HF3型车门左边框焊接总成的自动焊接装置设计

摘 要大多数焊接工装是为某种焊接组合件的装配焊接工艺而专门设计的，属于非标准装置，往往需要根据产品结构特点、生产条件和实际需要自行设计制造。本次车门焊接夹具的设计亦不例外。焊接工装设计室生产准备工作的重要内容之一，也是焊接生产工艺的主要设计内容之一。对于汽车、摩托车和飞机等制造业，可以毫不夸张的说，没有焊接工装夹具就没有产品。通过在工艺设计时提出所需 要的工装类型、结构草图和简要说明，在此基础上完成详细的结构和零件设计及全部图样。工装设计的质量对生产效率、加工成本、产品质量以及生产安全等有直接影响为此，设计焊接工装时必须考虑实用性、经济性、可靠性和艺术性等。在夹具设计和制造过程中，普遍存在尺寸链为题。在把零件组装成装配体的过程中，也就是将零件上有关尺寸进行组合和积累。由于零件尺寸存在制造误差，因此装配时也就会有误差的综合和积累。积累后形成的总误差将会影响机器的工作性能和质量。这就形成了零件的尺寸误差和综合误差之间的相互影响关系。因此合理地确定零件的尺寸和形位公差显得尤为重要。关键词：汽车；结构设计；轿车车门；夹具设计；焊接工装；is to to to of is no of is a of it is no to no is no of to on on of so In of it is so be a is 摘要第1章 绪论3第2章 车门焊接夹具及焊接技术的研究接夹具的概述 11第3章汽车车门的三维夹具设计 16第4章工作站的生产能力分析 对车门三维夹紧设计的重要零部件进行分析和强度校核本章小结 23总结25致谢 28第一章绪 普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化工具。没有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。中国汽车工程学会理事长张小虞对中国入世五年带给中国汽车的影响时表示，国内汽车的产量在入世的5年内增长了3倍，中国在全世界汽车产业的排序从过去的第8位上升到前3位。中国已经成为汽车产业大国。要想迈入汽车产业强国行列，我国汽车工业必须努力打造自主品牌、加速技术创新、提高自主知识产权的比重、调整产品结构、促进产品创新和管理机制创新，从总体上提高我国汽车行业的制造水平和能力，增强汽车行业的国际竞争力，加速我国汽车行业的国际化进程。（1）良好的车身结构给驾驶员和乘客提供了安全的架乘空间。在发生事故时，车身相关部分能充分吸收撞击的能量，降低人员所受的冲击。因此，车身焊接技术十分重要，它是提高产品质量和生产效率的关键。车身装焊夹具也正是保证其焊接高质量的关键焊接夹具属于焊接工艺过程的辅助装置，在汽车车身大批量生产过程中，该装置是必不可少的。它不仅可以提高焊接生产率，而且也是保证焊接产品的尺寸精度及外观要求的重要装置。焊接夹具没有统一规格和标准化，属于非标准设计和制造的工艺装备，要根据具体车型的结构特点、生产条件和实际需求来自行设计与制造。因此在汽车制造过程中汽车焊装工艺和焊接夹具的设计变得尤为重要。本设计为了缩短夹具设计的周期，提高设计精度和设计效率将直接利用对整个产品、指定的子系统或零件进行可视化装配分析、检测从而促进产品的性能优化。与传统二维设计相比，利用软件所提供的虚拟装配功能，能实现不通过实际生产调试就可在设计过程中检测出零件存在的问题大大降低的成产成本（2）。造企业的战略由资源经济向知识经济转变。20世纪60年代制造企业追求的是扩大生产规模，70年代是降低生产成本，80年代是提高产品质量，90年代则是进一步加快市场响应速度，21世纪随着知识经济的到来，技术创新成为企业发展的灵魂，企业必须同时具备时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力和创新竞争能力才能赢得市场。虚拟制造（发展适应了时代的要求。虚拟制造又称拟实制造，它是实际制造过程在计算机上的本质实现，即利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个制造过程，从而对产品的设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务做出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制能力。可以看出，虚拟制造并不是真实的制造过程。它不产生真实产品，不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型实现制造的本质过程。从虚拟制造概念的提出到迄今为止，它已成为世界各国科技界、企业界研究的热点。世界上许多国家都将虚拟制造看作是21世纪制造业变革的核心技术之一，纷纷从不同方向开展研究。美国拖拉机公司用虚拟设计方法代替常规设计方法，把原来从设计到定型所需的6且允许用户在虚拟环境下观察试验（并在1993年获得虚拟环境应用奖。近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，已开展了很多研究工作，据不完全统计，目前全国已有几十家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术方面的研究。国家863/题也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。如今，随着先进的计算机理论和技术的不断应用，虚拟制造技术取得了的显著发展，虚拟制造技术的应用成为汽车制造业提高竞争力的重要技术手段（3）。般采用自动流水线制造设备，这可称为刚性自动化（式。自动流水线设备的价格通常相当昂贵，如果要改变产品的品种，自动流水线需要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大，柔性制造系统的出现改变了这一状况。由于柔性技术具有较高的生产率和对产品及市场的应变能力，使其在制造领域得到了广泛的应用，尤其在英国、美国、日本、德国等工业化国家，柔性焊装夹具在国外已成为车身生产线的主要方式，结构上多采用贯通式焊装生产。贯通式焊装生产是指工件的定位夹具系统与工位间输送系统呈分离状态，其功能是将工件移送至下一工位。目前对柔性夹具的设计主要是对于传统夹具的创新研究，这类夹具有两种：统的槽系组合夹具的突出特点是组装灵活多变，使用可靠，尽管它有好的柔性，但是配套元件多而且元件加工精度极高，尤其是夹具装配和调整时间长，初置费用高，生产厂家很少采用，逐渐被冷落。是最新发展的柔性夹具，它与传统的槽系组合夹具原理相同只是元件结构和组装方式不同。该系列元件因其结构简单，以孔定位，螺栓连接，定位精度高，刚性好，是现代柔性夹具的主流。使用孔系组合夹具可以大幅节省夹具的设计制造工时，缩短生产准备周期，节约钢材，经济效益十分显著。装焊夹具的柔性设计是夹具设计方面需要解决的关键问题，对于现有焊接夹具创新研究的同时，也要在夹具原理和结构方面进行创新研究，寻求原理、结构方面的突破。为此本设计将采用孔系组合夹具来提高焊装夹具的柔性化（4）。对其工装的设计过程，方法及工作远离进行分析，计三个工位的焊接夹具，各工位的焊接夹具工作既可以相互独立，也可以有序预约，使操作者操作便捷，准化，清晰第二章 车门焊接夹具及焊接技术的研究一个车门的制造过程为：冲压，凸焊，点焊，弧焊，包边等，而点焊又是其中的重中之重。为了达到以上强度，刚度及精度方面的要求，在点焊过程中使用一副可靠的焊接夹具是极其重要的。在焊接生产过程中，焊接所需要的工时较少，而约占全部加工工时2/3以上的时间都是用于备料、 装配及其他辅助工作。 因此， 必须大力推广使用机械化和自动化程度较高的装配焊接工艺装备。焊接工装夹具的主要作用如下：（1）准确、可靠的定位和夹紧，减小制品的尺寸偏差，提高零件精度和可换性。（2）有效地防止焊接变形。（3）使工件出于最佳施焊部位，焊缝的成型性良好，工艺缺陷明显降低，焊接速度得以提高。（4）扩大先进的工艺方法的使用范围，促进焊接结构的生产机械化和自动化的综合发展。如下图:。接夹具的概述装焊夹具概述把冲压件在一定工艺装配中定形、定位并夹紧，组合成前围组件、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。装焊夹具没有统一规格和标准化，均属于非标准设计和制造的工艺设备，是根据具体各车型的结构特点、位元件形状复杂。车门装配焊接夹具由于车门零件大多是三维空间曲面的冲压件，他们不仅形状复杂，而且刚性差，易变形。在夹具中定位时往往要合理的取前围某特定的曲面、孔作定位面、定位孔，定位孔的首选应是产品图的基准孔，多是三维空间曲面尺寸较大装焊夹具的定位往往采用过定位的设计以保证在装焊部件时的正确性，尽量减少车身焊接时产生的焊接变形；车车身装配焊接夹具中的夹紧装置通常采用手动与气动装置，大部分采用气动夹紧装置。夹紧装置的位置与结构设计需合理、精确、牢靠；动作的程序设计需准确、简捷。虑定位、定位装置、夹紧装置、输送装置及焊枪、焊钳之间的干扰问题。设计人员必须充分考虑冲压件装配焊接前后取出等一系列的干涉问题，如定位装置、夹紧装置之间的干涉；焊枪、焊钳与定位装置、夹紧装置之间的干涉5。此，此次装焊夹具的设计必须达到以下要求：（1）保证焊件焊后几何形状和尺寸精度符合图纸和技术要求；（2）使用时安全可靠，凡是受力的各种器件，都应有足够的强度和刚度；（3）便于施工和操作，定位、夹紧和松开应省力而迅速，夹具应使装配和焊接过程简化，操作顺序合理；（4）容易制造和便于维修；零部件应尽量标准化、通用化，易于加工制作； 易磨损件要便于更换；（5）降低夹具制造成本，尽量使用标准件。此次所焊接的车门为哈飞左前门部件，设计了其中点焊的第一道工序的夹具，选用的焊接设备为悬挂式电焊机，选用的焊钳为次设计所全程使用计的过程中参考了一些点焊工艺方面的书籍，也参考了诸多焊接工装方面的书籍，采用了一些知名企业的焊接工装标准，借鉴了现有的车门装焊夹具。以上种种都让我收益颇多6虑到本地人的平均身高，将夹具的夹紧时的高度定为 1000方 便取件并考虑到夹紧机构力臂受力足够，夹具打开的最高的高度为1的前后方向为的宽度方向为直于地面的方向为直零线在前壁板前方距离车体2000平零线位于轮胎下方距离车架顶部500体中心线为y=0的平面，左边为负，右边为正。考虑到车门整体呈扁平状，并且为方便焊接操作，将零件的摆放方式定为车门按车身坐标来摆放，为要把夹具的各种元件、机构装置连接成一个 工件外形整体。夹具 轮廓尺寸及加工条件等。设计夹具1）足够的强度和刚度；（2）结构简单、轻便。在保证强度和刚度的前提下结构尽可能简单紧凑。（3）安装稳定可靠。（4）结构的工艺性好，便于制造、装配和检验。（5）尺寸稳定且具备一定精度。（6）清理方便。由于夹具底板要承受相当重的重量，综合考虑结构合理性、工艺性、经济性，标准化等，为保证夹具的刚度和强度，夹具的材下面用槽钢支撑，槽钢选用热轧普通槽钢，代号为70714b。槽钢在两个垂直方向呈网状搭接，槽钢与后经过退火处理以消除焊接应力。槽钢靠近地面的底部焊接5个支脚底座。脚通过螺栓与（孔，面定位）保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。(1)工件的定位原理自由物体在空间直角坐标系中有 6个自由度，即沿 Y，向的平动自由度和三个绕轴的转动自由度。 要使工件在夹具中有确定不变的位 置，则必须限制六个自由度。工件的六个自由度均被限制的定位叫完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形，有些自由度是不必要限制的，故可以采用不完全定位的方法。在焊接夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制一 个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度。但是在大的钣金件中，为了保证焊接不变形和保 护工件不受外力压垮，常常需要多设置若干定位加紧。以下说明钣金件的典型定位方式。一个钣金件由一个主定位孔和一个副定位孔及三个定位面进行定位。定位原理如下图所示。圆形（副定位孔，为了 ；形状呈腰形（定位面。，限制x，合 个制板件 以综上 限制 板件两个自由度，此，板件得以完好定位。紧方案夹紧机构的三要素是夹紧力的方向、夹紧力作用点、夹紧力大小。对夹紧机构的基本要求如下：（1）夹紧作用准确，出于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。（2）夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损害零件的表面质量。（3）夹紧件应具备一定的刚性和强度，仅仅作用力是可调节的。（4）结构力求简单便于制造和维修。一般的，夹紧与支撑成对存在，即假如一个零件的一边为支撑面，该零件 的另一面有一个配对的夹持面。本夹具采用的夹紧方式出于夹紧状态时，表面作为 2用螺栓紧固在压爪上，下表面作为 爪通过铰链1与气缸的耳环相连，通过铰链 2与连接板相连。气缸通过铰链3与连接板相连。如图:爪及 着铰链2的中心沿着弧线旋转。当夹紧时，压爪及着铰链2的中心沿着图示弧线向下旋转，当气缸出力过大使 行程过大而压坏工件时，限 位块起着限位作用。此处的气缸选用于钣金件，要使焊接时能够可靠压紧，对于厚度紧力F50于厚度30据杠杆原理计算可得出压爪不一超过种夹紧方式能够满足以上四种基本要求。（典型的夹紧机构气缸选用。量及位置确定连接板用螺栓固定在 支座用螺栓固定在 上。一个 L 支座就叫做一个数量及位置取决于定位销位置数量及 保证工件平衡稳定，所以般的每隔400，的数量也大致为每400是接操作和焊后取件。以下为本夹具的 据以上各零件的定位信息，确定了 C 块。固定两对支撑夹紧块。 方便气路分别控制不同的动作，将、3、4、5、6、9、10中的列的薄型气缸为以只需要紧固方案本夹具典型的紧固方案如下图所示。所有的紧固方式必须采用两个销钉和若干螺栓紧固的方式。有两个销钉孔，两个零件的销钉孔中插入销钉实现定位，定位后再用螺栓紧固。在两个被紧固的零件之间必须加一垫片，以保证后期的可 调节能力，垫片的厚度为 5固件要求为高强度内六角螺丝，性能等级为 。L 支座的与之间的紧固采用 内六角螺丝；连接板与 L 支座之间的紧固采用B？）；钉必须是是新的带有螺纹的孔，以便在需要时取出。位销 握夹具的作用,掌握焊接夹具的特点和要求,的形状大致与车门形状相似，这样在工作的时候可以防止车门零件被磕碰。采用材质为 制造时选用如图示的右下角的基准孔为基准。用 于安装个图:钢支架槽钢选用热轧普通槽钢，代号为 70714b。槽钢在两个垂直方向呈网状搭接，槽钢与后经过退火处理以消除焊接应力。3）支撑支撑底座焊接在槽钢支架上。下方的支撑有不同直径的圆钢和螺母焊接而成。位销固定在销座上，固定方式为挡销限 位。销座通过螺栓和垫片与适配块连接。适配块通过螺栓和垫片与连接板连接。由于连个垫片垂直，所以定位销具有双向调节的能力。（1）定位销位销定位处的直径 D=位销的公 差为0/位销采用的材料为20求渗碳处理，火处理至2，销子的锐边需倒钝，定位销做表面氧化处理。定位销于 底层的车门内板上的孔为一过孔直径为 12个孔的中心在同 一直线上，该直线与 下至上，该处窗框加强件与皮带内侧加强版之间的距离为 定位销A 可设计为台阶销，台阶的下级作为皮带内侧加强件的主定位销，台阶的上级作为窗框加强件的副定位销。其定位方式如图2）定位销B，定位销 直径为孔直径最 差为0/（3）销座 销座用于固定定位销，由于定位销下部有一锥度，当一个销钉卡住定位销的锥面时，将定位销限位。销座上有销钉孔和螺纹孔，可以固定在适配块上。（4）垫片 垫片为本夹具的通用规格。垫片起调节作用，其基本形式为 3个相同大小的孔，螺纹孔和销钉孔直径大。垫片厚度为5片材料为面磨光氧化处理。（5）适配块 适配块用于固定销座。并且在两个方向上设有销钉孔和螺纹孔，这样可以在两个方向烧伤安装垫片，以实现单独的双向调节能力。适配块的材料为）连接板连接板用于固定适配块。连接板固定在 接板上设有一组用于与基本形式为两个销钉孔用于定位，四个螺纹孔用于紧固。两个销钉孔之间的公差为接板采用的材料为 面磨光氧化处理。（7）材料为造制作要承受较大的力，所以采用加强肋的形式。铸造后需机加，总高度有425、40530、3005005同规格的余均为相同尺寸。高度为330支座基本形式与总体高度为250C 块 1。 基本形状为 L 型，应尽量避免异形。的材料为要求夹紧面的形状精度较高，夹紧面与的主体面存在一定角度。具体的外形尺寸及技术要求见附图其支撑面的形状精度也较高，支撑面与体的外形尺寸及技术要求见附图位块公，限位块母 限位块起限位作用，限位块公用螺栓紧固在压爪上，限位块母用螺栓紧固在连接板上。当压爪向下压时，限位块公作用在限位块母上，从而防止气缸行程过大而压坏零件。限位块的外形尺寸及技术要求见附图爪臂。压爪臂由一个臂块和侧边两个小件组成。 臂块末端用于连接气缸末端的耳环，组成铰链。侧边两小件与连接块连接组成另外一个铰链。侧边见与臂块采用焊接的方式连接在一起。焊缝高度为5，焊后应打磨使焊缝光滑，焊后需失效消除应力。连接板的外形尺寸及技术要求。连接板连接板的外形尺寸及技术要求见附图 05规格。连接板的外形尺寸及技术要求见附图爪臂为异形。接板为异形。垫片、适配块与之前所用的型号一致。定位销定位销 C 同定位销 于该销所处的环境与定位销 计为台阶销形式，其零件图见定位销位销于腰形孔的直径为 20其形状与定位销零件图件定位销块。样使 轴方向的调节能力。紧固原理仍为两个定位销定位和一颗螺母紧固。用于支撑，用于夹紧。其中个接板连接板为异形连接板。由两片型板焊接之后进行机加。其外形尺寸及技术要求。压爪臂压爪臂为异形。由两片型板焊接之后进行机加。其外形尺寸及技术要求见。设有一对支撑夹紧。 限位块、 垫片为通用规格。 支座高度为425连接板规格与爪臂的外形尺寸及技术要求见。于此处有两对支撑夹紧，且空间位置相对狭窄，所以可以将支撑块可以设计为两个支撑面的形式。这种异形的支撑块为平板线切割到所需形状后焊接而成。夹紧块也有一个为异形。在上臂设有两个压紧 。连接板与 支座高度为 405片、限位块为通用规格。支座的高度为330于此处压爪臂叫长，因此制造时需保证零件的额强度、刚度。淬火处理之 爪臂及 面定位两种,夹紧机构有手动,气动两种夹紧方式,承座是整个夹具的基础,起支撑,定位作用,上下限位块限位作用, 防止夹具在夹紧时由于操作失误将工件打坏,压紧块和支撑块同时使用,起型面定位作用,定位销主要用来进行孔定位,过渡板是支承座和其他部分的过渡,一般所有的定位元件和夹紧元件都安装在过渡板上,调整垫一般厚度在3来精密调整在该方向上的距离,过渡快在这里用来连接定位销,加上调整垫的作用,汽缸的带动下,此这里的典型结构不是实际设计的夹具,件的结构和连接方式的设计应该以图3本章小结利用主要夹具各零件的作用详细阐述。对典型夹具设进行计第四章 工作站的生产能力分析根据以上工艺分析及工艺流程安排，机器人成3个工序焊接。算依据如下:焊缝总长以资料求得。机器人焊接时焊接速度300mm/转时间 为2秒。设备运转率85%。设备运转率考虑了系统维护、维修、更换气体、焊丝、更换钨极等因素。每年工作251天,设备利用率按85计算。人工装卸件时间37s/件。气缸翻转时间5S,工位的位置变换时间15s/次（含机器人空跑换位）。变位时间：60/3秒。生产能力计算如下：具工序序序022005#夹具工序序序5 530000#夹具：工序序序32 总焊接时间 40500知材料为08b =公式4A （4这里我们选用过08为零件的夹紧力的目的是为了保证工件定位精度,所以在保证工件夹紧的状态下就可以进行焊接,通过向导师和工程师的了解该受力采用200以下面根据夹紧机构的原动力计算公式求得夹紧机构的原动力:02 11107 1200 503 j 式中: 0 )4 14 503 0D m 汽缸拉力 2 2 242 06 4174F D d 式中: 以忽略不计)2表示打开状态时活塞杆顶点的位置,压紧臂的旋转中心点,时汽缸绕此该机构运动简图为中一固定值, 2 22 97 35 于压紧臂绕此实际大小由压紧臂的设计尺寸决定,设汽缸伸出行程为60,则 2 21 (97 60) 35 ,此时 1 2C 机械设计手册查的该汽缸尺寸为5080结构钢为的弯曲强度条件是梁内截面上最大弯曲应力是否超过材料的许用应力 式中 23 32 362 200 107 10 3 0 30 10 0 66 0Mb mM 与 所以满足其强度条件我们对驱动四个夹紧臂的汽缸进行选择,根据经验知道每个夹紧点200么通过夹紧臂输出力就应该为800N,那么根据力夹紧机构的原动力计算公式求得夹紧机构的原动力:02 11j l 215 1800 2890 29470 式中: 0 )我们根据所求的夹紧机构原动力来确定汽缸的缸径D:1 64 4 2890 0FD pD m 通过机械设计手册查的汽缸的内径趋于100以确定汽缸尺寸为100 2 2 242 06 36804F D d 式中: 以忽略不计般工厂供压为5个标准大气压)由三维模型的建立和仿真测量求得该汽缸的伸出行程为70么由机械设计手册我们查的汽缸100*100度都满足设计的要求我们通过果显示各零件的体积和表面面积主惯性力矩等方面参数,过对这部分进行计算机三维的运动仿真对这部分夹紧机构全局干涉检查,结果表明与传统二维设计相比,利用软件所提供的虚拟装配功能,可通过改变汽缸的装配约束状态模拟旋转臂的打开过程,从而快捷的检测出是否存在干涉,上下料是否顺畅等问题,克服了传统二维设计产品报废率高,艺要求就是机械制造的中非常重要的组成部分。本节将在上节的基础上，系统的分析本研究中的工艺要求。材料方面：支撑座的材料一般为铸铁；销的材料为40紧块和支撑块等定位零件用45号钢；其他元件一般是用；调整垫厚度为3他元件厚度一般为16先使用16件制作工艺方面：件的定位面要经过调质边倒钝和表面氧化处理；一般元件只需经过锐边倒钝和表面氧化处理；螺纹孔与螺纹孔，螺纹孔与销孔之间的中心距尺寸公差为孔与基准面之间的尺寸公差为孔与销孔之间的中心距尺寸公差为孔的尺寸公差为接工艺要求：焊缝高度为5缝总长度不小于焊接总长度的一半；焊缝平整光滑，不允许有夹渣、气孔等焊接缺陷,焊后必须经过实效处理。章小结详细计算出三个焊接工作台的每一个生产节拍, 对车门三维夹紧设计的重要零部件进行分析和强度校核结 论本设计首先分析了汽车驾驶室的特点，指出了焊装夹具在汽车整车生产中的重要地位，然后对其装焊夹具进行了设计和研究，指出了装焊夹具的特点为：设计复杂、过定位的设计结构、采用气动夹紧装置、应克服元件间的干涉干扰问题、专用性强。因此，装焊夹具的设计必须具有正 确的工艺保证和合理的设计程序。装焊夹具设计的最终目的是为了焊接，所以，本文对焊接技术进行了研究，重点对点焊在白车身焊接领域应用范围最广泛的焊接技术进行了研究分析。本设计的主要设计路线为通过三位软件直接对焊接夹具进行建模，在建模的过程中对不符合的要求的零部件及时的进行更改。并进行运动仿真和整体的干涉校核。基于的三维模拟设计以其生产成本低、设计周期短、产品报废率低等经济优势逐步取代了传