汽車焊裝夾具設(shè)計的步驟與方法

汪小霞，黃星麗

(安徽江淮股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230001)

0 引言

焊接夾具就是將汽車零件準(zhǔn)確定位并通過夾緊機(jī)構(gòu)可靠夾緊進(jìn)行焊接、保證汽車零件相互位置精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面要求的工藝裝備［1］。焊裝夾具的開發(fā)和設(shè)計是車體開發(fā)的關(guān)鍵，對于保證汽車車身質(zhì)量、縮短研制周期有著非常重要的作用。焊裝夾具設(shè)計是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，需要熟知和考慮的知識點很多，在設(shè)計過程中必須不斷對夾具數(shù)模進(jìn)行評審和修改，才能設(shè)計出合格的焊裝夾具。

1 焊裝夾具設(shè)計的準(zhǔn)備工作

1.1 生產(chǎn)綱領(lǐng)［2］

生產(chǎn)綱領(lǐng)即合格產(chǎn)品的年產(chǎn)量，它決定了焊接夾具的自動化水平及焊接工位的配置，是通過生產(chǎn)節(jié)拍體現(xiàn)的，而生產(chǎn)節(jié)拍由夾具動作時間、裝配時間、焊接時間、搬運時間等組成。所以在焊裝夾具設(shè)計之前，分析生產(chǎn)綱領(lǐng)、計算生產(chǎn)節(jié)拍是必要的準(zhǔn)備工作。

1.2 產(chǎn)品工藝數(shù)模

產(chǎn)品工藝數(shù)模就是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)三維圖，它準(zhǔn)確表達(dá)了產(chǎn)品的各種幾何關(guān)系、裝配關(guān)系、設(shè)計信息。熟悉產(chǎn)品工藝數(shù)模，是設(shè)計焊裝夾具的前提。

1.3 焊接流程樹

焊接工藝流程樹，是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)模和焊點，對工序進(jìn)行拆分，是一種表達(dá)焊接各工位操作內(nèi)容，上件順序、信息及各工位間層級關(guān)系的樹狀圖表。圖1是焊接流程樹的結(jié)構(gòu)，它是焊裝夾具設(shè)計的關(guān)鍵信息。

1.4 MCP指導(dǎo)文件

MCP是Master Control Point的縮寫，是定義夾具定位銷形式、夾緊定位點位置及夾緊方式的規(guī)范文件 (圖2是MCP的模板格式)。它確定了各工位間關(guān)鍵控制位置的一致性，對提高夾具的設(shè)計合理性、縮短夾具調(diào)試周期起到十分關(guān)鍵的作用，在焊裝夾具設(shè)計之前，必須充分掌握MCP的內(nèi)容，指導(dǎo)夾具的具體設(shè)計。

2 焊裝夾具設(shè)計的過程工作

2.1 焊裝夾具設(shè)計原則

夾具方案設(shè)計分為4個階段:定位方案設(shè)計、夾緊方案設(shè)計、輔助元件選擇、夾具空間布置設(shè)計［3］，其中定位和夾緊方案設(shè)計是關(guān)鍵。6點定則是汽車車身焊裝夾具設(shè)計應(yīng)遵循的基本原則，即限制6個方向運動的自由度。通過面、孔等定位方式的結(jié)合將零件6個方向上的自由度全部限制，使零件具有確定的位置。在設(shè)計過程中應(yīng)參照以下具體定位原則:(1)以工件的平面或外形輪廓為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時，常采用定位塊、支撐柱進(jìn)行定位。面定位主要限制零件定位面法向移動的自由度。(2)以工件圓孔內(nèi)表面為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時常采用定位銷定位。孔定位主要限制垂直于孔軸線的切面中兩個移動方向的自由度。(3)以工件圓柱外表面為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時常采用V形鐵定位器。限制的自由度同孔定位。

在確定了定位點后就需要確定夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)針對每個定位點選擇可靠的方式進(jìn)行夾緊，將各壓緊塊連接為整體，選擇合適的開合角度及運動方式便可實現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)的功能。

2.2 焊裝夾具設(shè)計的典型結(jié)構(gòu)

焊裝夾具主要由BASE板、夾具單元、輔助設(shè)備 (如頂升、輸送裝置)、電器系統(tǒng)組成。BASE板是所有夾具安裝及自身定位的地方。為了方便設(shè)計和檢測，在BASE板上還確定基準(zhǔn)孔和輔助基準(zhǔn)孔 (見圖3)。夾具單元一般是定位部分和夾緊部分的混合體，定位部分通過限制零件的自由度，使零件在夾具中具有準(zhǔn)確的位置;夾緊部分將壓力作用在零件表面，使零件充分與定位面貼合，防止零件滑動。圖4是夾具單元的典型結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計需求對圖4中各要素進(jìn)行增減。

2.3 焊裝夾具的三維繪制

焊裝夾具設(shè)計一般采用三維軟件。先進(jìn)成熟的三維軟件不僅能準(zhǔn)確地反映各種結(jié)構(gòu)關(guān)系，還能實現(xiàn)二維圖的需要，也大大縮短了設(shè)計修改和設(shè)計補(bǔ)充的時間。某公司主要采用CATIA軟件，其中的零件造型、部件裝配功能對夾具設(shè)計很方便。焊接夾具是典型的非標(biāo)設(shè)計，但其中很多夾具組件具有很大的相似性，可以標(biāo)準(zhǔn)化，建立夾具零件標(biāo)準(zhǔn)件庫，采用Catalog進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的管理，可以讓設(shè)計員方便快捷地查找和調(diào)用所需要的標(biāo)準(zhǔn)零件和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，大大縮短有效設(shè)計時間［4］。

夾具零件幾何建模思路。可以先建立草圖，然后利用草圖平面進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)等操作，建立各個零件的毛坯，再利用特征建模、布爾運算等方法完成各個零件的三維建模。

部件的裝配設(shè)計思路。目前部件的裝配主要采用自上而下和自下而上的混合裝配設(shè)計方法，先建立一個裝配部件，然后加入車身零件，在此基礎(chǔ)之上，利用自上而下的方法逐一設(shè)計相關(guān)零件。由于標(biāo)準(zhǔn)件已經(jīng)有現(xiàn)有的三維模型，對于標(biāo)準(zhǔn)件采用自下而上的裝配方法，加入到焊接夾具裝配當(dāng)中。當(dāng)整個裝配設(shè)計完成后，零件三維模型和裝配圖三維模型便同時生成了，大大提高了設(shè)計效率。

2.4 焊裝夾具的焊鉗選型

焊鉗按其結(jié)構(gòu)類型可分為X型焊鉗、C型焊鉗和異型焊鉗，見圖5。在選型時優(yōu)先考慮C型槍和X型槍，若二者都不能滿足焊接工藝要求則考慮異型焊槍［5］。根據(jù)車身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、夾具結(jié)構(gòu)、焊鉗作業(yè)內(nèi)容、焊接方位，以及焊點可達(dá)性、操作方便性等綜合確定合適的焊鉗結(jié)構(gòu)。焊鉗選型應(yīng)與焊接夾具設(shè)計并行。因為焊鉗與板件及夾具的相互制約性很強(qiáng)，設(shè)計夾具時考慮焊鉗的選型能有效地避免諸多干涉情況，可減少浪費。

2.5 焊裝夾具的干涉檢查

焊裝夾具的干涉可分為產(chǎn)品與夾具之間、產(chǎn)品與焊鉗之間、焊鉗與夾具之間、夾具內(nèi)部零件之間干涉4種，以前經(jīng)常出現(xiàn)夾具在制造完成之后產(chǎn)生干涉或者由于操作空間不足而造成修改甚至報廢的情況［6］。現(xiàn)在，該公司引進(jìn)了焊裝仿真Tecnomatix軟件，在數(shù)模環(huán)境下，對各部件之間進(jìn)行干涉檢查和空間關(guān)系判定。對焊接夾具的運動部件進(jìn)行運動關(guān)系模擬仿真，驗證焊點是否干涉、可達(dá)，驗證生產(chǎn)節(jié)拍是否達(dá)標(biāo)，并重新進(jìn)行焊點布局、機(jī)器人布局等，提前發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計中存在的問題，大幅度提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。

3 焊裝夾具設(shè)計的后續(xù)工作

3.1 焊裝夾具制造工程圖的生成

車身夾具設(shè)計過程中，修改次數(shù)和內(nèi)容非常頻繁，三維圖形修改直觀、方便，而二維圖修改起來比較困難，但到目前為止，仍是以二維工程圖樣形式輸出來指導(dǎo)生產(chǎn)，通過CATIA三維圖導(dǎo)出dwg格式的二維工程圖，當(dāng)對三維設(shè)計進(jìn)行修改后，只需對相應(yīng)工程圖更新即可。

3.2 焊裝夾具的制造與驗收

在夾具制造過程，主機(jī)廠應(yīng)派專業(yè)人員到生產(chǎn)廠家監(jiān)督夾具的生產(chǎn)，按照夾具設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計制造進(jìn)度表對其質(zhì)量和進(jìn)度進(jìn)行管控，嚴(yán)格按照預(yù)驗收標(biāo)準(zhǔn)驗收。預(yù)驗收標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 焊裝夾具的預(yù)驗收標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

焊接夾具的設(shè)計是車身焊接的前提和基礎(chǔ)，在焊接夾具的設(shè)計中，應(yīng)掌握夾具的基本工作原理和設(shè)計準(zhǔn)則，不斷地學(xué)習(xí)和探索先進(jìn)的設(shè)計思路和方法，制造出合格的焊裝夾具，以提高車身精度、確保車身質(zhì)量。

【1】尹龍軍.汽車焊接夾具設(shè)計［J］.經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2010(25):130.

【2】奉孝君.汽車車身焊裝夾具的設(shè)計［J］.汽車制造業(yè)，2008(13):48－51.

【3】雷玉成，王存堂，韓向東，等.車身焊裝夾具設(shè)計方法的研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2000(1):102 －104.

【4】曲智.CATIA V5在汽車白車身焊裝與檢驗夾具設(shè)計中的應(yīng)用(上)［J］.數(shù)字化設(shè)計，2007(4):66－68.

【5】陳明鑫.白車身焊接中焊鉗選型方法淺析［J］.汽車工藝與材料，2011(11):53－57.

【6】喬印虎，張春燕.基于CATIA的轎車車體夾具設(shè)計及模擬［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010(6):236－237.

【7】鄭立斌.車身焊接夾具設(shè)計的研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2001(1):250－252.