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1、中立柱内加强板分总成焊接工装夹具设计学生姓名 班级：指导老师：熊震宇摘要：针对江铃皮卡汽车中立柱内加强板焊接工件，根据汽车行业焊装夹具设计的一般方法和原则，设计了一套现代化合理实用的焊接夹具。采用了自动化程度较高的气动夹具，详细分析了气缸直径与行程的选定，并对夹具受力复杂部件进行理论应力强度分析，优化焊接夹具零部件的设计。本文采用计算机辅助设计方法，利用UG（Unigraphics）软件的三维建模以及装配功能对夹具零部件进行快速设计与装配，缩短了焊装夹具设计周期、提高了效率、形象直观，提升了设计质量并降低了成本，避免了传统的二维设计方法设计周期长、更改不便、复杂局部难以直观表达的缺点。设计的整
2、套夹具体零部件较多，部分位置不便观察，采用UG装配序列功能制作装配序列动画可以使工人了解夹具各个零件间的装配关系及整个夹具的装配顺序，提高装配效率。UG运动仿真对夹具打开、夹紧及焊接工件的放入、取出进行运动分析及干涉检查，保证夹具设计方案的优化和设计质量，为焊接夹具的设计和验证优化提供了技术基础，提高了设计效率，获得了符合设计要求的中立柱内加强板焊接夹具。该设计满足企业实际生产要求，具有一定的实用价值。关键词：气动夹具 UG建模与装配 运动仿真指导老师签名：Inner reinforcing plate of center pillar Sub assembly welding fixture
3、 designStudent name: Class: Supervisor: Xiong ZhenyuAbstract: According to “inner reinforcing plate of center pillar” workpieces, whether based on the general methods and princlples of welding fixture design in auto industry. A modernization and reasonable pneumatic welding fixture designed with a h
4、igh degree of automation when detailly analyzed the selection of diameter and stroke on cylinder . Theoretical stress intensity analysis on fixture which beared complex force that can optimize the design of welding fixture.This paper adopting the method of computer-aided design, based on the Unigrap
5、hics software of three dimensional modeling and assembly function of fixture parts for rapid design and assembly shortening the welding fixture design cycle, improve efficiency, visual image, improve the design quality and reduce the cost, avoiding the traditional two dimensional design which the de
6、sign cycle is long, chang the inconvenience, the shortcomings of complex partical hand to visual, and holder of a complete set of more specific parts which the part position inconvenient observation. UG assembly sequence features to make assembly sequence animation which allows workers to understand
7、 each fixture assembly relations between parts and the whole fixture assembly sequence , that can improve the assembly efficiency.UG motion simulation for open fixtures , clamping and welding workpieces placed , removed for motion analysis and interference checking. Which guaranteed fixture design o
8、ptimization and design quality. This method provided technical basis, Improve the efficiency of design, by which the suitable welding fixture was acquired. Consequently: the design is suitable for the actual production requirement which with centain engineering background and practical value.Keyword
9、: pneumatic welding fixture UG Modeling and Assembly Motion SimulationSignature of Supervisor:目 录1 前言11.1 选题依据及课题意义11.2 国内外研究概况及发展趋势11.2.1车身焊装简介11.2.2车身定位特点31.2.3国内外汽车焊装夹具设计研究现状及发展趋势41.3 研究内容及实验方案71.3.1研究内容71.3.2实验方案82 定位及基准92.1 工件及定位92.2 基准93夹具设计103.1 基板的设计113.1.1上面板的设计113.1.2槽钢的选择布置123.2 底座的设计123.
10、3 连接板的设计123.4 夹紧臂的设计133.5 销、销支架及定位块的设计143.6 气缸的选型153.6.1气缸直径的选定153.6.2气缸行程的选定163.7 基于UG软件零件的三维建模与装配173.7.1UG软件简介173.7.2零件的三维建模183.7.3夹具零件及焊接工件的装配194 验证及优化214.1夹紧臂理论校核214.2运动分析224.3装配序列265 输出工程图286 结论29参考文献30致 谢32南昌航空大学学士学位论文1前言1.1选题依据及课题意义汽车制造业是全球性重要的支柱产业，中国汽车工业也进入了一个快速制造，群雄逐鹿的时代，随着人民生活水平的日益提高，在未来五至
11、十年将是SUV（多功能运动型）车型的市场。汽车制造业是一个国家工业发展水平和科学技术发展水平的标志，其预研、生产、销售、售后，与国民经济许多部门息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起重要的推动作用。近几年来，汽车市场逐步向个性化趋势发展，人们不再看好大众化的汽车车型，竞相追逐个性化、多功能车型。因此，小批量、多车型在市场倍受青睐。使得汽车产品的更新换代步伐不断加快，汽车新产品的研发和制造周期越来越短。这给我国汽车制造企业带来了新的挑战和机遇，同时也对企业竞争力提出了更高的要求。为了提高自身竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划来降
12、低成本，提高生产产品质量，尽快的让符合消费者要求的汽车产品投放市场1。汽车制造分为发动机、车身、地盘、车内装饰及电子系统几个部分。而汽车车身焊接工装夹具是整个车身制造的核心，它包括合件、分总成和车身总成的夹具，焊接工装夹具的精度高于冲压件的精度，是保证车身精度和质量的重要环节，其主要作用是确保汽车车身焊接件形状、尺寸、精度符合产品图纸技术要求，焊装夹具的设计制造精度、速度和自动化程度直接影响汽车的生产效率、规模和质量。汽车车身制造的效率高、数量多、夹具使用频繁，所以在焊接工装夹具设计过程中，要保证一些定位元件，如销、定位面的可更换性，或者设计调整垫片来保证夹具的精度。另外基于UG平台的三维模型
13、设计能够有效地减少夹具设计的周期，大大提高了效率，减少了成本，而且利用UG的动态模拟与仿真可以有效地检查机构运动是否干涉，利用工程分析模块可以准确的重要部位进行强度、应力分析。这些都提高了焊接夹具的可靠性。1.2国内外研究概况及发展趋势1.2.1车身焊装简介汽车车身焊装生产线是汽车白车身全部成型工位的总称，汽车焊装总成主焊线分为：车身骨架、地板、前围、后围、侧围和顶盖焊接总成；每个部分总成又由组成该部分的若干零件的焊装支线和工位组成。每个工位由许多定位夹紧夹具、自动焊接装置、检测装置以及供电供气供水装置组成。线间、工位间通过搬送机、机器人等搬送设备实现上下料和零部件的传送，以保证生产线内各工位
14、工作的连贯性。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结合成整体的过程称为焊装过程。该过程中所使用的夹具称为焊装夹具，焊装夹具包括焊接装置、装配装置、以及引导焊枪与工件的导向装置；焊装夹具能将工件迅速精确的定位并在所定位的位置上进行焊接装配，是焊装生产线上的关键的工艺设备。夹具的制造按系统规划重排、重复利用、更新模块或零部件的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造能力的新型制造方式。可重构制造系统是基于现有的或可获得的新设备和其它组元的新一代制造系统。焊装夹具结构可重构化设计是将焊装夹具中普遍具有不同功能的元件，如定位块、压块、连
15、接板、转臂、支架等抽出来，预先设计成通用的一系列标准化元部件，在重构设计时，设计者根据需要调用这些元部件任意组合构成一套夹具。对焊装夹具零部件进行标准化、通用化、系列化是该设计方法的关键。夹具重构设计主要靠设计者的设计经验和组合水平。从汽车焊装夹具的结构上来讲，焊装夹具设计主要有分体式定位夹紧与整体式定位夹紧两种设计理念。分体式设计是将焊接夹具中普遍具有不同功能的元部件，如定位块支架、压紧块支架、导向座、工作台、工作台支承架等抽出来，预先设计成通用的标准化系列元部件；在设计时，设计者根据需要，调用这些元部件进行装配组合构成一套夹具。整体式设计不用把这些零部件拆分，直接整体设计整体制造。用于较高
16、的加工精度条件下，加工出整体式的定位夹紧结构不需要或需要很少的调整就能达到生产精度要求，国外一些先进的汽车制造公司所用的汽车焊装夹具就是采用的整体式结构。分体式结构中的定位夹紧部件可更换、调整以用于不同的焊接场合，而整体式结构在这方面的灵活性就要差很多，也不适合我国汽车的加工生产现状。因此，焊装夹具的设计主要还是采取分体式定位夹紧的设计理念2。汽车焊装夹具有很多种类，分类方式也各不相同，从夹具的工作范围分类包括通用夹具和专用夹具；从夹具本身构造分类包括移动式夹具、固定式夹具和悬挂式夹具；从用途分类包括装配用夹具、焊接用夹具、装配焊接夹具、检验用夹具和其他夹具；从动力源分类包括混合式夹具、真空夹
17、具、磁力夹具、液压夹具、气动夹具和手动夹具。其次夹具可分为通用夹具、组合夹具、专用夹具等三大类。组合夹具和专用夹具设计时需要进行一系列的定位、夹紧、装配设计才能满足生产的要求。由于汽车零部件形状各异，不同车型的同一种零部件也存在一定的差异，汽车焊接夹具属于专用夹具。专用夹具是为完成某一工件的某一工序而专门设计的工艺设备。与组合夹具相比，专用夹具具有以下优点：(1)能确保工件的加工精度；(2)总体方案与生产纲领相适应；(3)操作方便，能减轻工人的劳动强度。图1 汽车焊装夹具的分类1.2.2车身定位特点白车身都是由一些薄板冲压件的零件、合件、分总成最后焊接总成。焊接件为薄板冲压件时，其刚性较差，容
18、易变形，如果仍然按刚体的六点定位原理，即3-2-1定位，工件就可能因自重或夹紧力的作用，定位部位发生变形而影像定位精度。此外，薄板焊接主要产生波浪变形，为了防止变形，通常采用比较多的辅助定位点、定位面和辅助夹紧点以及过多的依赖于冲压件外形定位。因此薄板焊接工装与普通夹具有显著的差别，不仅要满足精确定位的共性要求，还要充分考虑薄板冲压件的易变形和制造尺寸偏差较大的特征，在第一基面上的定位点数目N允许大于3，即采用N-2-1定位原理3。上海交通大学根据N-2-1定位原理，针对汽车车身覆盖件的焊接夹具设计，提出夹具优化设计的算法，即利用有限元分析和非线性规划方法找到最优的“N”定位点，以使薄板冲压件
19、的总体变形最小。汽车焊装夹具与一般的焊装夹具一样，其基本机构也是由定位件、夹紧件和夹具体等组成，定位夹紧的工作原理也是一样的。但由于汽车焊接结构件本身形状的特殊性，气焊装有如下特点。1)汽车焊装构件是一个外形复杂的空间曲面结构件，并且大多是由薄板冲压件构成，其刚性小、易变形，装焊是要按其外形定位，因此定位元件的布置亦具有空间位置特点，定位元件一般由几个零件所组成的定位器。2)汽车构件的窗口、洞口和孔较多，因而常选用这些部位作为组合定位面。车身焊装夹具大都以冲压件的曲面外型、在曲面上经过整形的平台、拉延和压弯成型的台阶、经过修边的窗口和外部边缘、装配用孔和工艺孔定位，这就在很大程度上决定了它的定
20、位元件形状比较特殊，很少能用标准元件。3)汽车生产批量大，分散装配程度高，为了保证互换性，要求保证同一构件的组合件、部件直至总成的装配定位基准的一致性，并与设计基准尽量重合。4)由于汽车生产效率高，多采用快速夹紧器，如手动铰链-杠杆夹紧器、气动夹紧器和气动杠杆夹紧器。5)汽车焊装夹具以专用夹具为主，随行夹具与机械化、自动化程度高的汽车焊装生产线相匹配。6)汽车车身焊接一般采用电阻点焊和CO2气体保护焊，焊装夹具要与焊接方法相适应，保证焊接的可达性和夹具的敞开性4。1.2.3国内外汽车焊装夹具设计研究现状及发展趋势国内外汽车焊接工装夹具设计到现在已经发展到了短周期，快速设计制造的阶段了，设计过程
21、中主要研究柔性组合工装夹具；焊装零件的快速设计及标准化；焊装夹具的精度及误差控制；气缸的计算及程序化设计；基于软件的夹具数据库管理及参数化设计；基于软件的夹具设计、运动仿真及有限元分析法；以及夹具的控制。焊装夹具设计对整个车身的质量起着非常重要的作用。（1）柔性夹具在汽车柔性组合夹具设计上，吴玉光等分析了组合夹具设计的几何原理，并根据3个定位销和工件轮廓边界的几何关系，提出将工件装卸运动分为平移装卸运动和旋转装卸运动两种运动形式，并提出定位销可见锥概念和定位销转动支点概念，进行定位方案的装卸可行性分析和定位质量分析。根据对3个定位销的反作用力之间的几何和力学分析，进一步提出瞬心三角形概念和同向
22、边概念，并利用这些概念进行工件的可夹紧性分析，确定工件边界的可行夹紧边范围5。唐介正总结了柔性气动夹具的减小焊接过程中产生的拘束应力；动力来源方便，压缩空气本身具有弹性，能满足柔性焊接的要求；简化了夹具结构等优点6。2006年S. Arzanpour等用一种专用软件系统来对三维柔性夹具进行开发和测试，以优化重新配置过程并获得了实际进展7。（2）焊装零件的快速设计及标准化在柔性组合夹具的研究基础上，要实现焊装生产线快速成型，则要实现焊装零件的快速设计及标准化。郝静华在工装夹具的零部件设计中分析形状误差和位置误差对工装夹具、零部件使用的影响，提出正确选择形位公差和合理确定公差值直接影响工装夹具的制
23、造精度、被加工件的使用要求及被加工件的工艺要求8。杨伟提出了零件夹具设计的经济型、柔性化、精确性、重复性、耐用性等方法原则9。刘跃庆等摘通过对汽车车身焊接夹具零件设计的一般规律进行探讨，提出了在焊接夹具设计中所应该遵循的基础条件。因为汽车车身焊接夹具的设计与冲压件、工序件结构及精度关系密切相关10。（3）焊装零件的计算机辅助及参数化设计汽车焊接工装的快速制造及零件的标准化，就要建立企业自己的夹具设计数据库，并对相关标准零件进行参数化设计，就会大大缩短夹具设计周期。参数化技术是当前CAD技术重要的研究领域之一，它是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺
24、寸对图形的驱动，其中进行驱动所需的几何信息和拓扑信息由计算机自动提取。在设计过程中，系统自动地捕获用户的设计意图，并把各个设计对象以及对象之间的关系记录下来，当用户修改图纸中的设计参数时，系统能自动地更新图纸，使图纸中反映的用户设计意图和设计对象之间的关系依旧可以维持。参数化设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受尺寸驱动的影响，所以也称为参数化尺寸驱动。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，极大的改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较、动态设
25、计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出的应用价值，能否实现参数化目前已成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。因此，对参数化设计方法的理论与应用技术进行研究有着重要的现实意义和实用价值。张荣生介绍夹具单元的参数化在汽车焊装夹具设计中的运用，用参数化的设计建立夹具单元的模块化，以降低设计强度，缩短设计时间，提高设计效率。建立焊装夹具的模块化库，有利于夹具设计结构、设计经验的积累，从而为设计更好更高水平的焊装夹具提供支持11。美国伍斯特理工学院(Worcester Polytechnic Institute)的Kevin RONG教授与卡特彼勒公司合
26、作，开展了针对卡特彼勒公司大型工程机械零部件焊接工艺的计算机辅助工装夹具设计系统的研究开发与应用工作12。G F CHEN等提出了结合具体工装夹具运用环境，将工装夹具方案以及相关信息通过属性集合的形式定义成数据模板，然后针对特定的应用由设计师来派生具体的模板13。王华侨根据组合夹具元部件的构成特点，采用参数化造型的方法对夹具元部件进行了三维造型，以VisualFoxpro6.0为数据库平台，研究和开发了夹具元部件的数据库管理系统，在UG环境下可直接对库中的夹具元部件进行添加、删除、修改等操作14。赵静在整理大量的已有焊装夹具设计数据的基础上，对它们进行分析、归纳、总结。在此基础上进行了参数化处
27、理，并提取具零部件结构特征参数、属性信息，构建了参数化夹具图形库。提出并建立焊装夹具工程数据库结构，焊装夹具工程数据库主要包括图形库和数据库。图形库储存零部件的图形文件，数据库中记录零部件的非几何信息。图形库和数据库是相互映射的关系，数据库中的每一条记录对应着图形库中的一个零部件15。刘政在整理大量的已有焊装夹具设计数据的基础上，通过对数据的分析、归纳、总结，完成了对焊装夹具零件和案例的分类与编码；构建了汽车焊装夹具零件与案例的数据库；并实现了这些数据库的管理，功能包括：检索、添加和删除。研究了系统的推理机制，在构建汽车焊装夹具案例库、零件库和规则库的基础上，通过向量匹配算法，研究实现了基于案
28、例和零件的汽车焊装夹具推理设计。最后，基于CATIA软件平台，以VB程序语言初步实现汽车焊装夹具参数化设计系统各功能模块的开发；最终实现汽车焊装夹具的单工位设计1。王开宇对焊接夹具管理系统优化过程中遇到的一些实际问题以及具体解决方法进行了详细论述。最后对焊接夹具管理系统优化方案实施后所达到的效果和取得的经济效益进行了深入分析，提出了夹具管理优化方案16。（4）气缸的分析计算对汽车焊接工装的定位、支撑、连接零件进行参数化等设计后，就要设计夹紧机构，汽车焊接工装常用夹紧机构为气动。在对气缸的分析计算方面，2005年熊晓萍分析汽车车身焊接夹具三种典型运动机构的特点及其适用范围,分析了自锁原理并提出夹
29、具展开角度的算法17。2006年徐巧提出了对焊接夹具气缸动作的程序化设计18。2008年王绍杰针对汽车工厂设计中压缩空气耗量确定问题提出了一种便捷实用的设计思路19。（5）夹具的运动模拟仿真及有限元分析夹具设计完成后，需要对其进行必要的校核检验，如对机构的模拟运动仿真来检查机构是否干涉，有限元分析应力，疲劳等。目前在世界著名汽车企业中，计算机辅助技术在车身造型和车身开发及整车性能测试中得到广泛应用，并取得了突破性的进展，使得整车开发周期大大缩短。对汽车焊装线设备，尤其是保证焊装质量的工装夹具而言，3D-CAD/CAE/CAM设计技术和仿真技术倍受国际上汽车科技界的注目。UG NX自带的机构运动
30、分析模块MOTION提供机构仿真分析和文档生成功能，可在UG环境定义机构，包括铰链、连杆、弹簧、阻尼、初始运动条件、添加阻力等，然后直接在UG中进行分析，仿真机构运动。2001年，王政介绍了运用ARX技术实现焊接接夹具装配三维动态模拟20。SATYANARAYANA使用有限元方法分析了工件弹性变形和作用力对切削表面加工精度的影响21。机械设计中的一项重要工作是利用有限元分析软件计算零部件的强度和刚度，李力分析零部件在一定载荷作用下产生的应力和应变，从而预知所设计的零部件是否满足要求，保证设计的可靠性，并达到优化设计的目的。他以某石油机械产品的关键部件为例，介绍了利用UG的有限元分析功能对机械结
31、构进行优化设计的方法22。2012年郭贼等介绍在焊接工装夹具设计过程中基于有限元分析法的工装设计方式，在工装需要时进行受力校核23，对夹具的关键部位进行应力应变等强度分析。（6）夹具的精度及误差分析夹具各个部分的设计，最后组装完整必须控制误差，保证夹具的精度。或者能对夹具的定位尺寸进行三维空间坐标调整。2000年，刘青指出汽车车身的装焊质量直接决定产品质量及整车性能。分析了汽车装焊的内在规律，并指出要保证良好的车身装焊质量，应从产品开发设计、工装的设计和制造、工艺的制定到工装的使用和维护、现场技术问题的处理、工人的操作以及零组件的尺寸保证等一系列环节和过程进行综合的控制24。2007年,彭志虹
32、针对精度要求高的焊接零件，为了控制变形，设计出合理的焊接夹具，确保了焊后尺寸精度要求，为以后此类零件的加工提供工艺依据25。M. Vural, H.F. Muzafferoglu指出焊接工装夹具能有效的控制焊接变形26。由于目前的研究中对工件夹具系统的连接模型进行了过多的假定，SIEBENALER等研究了不同类型的连接模型对零件夹具系统精度、变形的影响27。（7）夹具的控制夹具设计完成最后一步就是夹具的自动控制，2000年李志春就提出了车身总成的焊接工装夹具PLC全自动控制。手工上料、手工焊接都可以通过PLC的时间继电器来控制动作之间的时间，而且这个时间是可以任意调节的28。目前汽车行业大部分
33、都是用自己的压缩空气站作为气源，通过电磁阀来控制夹具。目前，汽车焊装夹具设计设计的内容比较分散，以后的夹具设计的发展趋势会在一套完整的思路下来保证夹具的可靠性。另外，汽车焊装夹具的设计很多都是依靠设计者的经验，有些部件、位置、尺寸缺乏科学的计算和论证（如工作面的选择与夹紧位置的选择）。1.3研究内容及实验方案1.3.1研究内容本文主要设计一套汽车车身中立柱内加强板分总成焊接工装夹具，其中研究内容包括：1）根据汽车薄板冲压件零件及合件的形状特点，设计定位基准，利用N-2-1定位原理进行合理定位。2）根据空间布局与企业效率，设计合理的自动化程度高的夹紧机构。3）进行空间布局尺寸计算，利用焊接夹具标
34、准件，设计夹具。并用UG软件进行三维建模。4）将设计的夹具进行装配，并利用UG软件的模拟仿真模块来检查整个机构是否干涉，并制作装配序列动画。5）对整个机构的关键受力部位进行强度刚度的校核，并对方案进行设计优化。6）绘制2D图纸并标注尺寸。1.3.2实验方案采用UG运动仿真功能对焊装夹具及焊接工件运动过程进行仿真，检查机构运动是否发生干涉，保证夹具设计的合理性，从而获得符合设计要求的焊装夹具；对夹具受力复杂部件进行应力强度分析，检查夹具部件结构设计的合理性，从而优化焊装夹具；对夹具体的装配制作装配动画，提高装配效率。合件一合件二合件三图2 中立柱内加强板（a）下铰链 （b）上铰链 （c）安全带固
35、定支架图3 焊接工件2定位及基准2.1工件及定位焊点位置焊接工件由中立柱内加强板、前安全带固定支架合件、左右后门上铰链加强板合件及左右后门下铰链加强板合件组成。焊接工件通过定位基准面和定位销安装到相应位置后，采用气动方式压紧。用X型焊钳DN3-160交流悬挂点焊机进行点焊，三处共有22个焊点。图4 焊后工件由于焊接工件都是由薄板冲压件组成，刚性较低，容易变形。所以工件的定位一般采用“N-2-1”定位原理，并且汽车零件形状复杂，可以利用工件的形状进行定位。按照工件安装顺序，首先安装定位的是中立柱内加强板，它靠边缘的定位基准面限制Z向、绕x轴转动、绕Y轴转动三个自由度，以及挡板限制X向、绕Z轴转动
36、和定位销限制Y向移动。然后是左右后门上下铰链加强板的定位，它们都是通过两个定位销和中立柱内加强板的一个面来限制六个自由度。最后是前安全带固定支架合件，它是靠与中立柱内加强板的相互形状以及一个定位销来限制六个自由度。2.2基准用于保证工件相对位置的基准一般是定位基准面、定位销。而保证整个定位夹紧单元位置的基准在汽车行业一般有三种。（1）基准槽基准槽的位置应优先选用车线数值的100的整倍数，其次选用车线数值的50的整倍数。对于小型基板的夹具，基准槽可贯通，对于大型基板其基准槽可断续，此外在设计基板钻孔图时，尽量避免将孔打入基准槽内。（2）刻度线夹具设计过程中，在基板的上表面加工有坐标刻度线，用于安
37、装夹具组件时用三坐标检测仪检测夹具基准状况（3）基准孔基准孔的坐标值优先选用车线数值50的整数倍，而且基准孔的位置不要被夹具组件挡到，基准空的个数不小于3个，这样便于三坐标检测仪检测。基准孔图5 基板基准孔夹具设计过程中，考虑到基准孔加工方便，效率高，选取了四个易于检测的基准孔，基准孔的坐标分别为（150,100,0）；（350,150,50）；（700,200,100）；（800,350,200）。3夹具设计一个典型的定位夹紧单元通常包括底座、连接板、定位块、定位销、销支架、连接块、垫片、上下限位块、连接板、回转销、夹紧臂、气缸等。图6 夹紧单元定位块连接板定位销销支架底座夹紧臂压块气缸而一
38、套完整的夹具一般包括若干个夹紧单元、基板、举升机构、回转台等。根据操作方式可划分为手动夹具、气动夹具及液压夹具；根据控制方式可划分为气控夹具、电控夹具等。3.1基板的设计基板的设计包括设计上面板、槽钢的选取、起吊装置、地脚结构以及选取合适的旋转台。3.1.1上面板的设计根据工件的长度、宽度以及夹紧单元的大概宽度，设计了长宽高为1100mm的钢板。工件的长、宽中心线和上面板的中心线保持投影重合，在此基础上选择4个坐标为车线数值50的整数倍的基准孔，方便用三坐标检测仪检测且不被任何部件挡到。并且在靠近整套夹具的重心处、槽钢的镂空处设计一个直径为80mm的孔，用于安装通气防渣盖。图7 基板防渣盖的作
39、用主要为连接旋转台的气路，同时也避免了焊接时的焊渣、灰尘被吹到孔内，保证了工作台面的整洁。图8 防渣盖根据江铃汽车股份有限公司车身厂实际车间情况，对于小型工装夹具，尽量不使用吊环进行搬运，一般采用叉车搬运。3.1.2槽钢的选择布置槽钢的型号会根据上面板的大小来选择，夹具设计中上面板长宽尺寸设计为1100mm，根据经验选择C10钢。槽钢间距为700mm-900mm，槽钢焊接过程中，焊缝要求平整光滑，不允许有气孔、夹渣等焊接缺陷，焊后退火进行消除应力处理。3.2底座的设计底座的位置一般情况下是通过两个销孔定位，四个外六角螺栓压紧。其高度的设计根据工件到地面的高度来改变，总体上是让工人不弯腰，舒适工
40、作，减轻工作强度。上面板距离地面为475mm，因此将底座1高度设计为180mm，底座2的高度匹配其他底座使工件是水平放置的。由于工件尾部在水平放置时与水平线呈16角，因此底座需设计成如图9（b）形式。（a）底座1 （b）底座2图9 底座3.3连接板的设计连接板的设计往往是夹具设计中最重要的一部分，它与焊接工件的形状及工件的定位压紧密切相关。连接板所用材料为Q235-A，气缸、夹紧臂、限位块、压块、定位块、销及销支架等零件都直接或间接安装在上面。零件的位置一般通过两销孔一压紧螺栓、转销加防滑垫片以及一个压紧螺栓与垫片来限制其六个自由度。如果由于加工误差出现定位不准，在X、Y和Z向都可以添加调整垫
41、片来调整到准确。连接板下面与底座连接，也是通过两个销孔进行定位四个螺栓压紧。图10 连接板3.4夹紧臂的设计夹紧臂是通过气缸给焊接工件施加夹紧力，要求受力合理，具有一定的刚度，满足长期使用下变形小，且为方便装卸工件，必须保证夹紧臂有一定的开启角度。图11 夹紧臂机构示意图根据经验，当Amm时，B取25mm；当100mm150mm时，B取30mm；当150mm200mm时，B取35mm；当夹紧臂上有定位销时，为便于固定支座，尺寸B可酌情而定，设计过程中，A的值为130mm，所以B取30mm。此外，与连接臂相连接的还有压块、限位块、手柄等，它们都是使用内六角螺栓相连接的。在第一组夹紧单元设计过程中
42、，由于焊接工件要靠旋转销来定位，而当夹紧臂上有定位销时，或者夹紧臂较长时，必须设计限位块，由于第一组夹紧单元是先旋转定位，后通气夹紧，就要设计一个手柄，手柄的长度以人工操作舒适为准，且设计为长100mm，上下限位块的距离为夹紧臂下表面与连接板上表面的距离。限位块用于将工件夹紧固定在正确的位置上，避免焊接作业时工件错位或变形，使夹具夹紧臂处于夹紧状态时的稳定性（不让其摆动），确保定位或夹紧部位的准确性。夹紧时，上下限位块的闭合间隙应小于0.1mm。否则，会影响工件的装配精度。 （a）下限位块 （b）上限位块图12 限位块 图13 手柄3.5销、销支架及定位块的设计定位块是辅助工件定位夹紧，避免焊
43、接工件变形，一般通过两销孔一压紧螺栓连接在连接板上，或者通过垫片、挡面来限制六个自由度并通过螺栓压紧的形式安装在连接板上。普通定位块毛坯材料为45#钢精密铸造且表面发黑处理，形面加工后表面高频淬火HRC32-35，但当定位块与外板等覆盖件直接接触时，为避免划伤工件表面其材料为尼龙，厚度为22mm。图14 定位面 图15 销及销支架定位销是用于给工件准确定位，一般来说每个焊件均需采用两个定位销定位，此外，从分总成夹具至总成夹具应尽量采用相同的基准孔，以避免造成基准不重合误差。定位销的直径及公差原则上定位销的直径应比工件的相应孔减0.2mm，同时定位销公差为d0-0.02。定位销的长度原则上定位销
44、有效长度应伸出工件58mm。定位销材料一般为45#钢，前部高频淬火；硬度为HRC42-45，表面发黑处理。销支架是用于与定位销、连接板连接，定位销以间隙配合的方式镶于销支架上再用六角螺帽固定。下面的两个销孔是用于与连接板连接，销支架的形状规格可以多变，只要保证定位销的准确位置就行。3.6气缸的选型根据江铃汽车车身厂实际工作情况，选择由SMC公司生产的CK系列单悬耳式双作用单活塞气缸。3.6.1气缸直径的选定普通夹紧单元中夹紧臂夹紧力不得小于30Kgf，而对于汽车车架类夹具由于其板厚较大，需要夹紧力在50-80Kgf以上。由于焊接工件为薄板冲压件，夹紧臂的夹紧力F设计为40Kgf。根据经验BC设
45、计为60mm，且系统压力P为0.5Mpa，气缸的效率设为80%。图16 夹紧臂受力示意图 （1） （2） （3）式中 P系统压力，Mpa； F夹紧臂夹紧力，N； 气缸效率。根据设计尺寸AB为130mm，g=9.8N/kg。代入计算得：根据车身厂实际情况，有气缸直径为、三种类型可供选择，因此气缸直径修正为D=63mm，气缸型号选择为CK1B63。气缸的实际输出力为1246N，实际夹紧力575N。3.6.2气缸行程的选定气缸行程的选取与夹具夹紧臂的打开角度有关，它决定了夹紧臂的打开状态，它的值必须保证夹紧臂在打开后与焊接工件的上下料位置之间有足够的空间。设计过程中焊接夹具形式采用的是简单、常用的一
46、节旋转销机构，如图17所示，夹紧气缸的活塞杆C1C2运动推动夹紧臂绕销轴A做旋转运动，改变气缸作用力的大小和方向后夹紧工件，同时气缸绕连接板上的固定安装支点B摆动。图17 气缸运动简图其运动机构可以简化为一摆动导杆机构，如图18所示，AC2B是气缸活塞杆缩回即夹紧臂打开的状态。AC1B是气缸活塞杆伸出即夹紧臂夹紧的状态。行程计算选取过程中，有一些固定值和经验值，如当气缸活塞杆缩回时，BC2沿活塞杆方向的距离为定值97mm，连接板固定支点B到气缸中心线的水平距离为35mm，在夹紧臂夹紧状态下，支点A到旋转支点C的水平距离为60mm，即固定支点A、B间的水平距离为25mm，由于夹紧臂绕支点A做圆周运动，所以AC1=AC2，AC1C2为夹紧臂的打开角度，当气缸活塞杆缩回即夹紧臂打开与气缸活塞杆完全伸出不保留余量，两种状态下气缸的中心线基本上在一条线上。因此设计夹紧臂打开角度为60时，这时气缸活塞杆刚好完全伸出，即气缸行