前围前横梁二序焊接夹具设计.doc

河北工程大学毕业设计毕业设计任务书学生姓名：陈陈晶岩专 业：机械设计制造及其自动化设计题目：q001前围前横梁二序焊接夹具设计设计方案及参数：将前保左右安装支架从一序改到二序焊接。一序操作困难的焊点也改到二序焊接。用一序合成件中前围前下横梁及前保左右安装支架的定位孔定位，定位面选择较大平面及不影响操作的位置。夹具用气动的方式夹紧。设计内容1、q001前围前横梁二序焊接夹具主体结构方案设计2、 q001前围前横梁二序焊接夹具三维图3、 q001前围前横梁二序焊接夹具二维工程图4、夹具使用说明 指 导 教 师 系、部 主任 教 学 院 长 ii目录摘要iabstractii第1章 绪论11.1课题的来源及意义11.2焊装夹具国内外研究概况11.3夹具设计的基本理论及方法21.4汽车焊装夹具发展趋势31.5本文主要工作41.5.1功能性的要求41.5.2适应性的要求41.5.3可靠性的要求41.5.4寿命的要求41.5.5效率的要求51.5.6经济的要求51.5.7人-机工程学的要求61.5.8安全保护的要求6第2章 焊接工艺分析在夹具设计中影响72.1焊装夹具的基本概念72.2焊装夹具的基本作用72.3焊装夹具的基本要求82.4焊装线发展过程及目前的现状92.5生产纲领对焊装夹具设计的影响102.6投资额度及车间厂房结构和面积对车身装焊夹具设计的影响112.7焊点工艺分布对焊接夹具设计的影响11第3章 汽车车身零部件分析及对夹具的要求123.1汽车车身零部件的特点123.2q001车前围焊接夹具设计制造过程中的主要要求123.5.1前围各个零件的主要定位方式123.5.2焊接结构零件在零件装配到夹具上时所受的夹持力与料厚关系143.5.3装焊夹具的设计精度取决于车身产品分总成的装焊精度143.3定位销、定位块三维可调原则14第4章 夹具的主要设计流程及参数164.1目前焊接夹具的一般设计流程164.2一套完整夹具包含的内容和主要的定位方式174.2.1焊装夹具组成174.3夹具零件目前的行业标准化建库194.3.1基板204.3.2l板及h腿204.3.3安装板工艺要求214.3.4定位块及压头标准224.3.5夹紧臂224.3.6垫片234.3.7定位销244.3.8螺钉与基准销25第5章 夹具中的结构265.1手动夹紧器四连杆机构10265.2一节旋转销结构摆动导杆机构265.3气动加紧机构及气缸的选取285.4前围总成焊装夹具总成图及工作过程29第6章 汽车焊装夹具catia三维设计316.1数据管理（文件夹的管理）316.2部件（装配组件）设计326.3零件设计346.4总装配组件设计356.5工程图设计（二维图设计）36结语38毕业设计心得39参考文献40致谢41摘要汽车焊装生产线及焊装夹具是汽车车身生产的关键设备，它对汽车生产制造水平起着至关重要的作用，直接影响汽车生产规模、生产效率和生产质量。随着我国汽车工业的迅速发展，激烈的市场竞争使汽车产品的更新换代越来越快，汽车车身设计越来越个性化，对汽车焊装线的需求量巨大，必须自行设计适合我国国情的汽车焊装线，努力提高设计和制造能力。本文设计了焊装夹具部件，对夹具运动机构模型简化，以前围总成工位为重点，对焊装夹具的方案设计进行了探讨和优化设计。关键词： 汽车；前围前横梁；夹具；catia三维设计abstractas the key equipment for the production of automobile bodywork, the automobile assembly-welding line and welding jig are important for the automobile production level, and directly affects the production pattern, production efficiency and production quality. accompanying the rapid development of our nations automobile industry,the competition of automobile market becomes drastic, it makes the updating speed of automobile product more and more quickly, and the design of automobile bodywork more individuality, the needing of automobile assembly-welding lines become more and more large. the automobile assembly-welding lines which fit the situation of our country must be indigenous, and the design and manufacture abilities must be improved. in this paper, the model of movement machine of jig is predigested, the process design and optimization design by an example of the front wall is probed into.key words: automobile; front wall before the beam ; jig; catia three-dimensional design41第1章 绪论汽车车身制造是汽车制造业中的一项系统工程，随着我国汽车制造业的飞速发展，对汽车焊装线的需求量巨大，对其质量上的要求也日益提高。汽车车身是经过冲压、焊接、涂装、总装这四个主要工艺过程生产出来的，焊装作为汽车生产的四大工艺之一，其技术、设备、生产布局、自动化水平、柔性化水平等对整个汽车生产的作用至关重要。本文基于catia软件，进行q001车前围前横梁二序焊装夹具设计。1.1 课题的来源及意义汽车工业是我国国民经济支柱产业之一，在国民经济发展中有特殊地位和作用，汽车工业能极大地带动和促进其它工业和产业的发展，并且成为显示一个国家工业发达水平的重要标志。随着汽车市场竞争的日益加剧，加快了汽车产品的更新换代步伐，汽车新产品的开发和制造周期越来越短。2006年，国内汽车厂家共推出117款轿车、suv和mpv新车型。增加新车型冲压模具和焊接工装夹具虽必不可少，但汽车换型最主要的是改造焊接生产线。在汽车制造业中，汽车焊装夹具在汽车焊装线投入中占有相当大的比例，焊装夹具的设计制造直接影响汽车的生产规模、效率和生产质量。车身焊装是车身制造的重要组成部分，它是将已经冲压成形的车身零件在夹具上定位夹紧后，通过点焊、凸焊、co2保护焊、钎焊以及粘接工艺（主要是电阻点焊）装配成为白车身的过程。目前，国内的焊接装备生产厂家综合技术实力不足，不具备设计制造高水平的成套焊装线的能力，面对汽车行业的日益激烈的竞争又不允许国内的汽车生产厂家用国产的装备进行试验，只好成套引进，使得国内接装备生产厂家近年来与国外水平的差距越来越大。国内汽车焊接生产水平与国外逐渐接近，而国内焊接装备制造水平与国外差距却逐渐加大，提高我国焊装线及焊装夹具自主设计和制造水平迫在眉睫。1.2 焊装夹具国内外研究概况中国的汽车制造业已有50年的历史，只是在近几年中才得到了飞速的发展。相比之下，我国汽车制造业的工艺水平，特别是焊接工装夹具水平，显得越来越不适应这种快速发展速度的要求。这种现象的存在，原因在于在我国机械加工行业的传统习惯中，焊接制造工艺的地位不高。在中国众多的汽车制造生产厂家中，焊接工装夹具通常采用的是专用工装夹具，它是针对一道或几道特定的焊接工艺而配备的。随着目前汽车生产小批量、个性化的发展趋势，这类工装的使用就越来越受到限制，其设计生产的周期较长，场地占用较大，重复使用率较低的缺点充分的暴露出来。这种现状很大程度制约了我国汽车制造业焊接工艺水平的提高，延长了新车型研发的周期。在世界先进国家的汽车制造业，对广泛使用的焊接工装夹具已经标准化、系列化，设计时进行合理选用即可1。在国内对焊接夹具的系统研究不够重视，汽车焊接夹具的开发设计更是一个薄弱环节。在我国现有的所有引进车型中, 焊接夹具几乎无一例外全部依赖进口。焊接夹具开发的滞后状态严重制约了我国汽车工业的进一步发展。这与国外的技术封锁有关但更主要的是我们重引进轻研究开发重眼前利益, 轻长远打算。我国不少科研部门和制造单位从事了这项有益的作, 如机械工业部第四设计研究院、沈阳牡机制造公司、成都飞机制造公司和一汽、东风等国内著名汽车大集团都是其中的佼佼者。由于国产焊装起点都不高,批量不大,与西方汽车大国相比水平还有待在实践中进一步提高。在世界先进发达国家，焊接工艺及柔性焊接生产线备受关注，特别是柔性焊装生产线适应不同产量、不同生产率、不同自动化程度、不同工厂环境的特点，柔性生产系统是车身焊装线的主流发展趋势。而且在工业发达国家和汽车大国,焊装的研制开已形成一个相对独立的新兴工业部门焊装的开发与设计已形成子标准化、系列化、通用化人们能够紧随汽车车身车型更新换代的步伐,及时地为新产品提供相应的焊接生产线为汽车厂家早上批量占领市场提供了坚实的技术装备保证,争得了宝贵时间。应该看到汽车焊接夹具是一项利润丰厚的智力型产品,占一个车身车型开发费用的1/6左右。按目前国际上一个轿车车身正常开发费用5000-8000万美元计算,焊接夹具至少占800万美元以上。它真正的材料费用是很低的，大部分是在设计制作费用上。1.3 夹具设计的基本理论及方法经过多年的发展,在汽车焊装夹具的分析和设计方面已经形成了较为系统的夹具设计的基本理论。如n-2-1 定位原理，形闭合和力闭合，螺旋理论等。n-2-1 定位原理车用焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴,其中包括定位元件,夹紧元件,连接元件,骨架及紧固元件等基本组成部分,设计中最重要的部分是定位元件的设计,往常设计时大多采用六点定位,即“3-2-1”定位原理。对于车身零件,定位夹具除了具备限制零件刚体运动的基本功能外,还必须能够限制过多的工件变形。如果还是用普通的六点定位的话,工件将因为没有进行可靠的定位而发生定位不准的问题。要对薄板柔性件进行可靠定位,必须有更为有效的夹具设计理论来支持。“n-2-1”定位原理是一种新的定位原理,该定位原理与广泛应用于刚性件的“3-2-1”定位原理相比更适用于薄板件的定位。我们可以根据“n-2-1”定位原理,提出夹具优化设计算法,即利用有限元分析和非线性规划方法去找到最优的“n”定位点,以使得薄板件的总体变形最小。“n-2-1”定位原理认为2:（1）第一基准面上所需的定位点数为n(n3)对绝大部分薄板件加工过程,其最主要的尺寸问题是薄板件法向方向上的变形,甚至其自重所引起的变形就不容忽视。有关分析表明,对一块长宽各400mm,厚1mm的薄板,用“3-2-1”原理定位,在其自重作用下就可能产生13mm 的平均变形。因此,对于薄板件而言,最合理的夹具系统是要求其第一基准面上存在多于三个定位点去限制这一方向上的零件变形。（2） 第二、第三基准面所需的定位点为二个和一个在第二、第三基准面上分别需要二个和一个定位点去限制薄板件的刚体运动。二个和一个定位点是完全足够的,因为实际加工所产生的力通常不会作用在这两个基准面上,以避免弯曲和翘曲。更进一步的分析表明,第二基准面上的两个定位点应布置在薄板件较长的边上。这是因为当两个定位点间距尽可能大时,零件将更稳定,同时还可以更好的弥补零件表面或定位元件的安装误差。（3） 禁止在正反两侧同时设置定位点必须强调禁止在工件正反两侧同时设置定位点,因为甚至极小的几何缺陷都可能导致薄板件相对巨大的挠度和潜在的不稳定或翘曲。1.4 汽车焊装夹具发展趋势目前，中国汽车有市场两个特点：一是有很高的增长率，二是市场竞争非常激烈。汽车市场的竞争点越来越集中在产品的更新换代上，面对如此快速的产品更新，汽车行业过去采用那种大批量单车型专机生产模式已不太适应当前发展的要求。因此多品种的柔性化生产也越来越多地应用在汽车生产中，概括起来，目前汽车焊装夹具的发展显现以下两方面的特点3：（1）车身焊接夹具设计的智能化趋势车身焊接夹具的设计受车身零件结构形状、焊接工艺、焊接方法、焊接设备等多种因素的影响和制约，设计周期长，设计工作量大，设计过程复杂，在一定程度上制约了汽车柔性化的发展方向。随着ai技术和cad技术的飞速发展，探索其结构的特点和规律，建立一个具有零部件库、实例知识库、领域知识库和推理规则的智能化系统，对于提高设计效率，缩短新车型的开发周期具有较大的实用价值。（2） 自动化、柔性化程度普遍提高趋势汽车制造的个性化、批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使汽车焊装生产线的自动化、柔性化程度日益提高。由于焊接机器人可以提高焊装生产的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高生产效率，保证焊接质量，是实现了车身装焊的柔性化、自动化生产方式的有效手段，这样焊接机器人在汽车焊接生产中获得了大量应用。随着机器人自动化成套焊装系统的广泛应用，我国汽车焊装生产线的自动化、柔性化程度将显著提高。1.5 本文主要工作本文以长安q001车前围横梁总成焊装夹具的设计为基础，对焊装夹具运动机构进行分析，并对前围2序分总成工位夹具方案设计过程进行了探讨和优化设计，对焊点的分布与数量进行分析随后在夹具实际设计过程中进行了验证和应用。装配焊接是车身制造中的重要环节之一，它直接影响车身质量、生产率和经济性，提高装配精度和焊接质量是车身制造的核心工作。焊装夹具就是为了保证车身的装配精度、提高生产率设计要求应尽可能详细、明确、合理且具有一定先进性。主要有10个方面的内容。1.5.1 功能性的要求保证二序夹具能够焊接一序没有焊接的焊点，同时保证员工操作方便，焊钳要焊接点的地方不与夹具的如何地方干涉。1.5.2 适应性的要求保证焊接工艺能顺利进行，夹具结构应开敞，工人操作方便，焊接设备容易接近工作位置，必要时可在夹具上切去影响开敞性的部分，以改善夹具的开敞性。1.5.3 可靠性的要求可靠性要求是指产品在规定的工作条件下，在预定使用寿命期内能完成规定功能的概率。二序夹具可完成预定的工作，应用在焊装生产线上，因此要求夹具必须工作可靠。设计时要进行可靠性分析:1)对于冲压零件装焊后应具有互换性的车身合件及总成，应使用车身的各配合部位，特别是孔洞的形状尺寸符合技术要求。2)能快准确地进行装配定位、夹紧，被焊部位要便于操作，松开夹紧机构后，焊件能从夹具上方便地卸下， 且安全可靠。3)在设计夹具时，要注意夹具上的某些零部件出现导电，绝缘等问题，提高车身的装焊质量。4)由于车身结构复杂，因此，对所设计的定位件 、夹紧件等要充分考虑其加工工艺性及零部件的通用化和标准化，便于更换易损件和恢复原设计精度。5)车身总成的装焊夹具比较复杂笨重，在制造使用中常需调整样架来进行调整校正。1.5.4 寿命的要求寿命的要求是产品正常使用时因磨损而使性能下降在允许范围内而且无需大修的连续工作期限。因各零部件难以设计成相等寿命，所以易磨损件的寿命应尽量设计成倍数关系。1.5.5 效率的要求年生产纲领决定了夹具的设计节拍，工位的生产节拍由夹具动作时间、装配时间、焊接时间、搬运时间等组成。q001焊装线：生产纲领：1万台/年工作制度：单班制，全年工作262天，每班工作时间8.5小时。生产节拍：t12分/台 （t=262天*1班*8.5小时*60分/10000辆*0.9=12min）生产节拍：t=夹具动作时间+工作时间（装配时间+焊接时间+搬运时间） 由上述时间我们不难看出生产纲领决定了生产节拍，而夹具的自动化水平将很大程度上影响到生产纲领。因此，我们在对夹具设计时，必须考虑生产纲领来设计夹具，保证能够在生产节拍内完成该夹具上所有作业内容。1.5.6 经济的要求尽量低的制造成本，为此所设计的夹具结构应尽量简单，制造和维修应容易，应尽量采用标准化夹具元件，对易损件便于更换。尽量少用可拆卸的活动夹具元件。提高产品设计制造经济性的主要措施：1）采用先进的现代设计方法，使设计参数最优化,达到尽可能精确的计算结果,保证机器足够的可靠性。2）最大限度地采用标准化、系列化及通用化的零、部件。这是设计中要重点考虑的，因此要对标准件、通用零件、部件、通用的设计规范有所了解。作为初设计者，要学习、参考已有的成功的设计，还要学习查阅机械设计手册。3）尽可能采用新技术、新工艺、新结构和新材料。4）合理地组织设计和制造过程。5）力求改善零件的结构工艺性，使其用料少、易加工、易装配。重设计计算，轻结构设计，特别是结构的工艺性设计，这是初学者最易忽略的问题，所以，在设计中要特别注意。提高使用的经济性的主要措施 1）合理地提高机器的机械化和自动化水平，以期提高机器的生产率。工业机械手下是提高效率的措施之一。2）降低能源消耗，是提高经济性的主要措施。要合理配置动力系统，选用高效率的传动系统，尽可能减少传动的中间环节，以期达到降低能源消耗的目的。3）选择适当的防护及润滑措施，减少机械摩擦，减少磨损，以延长机器的使用寿命。4）采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象，减少消耗，保护环境。1.5.7 人-机工程学的要求人-机工程学也称为技术美学，包括操作方便宜人，调节省力有效，照明适度，显示清晰，造型美观，色彩和谐，维护保养容易等。1.5.8 安全保护的要求1）夹具设备的布局要合理，应便于操作人员装卸工件、加工观察和清除杂物；同时也应便于维修人员的检查和维修；2）夹具设备的零、部件的强度、刚度应符合安全要求，安装应牢固，不得经常发生故障；3）夹具设备根据有关安全要求，必须装设合理、可靠、不影响操作的安全装置；4）夹具设备的电气装置必须符合电气安全的要求。第2章 焊接工艺分析在夹具设计中影响2.1 焊装夹具的基本概念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形成整体的过程称为装焊过程。焊装过程中所使用的夹具称为焊装夹具 （图2-1）。图2-1 某工位焊装夹具2.2 焊装夹具的基本作用1提高了产品装配精度，优化产品质量采用焊装夹具可以精确地对零件进行定位并牢固的夹紧，保证装配件的相对位置，减少了由于人工划线的误差带来的定位不精确。同时焊装夹具在焊接过程中使零件的变形受到一定的限制，可以大大减少焊接变形，使焊后零件的结构尺寸容易达到图纸要求。2缩短焊装时间，能够批量生产，减少加工费，降低产品成本。采用了焊装夹具，零件由定位元件定位，不用划线，不用测量就能得到准确的装配位置，加快了装配作业的进程。另外在焊装夹具上备有扩力机构牢固夹紧，可减轻工人的体力劳动，提高装配效率。夹具可强行夹固焊件或预先给予反变形，能控制和消除焊接变形，提高焊接质量，减少或取消焊后矫正变形或修补工艺缺陷的工序，使整个产品的生产周期缩短。虽然制作焊装夹具增加了产品成本，但焊装夹具的使用减少了装配和焊接工时的消耗，提高了产量，易形成大批量生产，从而减少加工费，使产品总成本降低。3增加了产品的均匀性，能得到具有互换性的产品采用焊装夹具后，由于保证了装配精度，控制了焊接变形，使焊接质量稳定，所以可提高焊件的互换性能。4. 减轻了工人劳动强度，使不熟练工人操作也成为可能如果不使用夹具，在装配定位焊时，要求工人在生产节拍时间内划线来保证装配焊接零件的相互位置是不可能的。在焊接时，装配钳工要始终扶持住工件，保证其位置在焊接过程中不发生变动，这项工作也非常困难和疲劳。焊装夹具的使用降低了对工人的技能要求，也减轻了工人的劳动强度2.3 焊装夹具的基本要求1) 上焊装夹具必须保证焊件焊后能获得正确的几何形状和尺寸，尤其是保证孔洞的尺寸和形状。在装配时，夹具必须使被装配的元件获得正确的位置和可靠的夹紧，并且在焊接时能阻止焊件产生变形。2) 焊装夹具应动作迅速，操作方便。操作位置要处于工人容易接近、最宜操作的部位。特别是手动夹具，其操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设在工人最易用力的部位。当夹具处于夹紧状态时，应能自锁。3) 焊装夹具的设置应便于施工，有足够的装配、焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸。所有的定位元件和夹紧机构应与焊点保持适当距离，或布置在焊件的下方或侧面。夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。4) 夹紧可靠，刚性适当。夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，以及焊件的表面质量。夹紧力适当，使夹紧后既不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大而产生较大的应力。5) 为了保证使用安全，应设置必要的安全互锁保护装置。6) 焊接夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具体的刚度，对结构的形状精度、尺寸精度影响较大。7) 在同一个夹具上，定位元件和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量只选用一种动力源。8) 焊装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率，尽量使制作时投资少，成本低。9) 尽量选用已通用化、标准化的夹紧机构及标准的零部件来设计制造焊装夹具。上述这些原则是设计车身焊装夹具时所必须考虑的，但具体到焊装夹具的结构上却是差异甚大，有的焊装夹具只有一个简单的框架，有的则相当复杂。一般来说，应根据生产批量的大小和产品结构的特点并结合本厂的生产条件（例如车间面积、起重设备、水电气供应情况和技术水平等）来选择焊装夹具的类型，设计夹具。2.4 焊装线发展过程及目前的现状焊装生产线(production line of welding),是指必须经过焊接工艺才能完成完整产品的综合生产线，它包括专用焊接设备、辅助工艺设备以及各种传输设备等。汽车车身焊装生产线的发展过程大体可分为三个阶段：1. 固定式单工位焊装台的小型焊接方式这种在发达国家50年代以前全靠手工操作组焊车身的方式，在国内的小汽车厂家中应用较多。它是各工位独立操作，被焊接车身零件主要依靠人工搬运，它的生产能力只能依靠工人操作的熟练程度，对设备自动化程度的要求几乎没有。由于单靠工人的熟练程度而提高生产能力是有限制的，所以以提高生产能力为目标进行了传送装置及专用焊接设备的开发研究工作。这样很快满足了提高生产能力的要求。但这种设备无法满足混流车型的生产。2. 刚性焊接生产阶段 1965年左右开发出利用机械控制系统来满足23种车型的生产。刚性焊接生产线属于传统制造系统，它具有以下特点：（1） 通常把作业划分为较多个简单工序;（2） 按分批投入的方式，顺序完成各简单工序；（3） 完成工序时间很短；（4） 单个工序自动化。目前这种刚性焊装生产线仍然有一定的应用，但随着先进制造技术的蓬勃发展，这类生产线正在面临着技术改造的艰巨任务，处于被淘汰之中，在轿车生产中所占份额正急剧减少。处于这个阶段的我国汽车焊装线以一汽大众汽车有限公司捷达轿车车身焊装设备与上海大众汽车公司车身焊装线为代表，前者总成工位及车身主焊线采用焊装自动线，广泛采用各种类型的多点焊机和焊接机器人，工艺先进，自动化程度高；后者由于采用国外先进技术，工艺先进，但自动化程度较前者低，采用悬挂式点焊机等设备，手工焊接仍占较大比例。3. 柔性焊接生产阶段 世界汽车发展的趋势是由大批量生产向多品种小批量生产转化，为了满足汽车消费者广泛而多样化的需求，适应汽车市场的激烈竞争，必须不断缩短车型变换周期、加快车型的更新，使焊装生产线从机械化、自动化向柔性化发展。由于计算机的飞速发展以及控制领域的技术提高、机器人的发展、工具的柔性化，1975年正式开始了汽车焊装生产线的自动化研究，且研究出为满足消费者多样化需求的柔性生产系统。柔性焊装生产线的特征是大量使用工业机器人、数控焊钳、可快速更换的工装设备和非同步输送带、可编程控制的自导车，它能方便地适应几个基本车型及若干变型车的同时生产并易于适应以后的改型。柔性焊装生产线属于柔性制造系统(fms),fms的柔性是指对产品的柔性，即系统为不同的产品和产品变化而进行设置，以达到高的设备利用率，减少制造过程中零件的中间存储，对于顾客需求具有快速相应的能力。与刚性焊装生产线相比，柔性焊装生产线主要特点为：（1） 把作业仅分为几个工序；（2） 不同批次的不同工序可以重叠投入；（3） 完成工序加工时间快和不变；（4） 全部加工工序自动化；（5） 产品的焊接主要由焊接柔性制造系统完成。在德国的大众、宝玛格、日本的本田、瑞典的沃尔沃、美国的卡特比勒等公司均大量使用车身柔性焊装生产线。德国benz的sindelfingen工厂布置有三条车身焊接总装线，三条地板总成线及相应的中地板、前后地板线等，共有焊接机器人1000余台，自动化率为95%，生产约10个车型，二班制时日产16001700辆。在车身制造中，选择哪种型式的车身焊装生产线和需要多少焊装设备，取决于生产批量的大小、车身质量的要求以及工厂的场地和投资情况。在我国，经过20多年的大力发展，汽车制造业取得了很大的进步，从国外引进了轻型车、面包车、轿车等各种类型的汽车，各主要汽车厂家形成了一定的生产规模，基本上具备了一整套较为完善的生产、管理及技术保证体系。但车身焊装生产线还是主要依赖从国外全套引进，缺乏自主独立开发能力。引进的焊装生产线大都是国外80年代的产品，属于刚性焊装生产线，自动化水平不高。2.5 生产纲领对焊装夹具设计的影响年生产纲领决定了夹具的设计节拍，工位的生产节拍由夹具动作时间、装配时间、焊接时间、搬运时间等组成。q001焊装线：生产纲领：1万台/年工作制度：单班制，全年工作262天，每班工作时间8.5小时。生产节拍：t12分/台 （t=262天*1班*8.5小时*60分/10000辆*0.9=12min）生产节拍：t=夹具动作时间+工作时间（装配时间+焊接时间+搬运时间） 由上述时间我们不难看出生产纲领决定了生产节拍，而夹具的自动化水平将很大程度上影响到生产纲领。因此，我们在对夹具设计时，必须考虑生产纲领来设计夹具，保证能够在生产节拍内完成该夹具上所有作业内容。2.6 投资额度及车间厂房结构和面积对车身装焊夹具设计的影响车身焊接的投资额度及车间厂房结构和面积是车身夹具设计的基础，其决定焊接夹具的自动化水平、柔性化、通用化程度、分总成焊接夹具及焊装线夹具的工位分布、吊运夹具的合理编排、零合件的输送方式等。在夹具工位布置时，我们必须考虑的一个因素就是厂房的面积结构，我们需要结合厂房的面积结构合理的布置和安排夹具的工位数量、体积及结构形式等，厂房结构、工艺布置等也是我们在夹具设计初始阶段应该考虑的。2.7 焊点工艺分布对焊接夹具设计的影响在夹具设计的时候，需要重点考虑的一个问题就是焊点工艺分布，考虑焊接夹具的可操作性，夹具不能与焊机焊接有干涉，因此在夹具设计过程中，在三维数模中，用焊钳模拟在夹具平台上焊接过程，夹具设计过程中，进行焊钳干涉性模拟。q001车前围焊点方向复杂，所以应当选用较为合适的焊钳极臂。 在保证接头强度和技术要求的前提下应尽可能减小搭边宽度，以减轻结构重量。为保证焊点质量，对焊点中心离边板最小尺寸要求，可参考表2-1。表2-1 焊接结构钢时焊点中心到板边的距离6一个焊件厚度/mm12346焊点中心到板边最小距离/mm812182530焊点的距离应该选择适当，在满足焊缝强度和技术要求的前提下焊点距离尽可能大些，在焊缝长度一定的范围内，焊点布置越多，点距越小，分流越大，焊点核心尺寸越小，反而降低了焊缝强度。车身装焊合理点距如表2.2所示。表2-2 焊接结构钢时的点距6一个焊件的厚度/mm12346焊二层板的最小点距/mm1525304060第3章 汽车车身零部件分析及对夹具的要求3.1 汽车车身零部件的特点汽车车身一般由外覆盖件、内覆盖件和骨架件组成，覆盖件的钢板厚度一般为0.8-1.2mm范围内，骨架件的钢板厚度多为1.2-2.5mm也就是说它们大都为薄板件，对焊接夹具设计来说，有以下特点7。（1)结构形状复杂，构图困难汽车车身都是由薄板冲压件焊接而成的空间壳体，为了造型美观和壳体具有一定的刚性组成车身的零件通常是经过拉延成型的空间曲面体，结构形状相当复杂。（2)刚性差，易变形经过成型的薄板冲压件有一定的刚性，但和机械加工件相比，刚性要差得多，而且单个的大型冲压件容易变形，只有焊接成车身壳体后，才具有较强的刚性。（3）以空间三维坐标标注尺寸汽车车身产品图以空间三维坐标来标注尺寸，为了表示覆盖件在汽车上的位置和便于标注尺寸，我国的汽车车身一般每隔 200mm 或 400mm划一坐标网线，3个坐标的基准是:前后方向(y向)以汽车前轮中心为0往前为负值, 往后为正值；上下方向(z向)以纵梁上平面为0，往上为正值，往下为负值；左右方向（x向） 以汽车对称中心为0，左右不分正负。3.2 q001车前围焊接夹具设计制造过程中的主要要求 3.5.1 前围各个零件的主要定位方式图3-1 qoo1前围示意图由于q001车前围总成焊接装配的零合件有多个，它们的装配和焊接应按工艺要求的顺序逐步进行，定位和夹紧是分别单独的或是一批批联动的进行，故在设计微型车前围总成焊接夹具时应充分考虑这一点。车身前围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、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位元件形状比较特殊,很少能用标准元件。焊接夹具上要分别对各被焊工件进行定位,并使其不互相干涉，在设置定位元件时要充分利用工件装配的相互依赖关系作为自然的定位支承。有的工件焊接成封闭体，无法设置定位支承，可要求产品设计时预冲平台、翻边作为定位控制点，总之，对于要求不严格的装配，尽量不使用焊接夹具。车身焊装夹具上,板状定位较多，定位板一般用q235 钢板，厚度为1219mm。定位块间距既要保证定位精度，又要保证焊钳伸入的方便性。定位件按坐标标注尺寸，标注公差车身冲压件装配后，使用电阻焊接，工件不受扭转力矩，当工件的重力与点焊时加压方向一致,焊接压力足以克服工件的弹性变形，并仍能保持准确的装配位置与定位基准贴合，此时可以省去夹紧机构。焊接通常在两个工件间进行，夹紧点一般都比较多，电阻焊是一种高效焊接工艺，为减少装卸工件的辅助时间，夹紧应采用高效快速装置和多点联动机构。对于薄板冲压件，夹紧力作用点应作用在支承点上，只有对刚性很好的工件才允许作用在几个支承点所组成的平面内，以免夹紧力使工件弯曲或脱离定位基准。3.5.2 焊接结构零件在零件装配到夹具上时所受的夹持力与料厚关系 夹持力一般要求在3001500n。通过装配定位使焊接合件在夹具中形成一个刚性型腔，并使它们的尺寸稳定的保持在相应的坐标系中，以抵抗冲压件在装配搭接上所产生的变形。在通过点焊时，要克服焊接变形力和机械冲击力。同时操作人员也必须严格按工艺要求焊接，以避免产生点焊顺序不一致造成的变形、超差等焊接质量不合格现象。对于薄板冲压件，夹紧力作用点应作用在支承点上，只有对刚性很好的工件才允许作用在几个支承点所组成的平面内，以免夹紧力使工件弯曲或脱离定位基准。夹紧力主要用于保持工件装配的相对位置，克服工件的弹性变形，使其与定位支承或导电电极贴合，对于1.2mm厚度以下的钢板，贴合间隙不大于0.8mm，每个夹紧点的夹紧力一般在300-750n范围内；对于1.5-2.5mm之间的冲压件，贴合间隙不大于1.5mm每个夹紧点的夹紧力在500-1500n范围内8。3.5.3 装焊夹具的设计精度取决于车身产品分总成的装焊精度 车身产品零合件的精度取决于车身产品冲压件的自身精度和装焊夹具的制造精度。只有两者的精度得到保证，在调试及生产中才能提高夹具的操作性和产品的质量。在车身焊接分总成出现超差时，工艺人员才能容易地对夹具、冲模的各环节进行协调修正。根据夹具中各部分所起的作用不同，其制造精度也不尽相同。定位部件应有较高的制造精度；夹紧部件、底座则应有足够的强度和刚度。故在设计中所选用的定位导向板、支承板、定位销等部件制造精度的要求较高，而设计的底板、角支座均有较高的强度和刚度。在本夹具设计过程，定位销位置精度要求控制在0.02mm以内，定位销表面淬火处理，硬度hrc 4045。定位型面、底座等位置精度控制在0.02mm，定位板、压头厚度不小于19mm，挡块表面需要热处理，硬度hrc 4045。3.3 定位销、定位块三维可调原则微型车前围总成零件的外形尺寸大，定位元件及夹紧压头形状复杂，制造难度大，很难做成整体结构，是由一个个部装、定位板、定位块及压头块构成，保证车身表面的空间形状及车身骨骼精度，这些部装在装配时，调整工作量比较大。由于冲压零合件孔位精度状态往往不稳定，如果将定位元件做成一个整体结构，在生产过程中存在冲压零合件无法落料的风险，因此，在设计前围总成夹具过程中，我们要求定位销、定位块等定位元件三维可调，保证在x、y、z三个方向上均可以调整。通过增加垫片调整y方向。通过增加垫片调整x方向。螺母调节定位销z方向。图3-2 定位元件三维可第4章 夹具的主要设计流程及参数4.1 目前焊接夹具的一般设计流程建立零件总成装配文件调入总成图零件文件设计零件定位方式通过草图或建模绘制定位部件完成所有零件定位部件绘制连接板等辅助零件检查部件之间是否干涉设计拼台，基板检查焊枪是否干涉完成夹具控制系统的安装完成部件二维图纸准备结束是否是否4.2 一套完整夹具包含的内容和主要的定位方式4.2.1 焊装夹具组成汽车车身焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴，尽管各类车身焊接夹具的结构形式、复杂程度和零件数量不同，但按功能来分，车身焊接夹具通常由工作零件、夹紧器、固定零件、辅助零件组成，如图所示（图4-1）301：h支板302：l支板303：安装版304：连接块305：销座306：定位销307：定位块308: 定位块309：压转臂310：连接板701：气缸图4-1 夹具零件的结构图表4-1 夹具零件的属性组成结构信息零件信息属性值工作零件夹紧器链接零件辅助零件定位快压块定位销夹紧气缸连杆连接板压转臂限位块支座垫片螺栓、基准销l型、u型l型、u型圆形、菱形工作行程、缸径铰支点距离安装孔间水平距离、垂直距离安装孔间水平距离、垂直距离孔数、垂直距离高度长度、孔数、孔距、厚度直径、长度(1)工作零件：与车身零件直接接触的零件，是夹具的核心零件，它确定被装配薄板件在夹具中的位置，从而保证被装配的薄板件间相互位置符合技术要求，有时还直接确定焊接结构的外形。工作部件主要有三类：定位块定位车身型面：压块夹紧定位面；定位销定位车身的孔，一般压点的数量n 定位点的数量m，且压块与定位块是一一对应的。定位销的安装与车身零件上孔的位置是相适应的。(2)夹紧器：实现夹具的夹紧动作，由气缸或手动夹紧器驱动，保证定位元件与薄板件紧密接触，同时保证薄板件在焊接时位置不会应焊接和装配受力而发生变化。根据零件断面结构及设计要求不同，可以分为一节旋转销式、两节旋转销式和手动四连杆式三种。(3)固定零件：用以承装工作零件和夹紧器，或使夹具安装固定在工作台上，是夹具安装和检验的基础。这类零件通常做成标准化结构，供设计者根据需要进行合理选用，可以分为固定式、旋转式两种10。图4-2 基板 (4)辅助零件：紧固连接或完成辅助功能的零件，通常是国标件和按照行业标准设计企业标准件。按各部分的名称来分，车身焊接夹具通常由定位块、压块、定位销、夹紧气缸、连杆、压转臂、限位块、支座、垫片、螺栓、基准销等组成。夹具设计中对同一零件可能有不同的结构形式，如定位销分为固定销、移动销几种，其中移动式有旋转、直线移动等种类（图4-3）。图4-3 固定销、移动销和旋转销4.3 夹具零件目前的行业标准化建库为适应汽车改型快、研制周期短的发展要求，在进行夹具的具体结构设计时应尽可能多的采用标准化元件。在焊装生产线的设计中，大量系列化的标准件的使用，可极大缩短生产线的设计与制造周期。4.3.1 基板基板一般由槽钢与钢板焊接而成，槽钢多采用10#、12#、14#、16#、20#、25b#等，钢板厚度多采用t=20mm或t=25mm。对于小夹具或滑台等可采用t=30-40mm的钢板焊接而成，对于总拼接夹具以及顶盖焊装夹具，其滑台及支架可采用矩形方管与钢板焊接而成。基板的设计尺寸应充分考虑加工工艺性，以及吊装、运输等方便性。对于本套夹具基板只需要加工顶面，宽度500mm长度1400mm，设计作业高度800mm,base高度400mm（图4.4）基板厚度选取t=20mm的板料。作业高度800mm图4-4 基板示意图安装要求台面应处于水平状态（工艺设计要求倾斜放置的除外），安装时用测量仪、水平仪或透明胶管灌水检查校水平。多台连线安装的夹具（特别是采用举升自动搬送的装置），同轴度和水平度、节距应符合设计要求。4.3.2 l板及h腿l板是固定在基板或h腿上的，用以连接支板、夹紧臂及定位块等专用支座。其高度自100mm至500mm之间，每个50mm划为2类9种规格，已形成标准。（图4-5）h腿支架l板图4-5 工件与基板面尺寸较大时需要在l支板与基板之间使用h腿安装要求采用高强螺栓与台板连接，并配定位销定位，同夹具组件的连接也应采用高强螺栓连接，并配定位销定位4.3.3 安装板工艺要求安装板大部份都为非标准件，其本身并不直接定位工件，板的材料一般使用q235a，依据合同及技术协议其厚度分为16mm及19mm两种规格。为了方便气缸的摆动以及防止与气缸碰撞其吊耳处应适当去除。（图4-6）吊耳处应适当去除图4-6 安装板4.3.4 定位块及压头标准定位块毛配已经成为标准件，常用的高度可以划分为三种规格50mm、70mm、90mm,（但根据车身零件的不同可以调整），宽度已经形成标准可以化为两准规格16mm、19mm。材料常常采用45#使用数控加工，表面发蓝。表面加工成型后表面高频淬火hrc38-42。(图4-7)图4-7 定位块4.3.5 夹紧臂夹紧臂手动夹紧机构在普通加紧单元中夹紧臂夹紧力不得小于300n，当夹紧单元为双级夹紧臂时，第一级气缸直径为63mm,第二级汽缸直径为50mm,此外，当夹紧单元为双加紧臂且分为支板和夹紧臂时，支板侧汽缸直径为63mm，夹紧臂侧气缸直径为50mm。（图4-8）图4-8 压臂安装要求u型限位块付（凸凹组件）的安装，u型槽侧面和安装部位侧面间隙0.05mm，用高强内六角螺栓可靠紧固，凸凹组件啮合时不能产生碰撞（不能有异响），止动面间隙0.1mm，用手推动夹紧臂（或摆臂）凸凹组件不能有错动；夹紧臂（或摆臂）应有足够的强度，夹紧状况下不能产生弯曲变形；气缸（或手夹）的夹紧力（气压、节流阀、缓冲阀或调节螺栓）应调整合适，夹具动作应柔和，没有明显异响，工件夹紧部位不能产生明显压痕或变形；夹紧工况下工件用手不能搬动，夹紧臂用手不能晃动。注：u型限位块付配合间隙用塞尺（厚薄规）检查。4.3.6 垫片垫片一般与定位块配合使用，因为catia设计中所有设计都为理想状态，夹具的零件在机加工中会出现误差，安装中也会出现误差，零件在冲压过程中也会出现偏差，这些误差都是不可避免的，所以在安装的过程中需要使用三坐标测量仪测试每个点的绝对坐标后，通过增减垫片调整坐标误差。垫片厚度一般有两种规格t=0.5mm及t=1.0一般而言一组垫片的厚度为3mm,有四片垫片组成（0.5+0.5+1.0+1.0=3mm），宽度配合定位块的尺寸，宽度分为两种规格16mm及19mm。长度垫片主要的有两种规格，长度为50mm，25mm。垫片的加工一般采用多板料焊接后采用线切割的加工方式10。（图4-9）图4-9 垫片的标准4.3.7 定位销定位销是定位车身部件的重要方式，一般定位销与白件的孔配合，定位销的直径一般比工件相应孔减0.2mm-0.5mm,形状根据工件上的空的形状，长度一般首先保证伸出工件5-10mm,长度一般选取为15mm、20mm、25mm三个系列，尽量选用长度大于20的长销。定位销的材料一般选用45#钢，前部高频淬火，硬度为hrc42-45，发黑处理，表面粗糙度要达到0.8。定位销的安装一般要与销座配合，销座的尺寸长度根据夹具尺寸的需要，宽度与定位块类似16mm，19mm。销座的使用一般要考虑到是否与工件干涉，如果遇到干涉可以改变销座尺寸或通过倒角。（图4-10）伸出零件9mm伸出零件9.00mm防止干涉倒角处理图4-10 销与销座4.3.8 螺钉与基准销夹具安装中使用的螺钉一般为内六角螺钉，为了方便安装直径尽量选用统一的标准。基准销一般选用圆柱销，长度一般大于20mm，直径为8mm。安装要求定位销一般分为固定式和活动式两类。固定式安装时一般用陷钉锁紧，让其不能活动；活动销作业时能往复伸缩，以方便工件装卸，一般采用气缸（气动）或手推夹（手动）作动力，安装时径向摆动量应0.2mm；销的工作段和导向段的表面硬度和粗糙度，应分别在hrc52和0.16以上，活动销导向孔应配有石墨铜衬套，以减少销的磨损和方便维修保养。第5章 夹具中的结构5.1 手动夹紧器四连杆机构10手动四连杆机构(图5-1a)是利用四连杆机构自锁的原理来实现对工件的夹紧，如图5.1b 所示为四连杆松开状态，通常由一限位挡块来限制ab绕a点向下继续运动下去，此时机构打开角度最大。当推动手柄ab 直至四连杆运动到图5.1c 的状态，即ab 运动至垂直位置，由压杆cd 的结构形式将限制ab 的运动，此时压杆cd 将工件压紧，此时夹紧力最大，且机构处于自锁状态，只有对手柄施加外力产生力矩，才能破坏机构自锁,使夹紧件松开。图5-1四连杆机构结构及其机构简图5.2 一节旋转销结构摆动导杆机构一节旋转销结构是最简单、最常用的车身焊装夹具运动机构，如图5.2 所示。夹紧气缸活塞杆的直线运动推动压转臂绕a点的旋转运动，同时气缸绕连接板上的旋转支点b点转动，其运动机构可以简化为一摆动导杆机构。ac1b是气缸压紧状态即活塞杆伸出时的状态，ac2b是气缸打开状态即活塞杆缩回时的状态。当气缸缩回时，bc2沿活塞杆方向的距离为定值97，则图5-2 一节旋转销结构及其机构简图bc2= =103.12为固定值。bc1取决于气缸的行程s，假设气缸的工作行程为s ， 由于气缸压紧时需预留5mm 的行程来保证气缸的输出力， 则bc1=。由于压转臂绕a点旋转，所以ac1=ac2 ，c1ac2为压转臂的打开角度。假定c1ac2=,a、b之间的水平、垂直间距为x 、y ，则ac2= ac2=-arctan-arctan-arccos=-arctan-arctan- arccos 它是焊装夹具设计中要确定的一个关键变量，决定了气缸行程的选择。它的值必须保证夹具处于打开状态时，焊接件上、下料有足够的运动空间。夹具设计过程中，选择合适的a点位置及气缸行程，保证夹具合理的打开角度。各点位置的优化选择已有一些优化的计算机辅助设计，能有效地减少设计中的反复调整过程，大大提高效率。5.3 气动加紧机构及气缸的选取本轮罩工位采用气动夹紧机构，需选择合适的气缸类型、缸径等。气动夹紧是利用工业压缩空气为动力来夹紧工件，其夹紧力大小为：由杠杆平衡原理有： （5-1） (5-2)式中 t-夹紧力，n p-实际使用气缸压力，mpa f-气缸作用力，n d-气缸缸径，mm图5-3气缸示意图夹具设计中，一旦选定气缸，的比值就决定压块的夹紧力。一般应保证定位型面