基于UG草圖的車門定位夾具模塊化開發

農明滿+傅偉

摘 要：隨著汽車更新換代加快，傳統的車門定位夾具開發面臨著挑戰，文章通過分析介紹車門定位夾具的基本工藝過程和關鍵控制參數，并嘗試以西門子公司開發的UG軟件為載體，利用其草圖模塊功能，對夾具進行模塊化構建，并對其進行運動軌跡模擬，在繁重的三維運動分析和簡陋的手工計算中找到一個平衡點，大幅提高開發效率。

關鍵詞：UG；夾具；模塊化；草圖；軌跡模擬

1 概述

隨著人民生活水平的不斷提高，個人可支配收入隨之提高，加上工業化生產的發展，汽車價格在不斷的下滑和細分，汽車逐步由原來體現身份的奢侈品，慢慢轉變成人們日常生活的必需品。消費量的提升，給汽車產業帶來迅猛的發展。在過去的2016年，中國汽車產量和銷量分別達到了2811.9萬輛和2802.8萬輛，比上年同期分別增長14.5%和13.7%，無論產銷量還是增長率，均已位居全球首位。而隨著人們生活品質的提高和認知水平的覺醒，個性化，小批量，多品種是將來的趨勢，這也造成汽車制造技術面臨越來越苛刻的挑戰。如何開發更高效、低成本、短交貨期、市場反應迅速的制造方式，將是汽車廠商在激烈市場競爭中立足和制勝的法寶，白車身生產是汽車制造過程中的重要一環，而車門制造，又是牽涉到車門性能及外觀質量的一個關鍵步驟，傳統的車門夾具開發方式，手工計算較多，加上簡圖不夠直觀且不好關聯，而新的計算機開發模式，開發資源占用比較高，而且不能重復使用，因此，我們利用德國西門子公司開發的UG三維軟件作為載體，開發了一種新型的方法，以應對市場激烈競爭的需求。

2 工藝簡介

在車門制造生產中，一般都需要進行焊接，涂膠，包邊，補焊等工藝步驟，而在實施這些工藝過程中，為了避免車門零件產生偏移導致尺寸波動過大的問題，需要用到定位夾具。夾具拼臺一般由底板，舉升裝置，夾具單元，定位銷單元等幾個部分組成，如圖1所示。有時根據自動化需要，有可能還會增加一些輸送機構如輪帶等。拼臺的基本流程是這樣的：首先，通過操作者人工或機器人把零件放置到夾具拼臺上，舉升機構下降到位，零件落到定位區域內，夾具單元夾緊把零件固定，之后通過人工或機器人焊接或涂膠，焊接或涂膠結束后，夾具單元打開，舉升機構把零件舉升脫離夾具單元，通過輸送帶或人工把零件流到下一個工位，從而完成一個工作循環。從圖中可以看出，夾具單元是拼臺的主要開發部分，它的好壞，直接影響到零件的制造精度。

通常來說，車門的制造精度主要由間隙，段差這兩個指標來衡量， 要達到精確的匹配以及外觀，當然是公差越小越好，但公差越小，其工藝和制造成本就會越高，各個汽車廠基于車型的定位或者自身制造成本的考慮，一般都有自己不同的執行標準。一般來說，都是按照雙級公差來控制，第一級尺寸+/-0.75，第二級+/-0.5。也有一些汽車廠根據車體不同部位以及工藝的難易，實施不同的公差標準，直接可視區域一般來說比非直視區域要低一些。

3 夾具單元的模塊化構建

常見的夾具單元一般是由氣缸，連桿，鉸鏈，導向桿，壓頭，支撐塊，過渡板，支基等幾部分組成的，如圖2所示，通過控制壓縮空氣進入氣缸不同的氣口，對氣缸活塞桿產生推力或拉力，之后這些推力或拉力通過連桿傳遞到壓頭，由壓頭對車門零件進行夾緊固定或者松開，而鉸鏈又起到控制運動軌跡的作用。不同的鉸鏈可以產生不同的運動軌跡，這樣就能夠適應不同的零件狀態。該結構因為打開的角度非常大，特別適合在產品零件和焊接涂膠設備占用較多空間的情況下使用。

設計過程中，我們要關注該夾具單元的主要參數，如旋轉點離產品零件的高度，決定了壓頭輸出力的方向，根據夾緊型面的不同，我們可以設置不同的旋轉點高度。以便更好的貼合產品型面。氣缸缸徑及壓縮空氣的壓強，則決定了驅動力的大小。而連桿兩端力臂的配比，則決定了壓頭的夾緊力大小，通過設置合適的力臂配比，以獲得良好的夾緊定位效果。

鑒于夾具單元的部件基本都是由板料焊接或組合而成的，利用這一個特點，為適應快速迭代開發的需要，我們可以通過德國西門子公司開發的UG軟件，利用其中的草圖功能，來構建草圖，這樣就可以進行快速修改定型。實行模塊化設計。如圖3所示，方案設計時，首先構建總體的的草圖，把各個部件的基本形狀勾勒出來，把常用的特征用定值來固定其位置及形狀，之后通過一些參數來驅動特征的改變和運動的可能，比如氣缸缸徑CYL，不同的缸徑對應不同的安裝點，另外還有預留氣缸行程e，根據不同的缸徑定義不同的預留行程，氣缸伸出行程extrude，隨時分析氣缸的可達情況，壓頭高度h1，根據產品零件夾持表面來定義其高度，驅動力臂x，輸出力臂L1分別確定力的大小和安裝位置等，只要定義好每一個參數的功能，我們就可以通過微軟公司開發的office excel辦公軟件，批量輸入數值，并通過導入功能，把excel表格里面的參數批量導入到UG草圖里面，實行一次性的修改。方案草圖出來并得到分析確定后，就可以根據需要，通過鏈接方案草圖，進行3D建模來構建下屬各個部件，之后再進行一些簡單的鉆孔或倒角之類的簡易修整操作。就可以快速的構建新的一套3D分總成。針對產品零件的不同表面，這些夾具單元多個組合在一起，結構類似但各有不同，類似搭積木一般，實行模塊化設計和制造，大幅降低開發周期，滿足產品生產需求。

4 夾具單元的夾緊力核算

在設計過程中，為了保證具有良好的夾緊定位能力，其夾緊力必須滿足最低的壓力要求，根據不同的板材，可能會有不同的壓力要求。常見0.75mm以下厚度的板料，其推薦的最低壓力為445N，根據夾具單元的基本結構，我們可以簡化為基本的杠桿，通過簡單的杠桿原理來進行核算，結合焊接設備和涂膠設備及其運動空間，選擇最合適的力臂連桿以及氣缸缸徑。如圖3所示，氣缸缸徑50mm，壓縮空氣壓強0.5Mpa，根據F1=PA，F1？鄢L1=F2？鄢L2，代入設計數據，則壓緊力F2=P？鄢A？鄢L1/L2=0.5？鄢106？鄢3.14？鄢（0.05？鄢0.05）2？鄢65/137=1862 N，按氣缸廠商推薦的氣缸效率0.6來計算，則實際的壓緊力為1862？鄢0.6=1117N，可以滿足要求，同時 ，我們也可以反求該結構的最長力臂L2，以上面這個單元為例，在L1，F1均保持不變的前提下，則其最大力臂L2=F1？鄢L1/F2min=0.5？鄢106？鄢3.14？鄢（0.05？鄢0.05）2？鄢65？鄢0.6/445=343mm，說明只要在343mm以下的長度，均可以滿足夾緊力的需求，這樣就比較容易實現模塊化設計，加快設計和制造的進度。如機構的夾緊力不滿足，可以通過加長L1力臂或者增大缸徑來解決，從而也可以形成新的系列來實施標準化設計。

5 夾具單元的運動軌跡規劃

有些地方受到工藝焊鉗夾持，打開以及移動和角度的影響，另外，還可能受到車門零件升降進出的限制，為了避免后期可能出現的干涉情況，我們必須對夾具單元的運動軌跡進行分析模擬。傳統的手工簡圖分析，雖然比較簡潔快捷，但因為不夠直觀，容易遺漏一些細節，而且對一些稍微復雜聯動的機構，手工簡圖往往難以分析。另一方面，德國西門子開發的UG三維軟件，功能強大，其運動仿真模塊特別適合進行運動分析，結果清晰明了，但其需要進行三維設計完成后，進入運動仿真模擬環境，通過定義運動連桿LINK以及運動副JOINT，以及驅動力的輸入，才能進行運動仿真 ，由于整個夾具拼臺3D數據量巨大，往往導致占用電腦資源過多，分析時間比較長，此外如果分析結論不佳，則還需修改三維數模，之后再進行一次繁重的計算分析，效率非常的低。鑒于以上兩種方法各有不足，某公司開發了一種新的方法。通過UG軟件中的草圖功能來模擬運動軌跡。

一般來說，除了旋轉軸，夾緊單元部件基本都是有板件焊接或組合而成，根據這一特點，我們可以利用上面所述的方案草圖，通過參數的控制，來實現運動軌跡的分析，如圖5所示，所有運動都跟氣缸行程有關，則我們就可以通過改變氣缸的伸縮量extrude這個參數，利用UG軟件草圖模塊中的動態尺寸，定義其步頻和步長，實時動態的觀察整個夾具單元的運動狀況，從而及早發現干涉。減少后期的整改。

6 結束語

結合夾具單元的設計分析過程，我們可以看出，利用UG軟件強大草圖功能，我們能夠構建和模擬分析各種不同的夾具單元，并以此組合成許多車身生產設備，該方法能夠以較少的資源占用，具備了快速的方案分析以及模塊化設計開發能力，并使得車身生產線的開發周期能夠得到大幅的縮短，利于快速成線，作為一種開發方式的參考，已經在某公司得到了一定規模的應用，并形成了自身的開發標準，產生了良好的社會經濟效益。

參考文獻

[1]聞邦椿.機械設計手冊第5版（第二卷）[M].機械工業出版社，2010.