汽车焊装夹具结构设计.docx
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汽车焊装夹具结构设计
汽车焊装夹具参数化设计
在汽车焊接流水线上，真正用于焊接操作的工作量仅占30%～40%，而60%～70%为辅助和装夹工作。
因装夹是在焊接夹具上完成的，所以夹具在整个焊接流程中起着重要作用。
在焊接过程中，合理的夹具结构，有利于合理安排流水线生产，便于平衡工位时间，降低非生产用时。
对具有多种车型的企业，如能科学地考虑共用或混型夹具，还有利于建造混型流水线，提高生产效率。
一、汽车焊接工艺特点
（一）材料与结构
汽车焊接材料主要是低碳钢的冷轧钢板，镀锌钢板，及少量的热轧钢板。
它们可焊性好，适宜大多数的焊接方法，但由于是薄板件，因而刚性差、易变形。
在结构上，焊接散件大多数是具有空间曲面的冲压成形件，形状、结构复杂。
有些型腔很深的冲压件，除存在因刚性差而引起的变形外，还存在回弹变形。
（二）焊接方法
汽车焊接方法主要有CO2气体保护焊和电阻焊。
CO2气体保护焊应用范围较广，且对夹具结构要求不十分严格。
电阻焊对夹具要求严格，尤其是多点焊、反作用焊和机器人点焊。
因汽车焊接以电阻焊为主，所以本文将针对电阻焊夹具的设计进行探讨。
（三）焊接工艺流程
汽车焊接的基本特征就是组件到部件再到总成的一个组合再组和过程。
从组件到车身焊接总成的每一个过程，既相互独立，又承前启后，因此组件的焊接精度决定着部件总成的焊接精度，最后影响和决定着车身焊接总成的焊接精度与质量，这就要求相互关联的组件、部件及车身焊接总成夹具的定位基准应具有统一性和继承性，只有这样才能保证最终产品质量，即使出现质量问题也易于分析原因，便于纠正和控制。
焊接过程以流水线生产为主，所以夹具设计应有利于流水线的布置和设计，同时也考虑给生产管理提供方便。
二、焊接夹具的设计方法与步骤
1、整理资料，将焊点（焊枪的铜帽直径一般为16毫米，个别使用13毫米）按焊接要求贴到数模上。
焊点的位置是力学以及碰撞分析的经验总结，设计时不能随意调整（特殊情况例外）。
图表1焊点直径为16毫米
2、消化仕样，对应支撑定位位置，作出完整的局部带板厚的断面线。
为后续的零件图提供准确的位置尺寸信息。
板厚为数模上法线长度的百分之一，厚度为法线方向。
图表2断面示意图
3、按仕样书选取合适的3D焊钳（小夹具一般不超过2把焊钳，大夹具在满足节拍的情况下，也要控制焊钳的数量），在仕样要求的支撑定位位置的两侧贴上实体焊枪，以便设计构思时提先考虑作业性，避免干涉（结构干涉、作业干涉等）。
图表3X型焊钳
图表4C型焊钳
4、以上工作准备齐备后，按板件的空间状况，选取合适的支撑块（带垫片的标准块）放置在车线位置上。
（这一步是构想结构的开始，不能先把基板确定好，这一点与检具不同）。
一定要把支撑块的基点选在车线上，不然在出零件图时会导致小数，很麻烦。
由于夹具的零件加工不同于检具，小数必须避免。
图表5支撑块类型
根据汽缸打开的角度选取不同行程的汽缸，压紧点的力不能小于30千克力。
50的汽缸打开角度为48度，75的汽缸打开角度为70度，100的汽缸打开角度为87度，125的汽缸打开角度为100度，150的汽缸打开角度为110度。
示意角度如下。
根据夹紧打开的角度适当选取合适的汽缸行程，在受力范围内，将汽缸的旋转点放在车线位置上。
5、基板高低位置的确定。
板件形状决定焊枪的选取。
按操作时最低的焊枪下电极脱离板件时，焊枪下电极臂距离基板的间隙不小于100到150毫米。
基板的上平面取值在车线的100倍的位置。
6、作业高度。
作业高度指人操作比较顺手的位置的车线到地面的距离。
一般要求从该车线到地面的距离为750或800毫米。
三、焊接夹具的组成、结构及要求
汽车焊接夹具通常由夹具地板、定位装置、夹紧机构、测量系统及辅助系统等五大部分组成。
（一）夹具地板
夹具地板是焊接夹具的基础元件，它的精度直接影响定位机构的准确性，因此对工作平面的平面度和表面粗糙度均有严格的要求。
夹具自身测量装置的基准是建立在夹具地板上，因此在设计夹具地板时，应留有足够的位置来设立测量装置的基准槽，以满足实际测量的需要。
另外，在不影响定位定位机构装配和定位槽建立的情况下，应尽可能采用框架结构，这样可以节约材料、减轻夹具自重，这一点对流水线上的随行夹具尤为重要。
（二）定位装置
定位装置中的零部件通常有固定销、插销、档铁、V型块，以及根据焊件实际形状确定的定位块等。
1．因焊接夹具使用频率极高，所以定位元件应具有足够的刚性和硬度，以保证在更换修整期的精度。
2．为便于调整和更换主要定位元件及使夹具具备柔性的混型功能，定位机构应尽可能设计成组合可调式的。
3．标准化设计。
因汽车结构区别较大，尤其是重、中、轻、微型车，所以应根据车型分别指定汽车焊接夹具标准，以适应不同车型的需要。
4．定位元件可选用厚度为16mm、18mm、20mm、三种尺寸的钢板。
另外，定位元件的热处理应在夹具调试合格后进行，但应准确记录更改数据，并相应修整夹具资料，使之符合调试合格状况，为今后制造提供准确资料。
（三）夹紧机构
汽车焊接夹具的夹紧机构以快速夹紧机构和气动夹紧机构为主。
快速夹紧机构具有以下优点：
1．结构简单，动作迅速，从自由状态到夹紧仅需几秒钟，符合大批量生产需要。
2．快速夹紧器根据需要可几个串联或并联在一起使用，达到二次夹紧或多点夹紧的目的。
另外对定位精度较低的焊件能实现夹紧和定位同时进行，消除了专用定位元件。
它还能通过转换其机构组成发挥更多作用，应用范围较广。
3．配以螺纹调节压块，可纠正焊件变形，保证焊点搭边能紧密配合，不产生脱焊、虚焊现象，提高焊接质量。
4．同气缸配套使用，可实现手动、气动混用，保证了流水线正常运行。
（四）辅助机构
辅助机构在焊接过程中发挥着重要作用。
下面介绍三种常用辅助机构。
1.旋转系统
在夹具地板和夹具支撑中布置如图3所示的旋转系统，可使夹具体在平面上做360度旋转（为使转动灵活轻巧还配备有滚动轴承）。
这样的系统可解决或克服焊机少的缺陷，因为当焊机不动，电缆长度有限时，转动夹具可使焊点移动到焊钳的工作区域进行焊接，使焊接工作方便轻松地进行，保证焊接质量。
另外，为保证夹具在装夹、拆卸时能处于稳定工况，还应设计止动装置。
2.翻转机构
设计夹具时，设计成可翻转夹具，使焊件能向两边翻转90度，焊件平面处于竖直位置，这样工人只要将焊枪处于水平位置便可焊接，
大大降低了劳动强度。
在设计翻转夹具时需要设计止动机构，以防止夹具自动回复原位造成事故。
3.反作用焊接机构
在微型车和轿车底版部位的焊接总成中，如图5所示的中间位置焊点，是普通X型焊和C型焊无法焊接的，一般是采用反作用点焊进行焊接。
在使用反作用点焊时，夹具中心需配置有反作用焊臂，反作用焊臂应具有一定的稳定性和刚性，在装夹焊件和取出焊件时，反作用焊臂应能旋转让位。
（五）测量机构
利用夹具本体自身设计测量机构是提高夹具设计和制造精度的重要措施。
在传统的夹具设计中，夹具合格的标准是利用实际冲压件进行装配组合来检验的，但由于冲压件不可能十分准确，部件总成更有累计误差，所以车身焊接总成的精度必然不高，很难达到设计要求。
有不少厂家使用三坐标测量仪进行检验，可它对一些结构复杂的定位元件仍然无法测量。
通过实践证明，利用夹具自身测量机构与三坐标测量仪配合使用，可大大提高焊接夹具的精度。
1.测量机构组成
（1）基准面和基准槽。
测量机构的基准面为夹具地板的工作表面；基准槽是在夹具地板上设计两条相互垂直的十字交叉槽，其结构如图6。
槽子的位置可由实际需要确定。
（2）测量器具。
测量器除常规量具、三坐标测量仪外，还需设计专用量块和方箱
2.实际测量时应注意的问题
（1）定位元件的倒角应在测量、调试合格后进行加工，即保留测量点；
（2）测量器使用要得当，防止人为误差造成的假象。
若能使用三坐标测量仪时，可进行对比检查。
四、焊接夹具的参数化设计
参数化设计最重要的原则是：
先想后做。
这也是与非参设计最
大的区别之处。
非参设计的过程是修修补补的过程，不需要太严谨的
思路，干到哪算哪。
而参数化设计在动手之前要先规划清楚，包括：
参数的设定、草图的设定、建模的过程等，这个思路在设计过程中要
自始至终，设计按着这个思路设计，修改也要按着这个思路修改。
所
以说参数化设计更多的时间是花在“想”的过程，一定要想清楚再动
手。
参数化设计的另外一个重要原则就是：
最少化和基准唯一。
少
是指参数的数量和几何特征要少、关联关系要少，这样才好控制。
基
准唯一是指相关尺寸标注或关联时要直接指向指定的基准，这样可以
有效地降低循环相关的几率。
下面对参数化设计的几个关键点进行一下简单的描述。
1．参数的设定
参数是参数化设计的基础，UG里面参数被称作表达式（Expression）。
在参数定义的界面里，除了可以进行参数的建立、更名、删除等操作之外，还可以定义一些简单的函数关系，包括数学运算、逻辑运算、三角函数等，详细的函数说明可以查阅UG帮助文档。
从参数的性质来说，可以分为两大类，一种是系统自动添加的，
以字母p开头命名，如：
p0、p1等，这些参数是在建模过程中按顺
序自动添加的，可以修改数值进行参数化驱动实体。
另外一种就是设
计者自己定义的，这些自定义参数是设计过程中要重点考虑的，是参
数化设计的核心。
自定义参数从功能上可以分成两大部分，一是主控参数（全局
变量），二是被控参数（局部变量）。
主控参数就是设计过程中比较
重要的参数，如：
模具长度、宽度、闭合高、行程、基准高度等，这
类参数通常是需要直接赋值的。
被控参数就是一些局部参数，或与主
控参数有一定数学关系的参数，可以直接赋值，也可以建立一个公式
与其他参数相关。
参数除了定义的过程十分重要，参数之间的关联定义也十分重
要，定义好了可以实现“牵一发而动全身”，定义不好则会出现循环
关联，把参数化设计变成一种折磨。
参数关联的定义要简单直接，尽
量用直接关联代替间接关联，如：
A为主控参数，B=A+10、C=B+10应
该改成B=A+10、C=A+20，这就是上面提到的基准唯一的应用实例。
这里要注意，一大串复杂公式往往就是失败的开始。
根据最少化的原则，自定义参数的数量要尽量少，这就会产生
一个矛盾，数量少就不太够用，关联公式就会比较复杂，参数太多又
不太好控制，这就要求设计者要考虑周全，在参数数量和关联关系直
接简单之间找到一个平衡点。
2．草图的设计
草图是参数化设计过程中必不可少的一步，是生成和控制实体
的重要方法。
目前我们设计过程中草图的利用率非常低，所以无法实
现参数化设计。
模具设计中最常见的草图就是与拉伸方向垂直的主断面图，但在绘制草图的时候不需要按照机械制图要求画的非常详细，只要把需要的线画出来就行了。
比如用于拉伸加强筋的草图不用画一个矩形，只要划一根直线，然后在拉伸的时候用左右偏置量控制筋的宽度。
并不是每一个特征都需要创建一个草图，通常在X-Y面上创建一个草图就可以了，如果需要也可以在其它坐标面上创建草图，但要注意，草图一定要建立在坐标面上，尽量不要建在实体表面上，每一个断面上建立一个草图就可以了。
在进行拉伸时，用curve选项从草图里选取所需的线条进行拉伸，这样就不会选取整个草图。
建立草图也是一个“先想后做”的过程，首先要根据需要的实体特征画出所需的曲线，然后对这些曲线添加约束。
这其中所画的曲线要尽量少又要够用，添加约束时先添加几何约束（共线、中点等），
后添加尺寸约束。
在添加约束时也要尽量简洁，特别是要注意尽量与
坐标轴、坐标面进行约束，尺寸标注时尽量采用Baseline方式而不要采用Chainline方式。
草图要尽量做到全约束（标注变成绿色），绝对不允许出现过约束（黄色）和冲突约束（紫色）。
参数和草图是密不可分的，也是决定能否实现参数化设计的前
提条件。
3．建模过程
相对于参数和草图来说，建模的过程是相对简单的，但简单不
意味着可以随心所欲的进行操作。
建模的过程中除了要考虑怎样使特
征数量最少化的同时，对那些与工艺曲线、曲面有布尔运算关系的特
征要特别注意。
由于目前工艺、产品更改的频率比较高，所以那些与工艺曲面、
曲线有布尔运算关系的特征往往是非参化的起源，所以在建模的过程
中应该刻意的把这些特征“孤立”起来，不与其它规则形状的实体产
生布尔关系，这样一旦发生更改时可以控制影响范围，只需将局部进
行非参或重新建模。
所以建模的次序需要设计者认真考虑一下，不但要控制特征的数量，还要把与曲面相关的布尔运算尽量放在后面进行。
4．虚拟装配
虚拟装配的过程也比较简单，装配关系相对来说比较清晰也易
于理解，装配模块中的难点在于WAVE功能的使用，也就是我们常说
的抽取。
在参数和草图中建立的是参数之间的相关性，而wave功能可以
在比较复杂、无法用简单参数描述的几何实体之间建立关联。
Wave相关也非常容易出现循环调用的情况，所以建立相关的时候也要遵循简单、直接的原则。
5．修改过程
修改是参数化设计的最后一道难关，往往非参化都是从修改的
时候开始。
在修改的时候，前期建立参数和关联时考虑不周全的地方
就会暴露出来，此时就会出现循环调用和参数无法驱动的情况，面对
频繁出现的报错提示和“不听话”的实体，设计者往往失去耐心，直
接进行非参化处理。
前面一直强调参数的设定要考虑周全，但是绝对的周全是不现
实的，面对无法预测的修改内容，出现前期没有考虑到情况是无法避
免的，这时候需要的是静下心来，仔细考虑如何弥补前期的不足。
这
也是一个“先想后做”的过程，如果拿来就盲目的更改，只会出现错
上加错的情况。
更改的时候另外要特别注意的是要“先治本、后治标”，更改
时除了会发现前期没考虑到的问题之外，往往修改是在设计完成很长
时间以后才发生，设计者往往无法记起当初是如何设定的。
这时候更
要有耐心，一定要找到跟更改内容相关的最原始的参数和关联，把建
模次序搞清楚，这样才能制定出完美的解决方案。
修改是令人反感的事情，但是也是提高参数化使用水平的有效
手段。
在修改的过程中会加深对参数化设计的理解，会提高驾驭参数
的水平，久而久之，甚至会在前期参数设定时就会为可能出现的修改
留下“后门”。
五、发展趋势
1．为提高汽车产量，适应流水线生产，应细化工艺，使用高效率夹具，提高生产效率。
2．为适应系列车型需要，应发展快速可调的混型夹具。
3．提高夹具机具一体化程度，诸如多点焊机，车门包边焊接机等。
4．提高夹具通用化、系列化、标准化水平
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