水箱上橫梁焊裝夾具設(shè)計研究

摘 要：本課題對焊裝夾具的可重構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了初步分析，分析了可重構(gòu)制造系統(tǒng)的特點，把可重構(gòu)思想引入到夾具設(shè)計系統(tǒng)中。然后基于UG軟件，設(shè)計水箱上橫梁總成焊裝夾具，在設(shè)計過程中滲透了可重構(gòu)設(shè)計思想。

關(guān)鍵詞：水箱上橫梁；夾具；UG；可重構(gòu)；

中圖分類號：：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

目前國內(nèi)汽車制造業(yè)所用的夾具普遍都采用一個焊接工位設(shè)計一套夾具， 當(dāng)工件發(fā)生較大變化時就重新設(shè)計制造一套新的夾具， 這就導(dǎo)致了車身制造成本的上升和效率的下降。汽車小批量生產(chǎn)、個性化設(shè)計的發(fā)展趨勢使這類工裝的應(yīng)用越來越受到限制， 其設(shè)計生產(chǎn)的周期較長， 重復(fù)使用率較低的缺點充分的暴露出來， 這種現(xiàn)狀很大程度地制約了我國汽車制造業(yè)焊接工藝水平的提高， 延長了新車型研發(fā)的周期。為了改變這種現(xiàn)狀， 滿足市場提出的產(chǎn)品多樣性， 以及保證產(chǎn)品質(zhì)量及交付時間上的要求， 必須從提高制造裝備的柔性上對車身制造系統(tǒng)進(jìn)行研究分析， 尋找有效的解決方法。

UG軟件是一套集CAD、CAM、CAE于一身的大型軟件，它改變了設(shè)計工作的傳統(tǒng)模式，使用該軟件進(jìn)行設(shè)計，能直觀、準(zhǔn)確地反映零、組件的形狀、裝配關(guān)系，其強大的功能可以使產(chǎn)品開發(fā)完全實現(xiàn)設(shè)計、工藝、制造的無紙化生產(chǎn)，并可使產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計、工裝制造等工作并行開展，大大縮短了生產(chǎn)周期，非常有利于新品試制及多品種產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、制造。通過其強大的功能來提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品裝配有著非常好的指導(dǎo)性[1]。

1 焊裝夾具

把車身沖壓件在一定工藝裝備中定形、定位并夾緊，組合成車身組件、合件、分總成及總成，同時利用焊接的方法使其形成整體的過程稱為裝焊過程[2]。焊裝過程中所使用的夾具稱為焊裝夾具，一般而言，用于沖壓件焊接生產(chǎn)的夾具設(shè)計要求如下：（1） 保證工件良好的定位精度； （2） 結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠；（3） 便于施焊和操作；（4） 縮短制造周期；（5） 調(diào)整方便。

2 可重構(gòu)焊裝夾具

2.1 可重構(gòu)焊裝夾具的概念與特點

可重構(gòu)汽車焊裝夾具是指按系統(tǒng)規(guī)劃的要求，以重排、重復(fù)利用、革新組元或子系統(tǒng)的方式，快速調(diào)整夾具功能的一類新型可變夾具。它是基于現(xiàn)有的或可獲得的焊接夾具和其它組元的、可動態(tài)組態(tài)的夾具。

可重構(gòu)夾具與常規(guī)的組合夾具、柔性夾具等相比，至少應(yīng)具有以下特點：（1）可重構(gòu)性好。可重構(gòu)夾具具有豐富的含有標(biāo)準(zhǔn)接口的元件或單元，能根據(jù)不同類型產(chǎn)品或零件重新構(gòu)成新的裝夾系統(tǒng)，它們的可重構(gòu)程度和范圍大大超過了一般的組合夾具。（2）可擴充性好。可重構(gòu)夾具系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計思想，可根據(jù)生產(chǎn)需要迅速擴充夾具結(jié)構(gòu)和功能，提供開放式的接口，用戶可方便快捷地擴充、更新和修改夾具元件或單元。（3）開放性好。汽車焊裝主要是電阻焊和CO2保護(hù)焊，此外還有氣焊和手工電弧焊，可重構(gòu)夾具能適應(yīng)不同的焊接設(shè)備。（4）適應(yīng)性強，可適用于較大范圍內(nèi)的車型或零部件。（5）響應(yīng)新車型和重構(gòu)的速度很快，啟動時間非常短，費用低，效率高。

2.2 焊裝夾具可重構(gòu)的實現(xiàn)

焊裝夾具結(jié)構(gòu)可重構(gòu)化設(shè)計的關(guān)鍵是對焊裝夾具零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，以及采用可調(diào)式結(jié)構(gòu)設(shè)計。焊裝夾具的重構(gòu)大部分工作是將標(biāo)準(zhǔn)化件重新組合的過程，也就是將焊接夾具中普遍具有不同功能的元件，如定位塊支架、壓緊塊支架、導(dǎo)向座、工作臺、工作臺支架等抽出來，預(yù)先設(shè)計成通用的標(biāo)準(zhǔn)化系列元部件，在重構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計者根據(jù)需要調(diào)用這些元部件任意組合構(gòu)成一套夾具。

汽車車身焊裝夾具設(shè)計屬于專用夾具設(shè)計的范疇，盡管各類車身焊接夾具的結(jié)構(gòu)形式、復(fù)雜程度和零件數(shù)量不同，但按功能來分，車身焊接夾具通常由工作零件、夾緊器、固定零件、輔助零件組成。

3水箱上橫梁總成焊裝夾具設(shè)計

3.1方案設(shè)計與分析

以某型汽車水箱上橫梁總成（ERS21）焊裝夾具為例，其采用普通滾輪底座，點焊焊點16個，單車型夾具，手動焊接（PSW），手動夾緊，上件數(shù)量5件，生產(chǎn)綱領(lǐng)10萬/年（2班、300天），生產(chǎn)節(jié)拍288秒，設(shè)備開動率90%。

水箱上橫梁總成夾具在設(shè)計前首先要分析數(shù)模。水箱上橫梁總成由水箱上橫梁組件1，冷凝器上支架組件2和3，格柵安裝支架組件4和5組成。圖1

分析設(shè)計任務(wù)書，進(jìn)行焊裝夾具的初步設(shè)計，確定各部件的定位方式，底座（即BASE）的位置及高度，操作高度等。對水箱上橫梁總成而言，水箱上橫梁組件，其要求12個夾緊定位點，兩個銷孔定位，兩個均為Φ9mm圓孔。冷凝器上支架組件，格柵安裝支架組件，其要求采用 U型卡槽限位，同時進(jìn)行Z方向定位和銷孔定位。

分析完部件工藝卡后，選擇一個可行的底座（即BASE）放置平面。操作高度設(shè)定為800mm，BASE高度為370mm。確定5個部件的上件順序。由于本工位只有5個部件需要焊接，點焊焊點16個，因此，可初步確定此工位循環(huán)工時不會超過288s的生產(chǎn)節(jié)拍。

這樣，一個初步的夾具設(shè)計工藝方案就設(shè)計完成。采用上述方案，所有工位的定位銷都設(shè)計成固定銷，結(jié)構(gòu)簡單。如果采用不同的放置平面，部件的上件順序，具體方案斷面圖等都將發(fā)生變化。理論上說，包圍部件的6面體的6個面都可以考慮作為放置平面。

3.2水箱上橫梁總成夾具設(shè)計

當(dāng)方案完成后，根據(jù)工件的尺寸形狀確定焊鉗的數(shù)量、型式（X型、C型）、喉深、開檔、行程、焊鉗的吊掛形式（U型、360°旋轉(zhuǎn)等）。初步選定焊鉗后，在數(shù)模（Panel）中插入焊鉗模型，當(dāng)現(xiàn)行的焊鉗文件庫中沒有合適的焊鉗時，可對現(xiàn)有的較合適的焊鉗進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模⒔o出修改后的焊鉗二維圖。插入焊鉗后按照方案中要求對各單元（Unit）進(jìn)行設(shè)計。為實現(xiàn)設(shè)計方案就要進(jìn)行技術(shù)設(shè)計，其中包括主要零部件設(shè)計、各機構(gòu)運動干涉檢查等。本例為手動夾緊機構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)件，無需自行設(shè)計。

3.3夾具裝配及干涉檢查

在焊裝夾具設(shè)計中，自制件、外購件、標(biāo)準(zhǔn)件、國標(biāo)件等是按照一定的裝配關(guān)系裝配成一個整體，通常采用銷軸來保證連接的精度。為了檢查各單元之間能否順利打開，上下工件是否有足夠的空間（一般夾具處于打開狀態(tài)時和工件之間的距離不小于20mm），運動過程中各組件、工位間是否存在干涉，焊鉗能否順利進(jìn)行焊接，這些都需要進(jìn)行夾具干涉檢查。

1）UG裝配的位置約束

在裝配中，兩個組件之間的位置關(guān)系分為約束和非約束。配對組件就是將兩個組件之間的位置關(guān)系進(jìn)行約束，使組件根據(jù)需要合理地裝配。進(jìn)行約束關(guān)系后的組件之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)一個組件移動時，有約束關(guān)系的所有組件隨之移動，組件之間始終保持相對位置，而且約束的尺寸值還可以靈活修改，真正實現(xiàn)裝配級的參數(shù)化[3]。UG軟件提供了配對、對齊、角度、平行、垂直、中心、距離、相切等定位方式實現(xiàn)了模型的虛擬裝配。

在進(jìn)行運動干涉檢查時，利用“更改約束”的功能，使手動夾緊器的組件轉(zhuǎn)動某一角度，模擬夾緊器打開過程中的任意位置點。由于裝配好的組件之間存在裝配關(guān)系，手動夾緊器組件的運動會帶動整個一套夾具的運動，從而可以模擬整個機構(gòu)的運動過程。由于各Unit夾具在較小的空間內(nèi)密集分布時，容易造成各Unit之間干涉，在打開時相鄰Unit不能同時打開而存在干涉，焊鉗沒有足夠的空間進(jìn)行焊接等，為避免干涉，有效的進(jìn)行焊接，設(shè)計過程中需要反復(fù)進(jìn)行干涉檢查，當(dāng)出現(xiàn)干涉時，需要修改組件結(jié)構(gòu)直至能順利進(jìn)行焊接為止。

全套水箱上橫梁總成焊裝夾具如下圖所示（圖8，圖9。插入焊槍，再次進(jìn)行干涉檢驗，確保工件、焊槍和夾具之間不存在運動干涉（圖10）

結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了利用UG NX4.0進(jìn)行水箱上橫梁總成夾具虛擬設(shè)計的過程。首先詳細(xì)論述了其方案設(shè)計的過程，包括各工件的定位點的選取、上件的順序、BASE面的優(yōu)化選擇等。初步方案完成后，以冷凝器上支架組件夾具為例，介紹了夾具設(shè)計的具體過程。然后進(jìn)行了夾具裝配及干涉檢查。

參考文獻(xiàn)

[1] 周秦源，劉讓賢，王雪紅. UG軟件在繪制航空產(chǎn)品圖解圖中的應(yīng)用[J].廣西輕工業(yè)，2008（4）：65-66

[2] 李文忠， 李津. 淺析汽車混流柔性焊接生產(chǎn)線制造技術(shù)[J]. 汽車工藝與材料， 2006（8）： 20-31

[3] 何華妹， 杜致敏， 杜志倫. UG NX4產(chǎn)品模具設(shè)計入門一點通[M]. 第1版.北京：清華大學(xué)出版社， 2006