接工艺能顺利进行，夹具结构应开敞，工人操作方便，焊接设备容易接近工作位置，必要时可在夹具上切去影响开敞性的部分，以改善夹具的开敞性。

1.5.3可靠性的要求

可靠性要求是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。

二序夹具可完成预定的工作，应用在焊装生产线上，因此要求夹具必须工作可靠。

设计时要进行可靠性分析:

1>对于冲压零件装焊后应具有互换性的车身合件及总成，应使用车身的各配合部位，特别是孔洞的形状尺寸符合技术要求。

2>能快准确地进行装配定位、夹紧，被焊部位要便于操作，松开夹紧机构后，焊件能从夹具上方便地卸下，且安全可靠。

3在设计夹具时，要注意夹具上的某些零部件出现导电，绝缘等问题，提高车身的装焊质量。

4由于车身结构复杂，因此，对所设计的定位件、夹紧件等要充分考虑其加工工艺性及零部件的通用化和标准化，便于更换易损件和恢复原设计精度。

5车身总成的装焊夹具比较复杂笨重，在制造使用中常需调整样架来进行调整校正。

4寿命的要求：

是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。

因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损件的寿命应尽量设计成倍数关系。

5效率的要求：

年生产纲领决定了夹具的设计节拍，工位的生产节拍由夹具动作时间、装配时间、焊接时间、搬运时间等组成。

Q001焊装线：

生产纲领：

1万台/年

工作制度：

单班制，全年工作262天，每班工作时间8.5小时。

生产节拍：

T＝12分/台

（T=262天*1班*8.5小时*60分/10000辆*0.9=12min）

生产节拍：

T=夹具动作时间+工作时间（装配时间+焊接时间+搬运时间）

由上述时间我们不难看出生产纲领决定了生产节拍，而夹具的自动化水平将很大程度上影响到生产纲领。

因此，我们在对夹具设计时，必须考虑生产纲领来设计夹具，保证能够在生产节拍内完成该夹具上所有作业内容。

6经济的要求：

尽量低的制造成本，为此所设计的夹具结构应尽量简单，制造和维修应容易，应尽量采用标准化夹具元件，对易损件便于更换。

尽量少用可拆卸的活动夹具元件。

提高产品设计制造经济性的主要措施：

1）采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。

2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。

这是设计中要重点考虑的，因此要对标准件、通用零件、部件、通用的设计规范有所了解。

作为初设计者，要学习、参考已有的成功的设计，还要学习查阅机械设计手册。

3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。

4）合理地组织设计和制造过程。

5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。

重设计计算，轻结构设计，特别是结构的工艺性设计，这是初学者最易忽略的问题，所以，在设计中要特别注意。

7.提高使用的经济性的主要措施：

1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率。

工业机械手下是提高效率的措施之一。

2）降低能源消耗，是提高经济性的主要措施。

要合理配置动力系统，选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期达到降低能源消耗的目的。

3）选择适当的防护及润滑措施，减少机械摩擦，减少磨损，以延长机器的使用寿命。

4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象，减少消耗，保护环境。

7人-机工程学的要求：

人-机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。

8安全保护的要求

1）夹具设备的布局要合理，应便于操作人员装卸工件、加工观察和清除杂物；同时也应便于维修人员的检查和维修；

2）夹具设备的零、部件的强度、刚度应符合安全要求，安装应牢固，不得经常发生故障；

3）夹具设备根据有关安全要求，必须装设合理、可靠、不影响操作的安全装置；

4）夹具设备的电气装置必须符合电气安全的要求。

第二章焊接工艺分析在夹具设计中影响

2.1焊装夹具的基本概念

把车身冲压件在一定工艺装备中定形、定位并夹紧，组合成车身组件、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。

焊装过程中所使用的夹具称为焊装夹具（图2-1）。

图2-1某工位焊装夹具

2.2.1焊装夹具的基本作用

1．提高了产品装配精度，优化产品质量

采用焊装夹具可以精确地对零件进行定位并牢固的夹紧，保证装配件的相对位置，减少了由于人工划线的误差带来的定位不精确。

同时焊装夹具在焊接过程中使零件的变形受到一定的限制，可以大大减少焊接变形，使焊后零件的结构尺寸容易达到图纸要求。

2．缩短焊装时间，能够批量生产，减少加工费，降低产品成本。

采用了焊装夹具，零件由定位元件定位，不用划线，不用测量就能得到准确的装配位置，加快了装配作业的进程。

另外在焊装夹具上备有扩力机构牢固夹紧，可减轻工人的体力劳动，提高装配效率。

夹具可强行夹固焊件或预先给予反变形，能控制和消除焊接变形，提高焊接质量，减少或取消焊后矫正变形或修补工艺缺陷的工序，使整个产品的生产周期缩短。

虽然制作焊装夹具增加了产品成本，但焊装夹具的使用减少了装配和焊接工时的消耗，提高了产量，易形成大批量生产，从而减少加工费，使产品总成本降低。

3．增加了产品的均匀性，能得到具有互换性的产品

采用焊装夹具后，由于保证了装配精度，控制了焊接变形，使焊接质量稳定，所以可提高焊件的互换性能。

4．减轻了工人劳动强度，使不熟练工人操作也成为可能

如果不使用夹具，在装配定位焊时，要求工人在生产节拍时间内划线来保证装配焊接零件的相互位置是不可能的。

在焊接时，装配钳工要始终扶持住工件，保证其位置在焊接过程中不发生变动，这项工作也非常困难和疲劳。

焊装夹具的使用降低了对工人的技能要求，也减轻了工人的劳动强度

2.2.2对焊装夹具的基本要求

1）上焊装夹具必须保证焊件焊后能获得正确的几何形状和尺寸，尤其是保证孔洞的尺寸和形状。

在装配时，夹具必须使被装配的元件获得正确的位置和可靠的夹紧，并且在焊接时能阻止焊件产生变形。

2）焊装夹具应动作迅速，操作方便。

操作位置要处于工人容易接近、最宜操作的部位。

特别是手动夹具，其操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设在工人最易用力的部位。

当夹具处于夹紧状态时，应能自锁。

3）焊装夹具的设置应便于施工，有足够的装配、焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸。

所有的定位元件和夹紧机构应与焊点保持适当距离，或布置在焊件的下方或侧面。

夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。

4）夹紧可靠，刚性适当。

夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，以及焊件的表面质量。

夹紧力适当，使夹紧后既不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大而产生较大的应力。

5）为了保证使用安全，应设置必要的安全互锁保护装置。

6）焊接夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具体的刚度，对结构的形状精度、尺寸精度影响较大。

7）在同一个夹具上，定位元件和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量只选用一种动力源。

8）焊装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率，尽量使制作时投资少，成本低。

9）尽量选用已通用化、标准化的夹紧机构及标准的零部件来设计制造焊装夹具。

上述这些原则是设计车身焊装夹具时所必须考虑的，但具体到焊装夹具的结构上却是差异甚大，有的焊装夹具只有一个简单的框架，有的则相当复杂。

一般来说，应根据生产批量的大小和产品结构的特点并结合本厂的生产条件（例如车间面积、起重设备、水电气供应情况和技术水平等）来选择焊装夹具的类型，设计夹具。

2.3焊装线发展过程及目前的现状

焊装生产线（productionlineofwelding）,是指必须经过焊接工艺才能完成完整产品的综合生产线，它包括专用焊接设备、辅助工艺设备以及各种传输设备等。

汽车车身焊装生产线的发展过程大体可分为三个阶段：

1.固定式单工位焊装台的小型焊接方式

这种在发达国家50年代以前全靠手工操作组焊车身的方式，在国内的小汽车厂家中应用较多。

它是各工位独立操作，被焊接车身零件主要依靠人工搬运，它的生产能力只能依靠工人操作的熟练程度，对设备自动化程度的要求几乎没有。

由于单靠工人的熟练程度而提高生产能力是有限制的，所以以提高生产能力为目标进行了传送装置及专用焊接设备的开发研究工作。

这样很快满足了提高生产能力的要求。

但这种设备无法满足混流车型的生产。

2.刚性焊接生产阶段

1965年左右开发出利用机械控制系统来满足2—3种车型的生产。

刚性焊接生产线属于传统制造系统，它具有以下特点：

（1）通常把作业划分为较多个简单工序;

（2）按分批投入的方式，顺序完成各简单工序；

（3）完成工序时间很短；

（4）单个工序自动化。

目前这种刚性焊装生产线仍然有一定的应用，但随着先进制造技术的蓬勃发展，这类生产线正在面临着技术改造的艰巨任务，处于被淘汰之中，在轿车生产中所占份额正急剧减少。

处于这个阶段的我国汽车焊装线以一汽大众汽车有限公司捷达轿车车身焊装设备与上海大众汽车公司车身焊装线为代表，前者总成工位及车身主焊线采用焊装自动线，广泛采用各种类型的多点焊机和焊接机器人，工艺先进，自动化程度高；后者由于采用国外先进技术，工艺先进，但自动化程度较前者低，采用悬挂式点焊机等设备，手工焊接仍占较大比例。

3.柔性焊接生产阶段

世界汽车发展的趋势是由大批量生产向多品种小批量生产转化，为了满足汽车消费者广泛而多样化的需求，适应汽车市场的激烈竞争，必须不断缩短车型变换周期、加快车型的更新，使焊装生产线从机械化、自动化向柔性化发展。

由于计算机的飞速发展以及控制领域的技术提高、机器人的发展、工具的柔性化，1975年正式开始了汽车焊装生产线的自动化研究，且研究出为满足消费者多样化需求的柔性生产系统。

柔性焊装生产线的特征是大量使用工业机器人、数控焊钳、可快速更换的工装设备和非同步输送带、可编程控制的自导车，它能方便地适应几个基本车型及若干变型车的同时生产并易于适应以后的改型。

柔性焊装生产线属于柔性制造系统（FMS）,FMS的柔性是指对产品的柔性，即系统为不同的产品和产品变化而进行设置，以达到高的设备利用率，减少制造过程中零件的中间存储，对于顾客需求具有快速相应的能力。

与刚性焊装生产线相比，柔性焊装生产线主要特点为：

（1）把作业仅分为几个工序；

（2）不同批次的不同工序可以重叠投入；

（3）完成工序加工时间快和不变；

（4）全部加工工序自动化；

（5）产品的焊接主要由焊接柔性制造系统完成。

在德国的大众、宝玛格、日本的本田、瑞典的沃尔沃、美国的卡特比勒等公司均大量使用车身柔性焊装生产线。

德国Benz的Sindelfingen工厂布置有三条车身焊接总装线，三条地板总成线及相应的中地板、前后地板线等，共有焊接机器人1000余台，自动化率为95%，生产约10个车型，二班制时日产1600~1700辆。

在车身制造中，选择哪种型式的车身焊装生产线和需要多少焊装设备，取决于生产批量的大小、车身质量的要求以及工厂的场地和投资情况。

在我国，经过20多年的大力发展，汽车制造业取得了很大的进步，从国外引进了轻型车、面包车、轿车等各种类型的汽车，各主要汽车厂家形成了一定的生产规模，基本上具备了一整套较为完善的生产、管理及技术保证体系。

但车身焊装生产线还是主要依赖从国外全套引进，缺乏自主独立开发能力。

引进的焊装生产线大都是国外80年代的产品，属于刚性焊装生产线，自动化水平不高。

2.4生产纲领对焊装夹具设计的影响

年生产纲领决定了夹具的设计节拍，工位的生产节拍由夹具动作时间、装配时间、焊接时间、搬运时间等组成。

Q001焊装线：

生产纲领：

1万台/年

工作制度：

单班制，全年工作262天，每班工作时间8.5小时。

生产节拍：

T＝12分/台

（T=262天*1班*8.5小时*60分/10000辆*0.9=12min）

生产节拍：

T=夹具动作时间+工作时间（装配时间+焊接时间+搬运时间）由上述时间我们不难看出生产纲领决定了生产节拍，而夹具的自动化水平将很大程度上影响到生产纲领。

因此，我们在对夹具设计时，必须考虑生产纲领来设计夹具，保证能够在生产节拍内完成该夹具上所有作业