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车辆工程毕业设计25HF3型车门左边框焊接总成的自动焊接装置设计.doc
车辆工程毕业设计25HF3型车门左边框焊接总成的自动焊接装置设计
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车辆工程毕业设计论文
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车辆工程毕业设计25HF3型车门左边框焊接总成的自动焊接装置设计,车辆工程毕业设计论文
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1 目 录 摘 要 . I Abstract . 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 . 1 1.1 结 论 . 致 谢 . 参考文献 . 附 录 . nts 2 第一章 绪 论 1.1 课题的背景及研究意义 汽车是数量最多、最普及、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 catia 软件进行三维设计。 Catia 软件可以构建整套夹具的全数字化模型，可对整个产品、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 Pro/E 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）。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 虚拟制造技术的应用和发展 从 20 世纪 60 年代起至今，制造企业的战略由资源经济向知识经济转变。 20 世nts 3 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（ Virtual Manufacture）的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 6-9 个月时间缩短到不足 1 个月时间，而且允许用户在虚拟环境下 观察试验（ Field Test），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/CIMS 主题也将 “ 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）。 1.2.2 柔性技术的发展与应用 在 20 世纪 30 年代到 20 世纪 50 年代，一般采用自动流水线制造设备，这可称为刚性自动化（ Fixed Automation）方式。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： 1.传统的槽系组合夹具。传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nts 4 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。 2.孔系组合夹具。这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）。 1.3 课题研究的主要内容 1. 基于产品数模设计焊接组件的加工方案，并对其工装的设计过程，方法及工作远离进行分析，确定定位加紧装置和转动机构的最终设计方案 2. 通过分析拟定必要的保证要求的设计内容： 设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，维护方便 3. 通过分析设计符合实际的焊接夹具 4. 通过分析，对定位加紧装置和转动机构进行了结构的设计 5. 完成二维和三维装配图 6. 要有对相关项目进行理论分析和设计计算 7. 图纸和说明书要符合规范，标准化，清晰 nts 5 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 : 。 车门焊接工作台 图 2-1 2.1 焊接夹具的概述 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nts 6 型的结构特点、生产条件和实际需要来 焊接夹具 图 2-2 2.1.1 焊接夹具的特点 1.车门 装配焊接夹具的定位方式、定位元件形状复杂。 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， 2.汽车 车门 外形复杂，大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； 3.一般情况下，汽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。 4.汽车 车门 装配 焊接夹具设计时要充分分析车身零部件，考虑定位、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。 2.1.2 焊接夹具要求 在汽车车身焊接过程中定位夹紧 保证车身零件之间正确的装配关系 同时保证车身焊接质量及焊接过程顺利 车门焊接夹具的优劣在决定着车门质量。为此，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； nts 7 （ 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 X 型焊钳。 本次设计所全程使用 CAD 技术， 3D 图利用 CATIA 软件绘制，2D 图利用 AutoCAD 软件绘制。设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 2.2 焊接夹具设计方案的确定 1. 夹具高度。 考虑到本地人的平均身高，将夹具的夹紧时的高度定为 1000mm，为方 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 1xxxmm。 2. 摆放方案。 车的前后方向为 x 方向，车的宽度方向为 y 方向，垂直于地面的方向为 z 方向。垂直零线在前壁板前方距离车体 2000mm 处的平面上，水平零线位于轮 胎下方距离车架顶部 500mm 处，车体中心线为 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， ZX 方向与地面平行， 向为 BASE 板的法线方向。 即 y 3. BASE 方案 BASE 是夹具的基本件，它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 BASE 的形状和尺寸主要取决于夹具各组成件的分布位置、 轮廓尺寸 及加工条件等。设计夹具 BASE 时应满足以下要求： （ 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 BASE 板采用厚度为 20mm nts 8 的 Q235 板材或者 Q255 板材，板材下面用槽钢支撑，槽钢选 用热轧普通槽钢， 代号为 GB/T707 14b。槽钢在两个垂直方向呈网状搭接，槽钢与 BASE 板通过焊 接连接，焊后经过退火处理以消除焊接应力。 BASE 板的平面度 0.10。在槽钢靠 近地面的底部焊接 5 个支脚底座。 BASE 支撑采用支脚支撑，支脚通过螺栓与 BASE 板上的支脚底座进 行连接。 BASE 外形需将板件包含在内， BASE 板外形与车门整体外形相一致。 （孔，面定位） 4. 定位方案 定位的作用是要使工件在家具中具有准确和确定不变的位置，在保证 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 OX， OY， OZ 三个 轴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。 H 为主定位孔，呈圆形（ circular hole） 为副定位孔，为了 ； h 防止与主定位孔配合时出现过定位，其形状呈腰形（ regular slot） 为定位面。 ， S H 中插入主定位销（ principle locator）以限制 x， y 向平动自由度，在 h 中插入销 配合 H 中的销可以限制绕 z 轴的转动自由度， 3 个 S 面相当于三个点，限制板件 Z 向的移动及绕 x 轴和 y 轴的转动，所以综上 S 面限制板件三个自由度， H 限制 板件两个自由度， h 限制一个自由度。由此，板件得以完好定位。 如图 2.2-1 nts 9 车门数模 图 2.2-1 5.夹紧方案 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， NC 块 1 的下表面通过螺栓紧固在连接板上，上表面作为 S 面的支撑面， NC 块 2 用螺栓紧固在压爪上，下表面作为 S 面的夹紧面。压 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 :2.2-2 nts 10 焊接夹具 图 2.2-2 当夹紧松开时，压爪及 NC 块 2 通过气缸的力作用，绕着铰链 2 的中心沿 着弧线旋转。当夹紧时，压爪及 NC 块 2 通过气缸的力作用，绕着铰链 2 的中心 沿着图示弧线向下旋转，当气缸出力过大使 NC 块 2 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 SMC 公司的 CK1B 系列耳环式气缸。 对于钣金件，要使焊接时能够可靠压紧，对于厚 度 1.8mm 的钢板，压紧 力 F50kg；对于厚度 30kg。根据杠杆原理计算可得 出压爪不一超过 xxxmm。 这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 SMC 产品 CK1A 耳环式气缸 7。 6 .POST 数量及位置确定 连接板用螺栓固定在 L 支座上， L 支座用螺栓固定在 BASE 板上。一个 L 支座就叫做一个 POST。 POST 的数量及位置取决于定位销位置数量及 S 面的 以保证工件平衡稳定， 所以 POST 位置数量。 一般的每隔 400mm 需设置一个 S 面， 的数量也大致为每 400mm。但是 POST 的布置不能影响焊前放件，焊接操作和 焊后取件。 以下为本夹具的 POST 方案。根据以上各零件的定位信息，确定了 POST 的数量及位置。 POST1 上固定两个定位销， POST2、 POST3、 POST5、 POST6、 POST10 上均固定一对支撑夹紧。 POST4 上固定两对支撑夹紧块和两个定位销。 POST7、 POST8 上的 NC 块为异形 NC 块。 POST9 上固定两对支撑夹紧块。 POST2 、 POST3、 POST4、 POST5、nts 11 POST6、 POST7、 POST8、 POST9、 POST10 上均带有一个 CK1 型的标准夹紧气缸。 POST11 上附有一个 x 方向活动定位销， 此 POST 上有一个 CQ2 系列的薄型气缸和一个 MGP 系列的带导杆薄型气缸。 为方便气路分别控制不同的动作，将 POST1、 2、 3、 4、 5、 6、 9、 10 中的 POST11 中的 MGP 带导杆气缸为组 B 组， POST11 中 CQ2 夹紧气缸确定为 A 组。 系列的薄型气缸为 C 组。 POST7 和 POST8 中的夹紧气缸为 D 组。 如图图 2.2-3 车门POST 图 2.2-3 本设计是汽车前门左边框焊接总成的自动焊接装置设计 所以只需要 POST1 POST2 POST3 POST4 POST5 POST8 POST9 7. 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 5mm。紧固件 要求为高强度内六角螺丝，性能等级为 8.8 级。 L 支座的与 BASE 板之间的紧固采用 M12X25 的内六角螺丝；连接板与 L 支座之间的紧固采用 M10X35 的内六角螺栓（ GB？） ； NC 块与压爪和连接板 之间的紧固采用 M8X40 的内六角螺丝。销钉必须是是新的带有螺纹的孔，以便 在需要时取出。 如图 2.2-4: nts 12 定位销 图 2.2-4 2.3 本章小结 通过对车门焊接夹具的了解 ,掌握夹具的作用 ,掌握焊接夹具的特点和要求 ,确定基本定位方案 . nts 13 第三章 汽车车门的三维夹具设计 本文将阐述利用 CATIA 三维软件进行装焊夹具的设计 3.1 主要结构及零件的设计说明 3.1 .1 BASE 部分 1） BASE 板 BASE 板的形状大致与车门形状相似， BASE 板的大小要超过零件大小， 这样在工作的时候可以防止车门零件被磕碰。 BASE 板采用材质为 Q235-A。 BASE 板上钻有三个基准孔。在制造时选用如图示的右下角的基准孔为基准。用 于安装 L 制作的销孔与基准孔的公差为 0.05 ，同个 L 座下的销孔公差为 0.02 。 BASE 板两个表面的粗糙度为 3.2。 BASE 板朝上的方向的平面度为 BASE 板与槽钢支架焊接成型。 如 图 :3.1 2）槽钢支架 槽钢选用热轧普通槽钢，代号为 GB/T707 14b。槽钢在两个垂直方向呈网状 搭接，槽钢与 BASE 板通过焊接连接，焊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。 BASE板 图 3.1 3.1.2 POST 部分 POST1 上只设有两个定位销，定位销固定在销座上，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nts 14 片垂直，所以定位销具有双向调节的能力。 （ 1） 定位销 A 一般的，定位销定位处的直径 D=孔的最大实体尺寸 -0.2mm，定位销的公 差为 0/-0.10。 定位销采用的材料为 20Cr， 要求渗碳处理， 渗碳深度为 0.81.2mm； 淬火处理至 HRC5862，销子的锐边需倒钝，定位销做表面氧化处理。 定位销 A 作为皮带内侧加强件的主定位销和窗框加强件的副定位销。由于 窗框加强件副定位孔的直径为 8.1mm，皮带内侧加强件主定位孔 的半径为 10.1mm，最底层的车门内板上的孔为一过孔直径为 12mm，三个孔的中心在同 一直线上，该直线与 y 轴平行。由下至上，三层板的厚度分别为 0.7mm， 1.2mm， 1mm，且该处窗框加强件与皮带内侧加强版之间的距离为 0.78mm。故定位销 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 xx 所示。 （ 2）定位销 B，定位销 B 作为作为车门内板的主定位销。其直径为孔直径最 大实体尺寸 -0.2mm，公差为 0/-0.1mm。 （ 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，孔的直径为 9.5mm，比螺纹孔和销钉孔直径大。垫片厚度为 5mm。垫片 材料为 Q235-A，表面磨光氧化处理。 （ 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 Q235-A （ 6）连接板 连接板用于固定适配块。连接板固定在 L 支座上。连接板上设有一组用于与 L 支座装配的螺纹孔与销钉孔，其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 0.02 。连接板采用的材料为 Q235-A，表 面磨光氧化处理。 （ 7） L 支座 L 支座铸造而成，其材料为 ZG20-35。铸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，用于连接的表面粗糙度为 1.6。相对表面的垂直度 要求为 0.03。其总高度有 425、 405mm、 330、 300mm、 250mm、 205mm 六种规格， 不同规格的 L 支座仅有数值方向上的高度尺寸及加强筋的高度尺寸不同， 其余均 为相同尺寸。高度为 330mm 的 L 支座的外形尺寸及技术要求见附图 xx。 POST2 POST2 拥有一对支撑压紧。 POST2 的垫片采用同 POST1 的标准规格。 L 支座基 本形式与 POST1 中的 L 支座一样，其总体高度为 250mm。 nts 15 NC 块 1。 NC 块基本形状为 L 型， NC 块应尽量避免异形。 NC 块的材料为 Q235-A。 NC 块 1 的作用是 夹紧片件，故要求夹紧面的形状精度较高，夹紧面与 NC 块的主体面 存在一定角度。具体的外形尺寸及技术要求见附图 xx。 NC 块 2 NC 块 2 作为起支撑作用，故其支撑面的形状精度也较高，支撑面与 NC 块的 主体面存在一定角度。具体的外形尺寸及技术要求见附图 xx。 限位块公，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 xx。 压爪臂。 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 xx。 POST3 POST3 设有一对支撑压紧机构。其 L 支座选用 205mm 的规格。连接板的外形 尺寸及技术要求见附图 xx。 POST4 考虑到两个 S 面较近，在 POST4 上布置两对支撑压紧， NC 块为 异形，压爪臂 为异形。 POST4 上有两个定位销，连接板为异形。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 A 一样，由于该销所处的环境与定位销 A 完全一样的，设 计为台阶销形式， 其零件图见定位销 A 的零件图。 定位销 D 作为内板的副定位销， 由于腰形孔的直径为 20mm，故其形状与定位销 B 一样，其零件图件定位销 B 的 零件图。 L 块。 L 块用于固定 NC 块，这样使 NC 块具有了 Z 轴方向的调节能力。 L 块紧固在连 接板上，其紧固原理仍为两个定位销定位和一 颗螺母紧固。 NC 块 共有 4 个 NC 块。 NC 块 1,3 用于支撑， NC 块 2,4 用于夹紧。其中 NC 块 3 为异形 NC 块。四个 NC 块的外形尺寸及技术要求。 连接板 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。 POST5 POST5 上设有一对支撑夹紧。 限位块、 垫片为通用规格。 支座高度为 425mm。 L 连接板规格与 POST3 一致。 NC 块、压爪臂的 外形尺寸及技术要求见。 POST8 上有两对支撑压紧。由于此处有两对支撑夹紧，且空间位置相对狭 窄，所nts 16 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 NC 块。连接板与 POST7 一致。 L 支座高度为 405mm。垫片、限位块为通用规 格。 NC 块及压爪臂的形状尺寸及技术要求见。 POST9 上有两对支撑夹紧。 L 支座的高度为 330mm。由于此处压爪臂叫长， 因此制造时需保证零件的额强度、刚度。淬火 处理之 HRC60。 NC 块、压爪臂及 连接板的外形尺寸及技术要求 3.2 焊接夹具典型结构设计 焊装夹具常见的结构包括定位元件和夹紧元件 .夹具常用定位方式有孔 ,型面定位两种 ,夹紧机构有手动 ,气动两种夹紧方式 ,气动夹紧具有手动所没有的许多优点所以在这里我们将采用气动夹紧方式 . 图 3-2 展示的焊接夹具的典型结构由如下几部分组成 :支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 3-5MM 之间 ,用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 ,保证定位销至少在 2 个定位方向上可以精密调整距离 .压紧臂与上限位块和压紧块连接 ,在汽缸的带动下 ,往复运动 .图 3-2 不但直观的展现了夹具各组成元件的结构 ,而且清晰的表明了各元件之间的连接方式和相对位置 .由于实际工件的曲面造型复杂 ,因此这里的典型结构不是实际设计的夹具 ,而是对夹具各组成元件的结构和连接方式的说明 .夹具的设计应该结合实际工件的特点 ,元件的结构和连接方式的设计应该以图 3-2士的典型结构为参照 nts 17 夹紧装置 1 图 :3.2 夹紧装置 2 图 :3.3 3.3本章小结 利用 CATIA三维软件进行装焊夹具的设计 ,对主要夹具各零件的作用详细阐述。对典型夹具设进行计 nts 18 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 MAG 焊接工作站采用 1个工位，完成 3个工序焊接。 4.1 生产节拍： 计算依据如下 : 焊缝总长以资料求得。 机器人焊接时焊接速度 300mm/min，机器人起 .收弧时间为 1.5秒，跳转时间 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： 4.1.1 1#夹具 工序 P11 工序 P12 工序 P13 焊缝总长 60 mm 焊缝段数 4 总焊接时间 7.5s 12s 总跳转时间（含起 .收弧） 20s 变位时间 5s 工位变换时间 10s 装卸件时间： 35s 生产节拍 77.5 89.5s 4.1.2 2#夹具 工序 P21 工序 P22 工序 P23 焊缝总长 75 mm 焊缝段数 6 总焊接时间 9.4s 15s nts 19 总跳转时间（含起 .收弧） 30s 变位时间 10s 工位换位时间 10s 装卸件时间： 40s 生产节拍 99.4 105.4s 4.1.3 3#夹具： 工序 P31 工序 P32 工序 P33 焊缝总长 132 mm 焊缝段数 8 总焊接时间 16.5 26.4s 总跳转时间（含起 .收弧） 40s 变位时间 15s 工位换位时间 10s 装卸件时间： 40s 生产节拍 131.4s 121.5s 4.2 对车门三维夹紧设计的重要零部件进行分析和强度校核 首先我们根据前面的材料的强度极限来确定内板所能承受的最大载荷 ,已知材料为 08AL的钢板由实用钢铁材料手册查的它的强度b=217-440Mpa.根据强度计算公式 9公式 4-1: FN= A （ 4-1） 在这里我们选用 JQGB系列活塞式汽缸 ,通过 08AL的强度极限来确定汽缸的缸径 ,因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 200N的力就能夹紧 ,所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 : 02111 0 7 12 0 0 5 0 3 5 1 . 3 25 0 0 . 8 5lF F jlF N k g 式中 : 0-除铰链外机构的效率取 0.85-0.95 nts 20 Fj -工件所需的夹紧力 (N) L2-为伸出压杆长 (M) L1-活动杆长 (M) 图 4.1 我们根据所求的夹紧机构原动力来确定汽缸的缸径 D公式 : 6414 5 0 3 0 . 0 3 9 9 4 03 . 1 4 0 . 5 1 0FDPD m m m 汽缸拉力 F2: 2 2 242 0 . 0 3 9 2 0 . 0 2 0 2 0 . 5 1 0 6 4 1 74F D d pFN 式中 : -汽缸的机械效率 ,可以忽略不计 P-大气压力 Pa 一般工厂供压为 5个标准大气压 1个标准大气压 =1.00336 0.098mpa=0.1mpa D-汽缸内径 (M) d-汽缸杆的直径 (M) nts 21 图 4.2 图 4.3 其中 C1表示压紧 状态时活塞杆顶点的位置 ,C2表示打开状态时活塞杆顶点的位置 ,A代表销轴 ,是压紧臂的旋转中心点 ,B代表汽缸的安装支点 ,是汽缸运动时的旋转中心点 .活塞杆带动压紧臂绕 A点转动 ,同时汽缸绕 B点摆动 ,因此该机构运动简图为 -摆动导杆机构 ,AC2B表示汽缸打开时的状态 ,其中 BC2的长度由汽缸的外形尺寸决定 ,为一固定值 , 222 9 7 3 5 1 0 3 . 1 2BC .AC1B表示汽缸压紧时的状态 ,由于压紧臂绕 A点做nts 22 转动 ,因此 AC1=AC2,其实际大小由压紧臂的设计尺寸决定 ,BC1的值由汽缸的伸出形成决定 ,假设 汽缸伸出行程为 60,则 221 ( 9 7 6 0 ) 3 5 1 6 0 . 8B C m m ,此时 12C AC 的值越大 . 考虑到由于还要克服一定的机械摩擦阻力 ,由机械设计手册查的该汽缸尺寸为50 80mm 下面我们对该夹紧装置的压紧臂进行强度的校核 : 该结构钢为 Q235 材料 : 夹紧装置的压紧臂 图 4.4 该图可以简化为外伸梁 ,它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 m a x MWz式中 M-梁危险截面处的弯矩 WZ-危险截面的抗弯截面系数 -材料的许用应力 2332 362 2 0 0 1 0 7 1 0 3 2 1 . 41 6 1 0 3 0 1 02 . 4 1 0 6662 1 . 48 . 9 2 1 0 62 . 4 1 0M b p L N mbhW z mMm p aWz 与 Q235的强度相比 max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 200N的力就能nts 23 满足工件的定位夹紧 ,那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 : 0211lF Fj l 2 1 5 18 0 0 2 8 9 0 2 9 47 0 0 . 8 5F N k g 式中 : 0 -除铰链外机构的效率取 0.85 0.95 FJ-工件所需的夹紧力 (N) L2-为伸出压杆长 (M) L1-活动杆长 (M) 我们根据所求的夹紧机构原动力来确定汽缸的缸径 D: 1644 2 8 9 0 0 . 0 9 5 8 9 63 . 1 4 0 . 5 1 0FDpD m m m 通过机械设计手册查的汽缸的内径趋于 100mm,所以确定汽缸尺寸为 100mm 汽缸 拉力 F2 2 2 242 0 . 1 2 0 . 0 2 5 2 0 . 5 1 0 6 3 6 8 04F D d pFN 式中 : -汽缸的机械效率 ,可以忽略不计 P-大气压强 pa, 一般工厂供压为 5个标准大气压 D-汽缸内径 (M) d-汽缸杆的直径 (M) 由三维模型的建立和仿真测量求得该汽缸 的伸出行程为 70mm的情况下不干涉工件的装卸 ,那么由机械设计手册我们查的汽缸 100*100mm 其余零部件经过与前一夹紧机构同样的校核证明 ,强度都满足设计的要求 我们通过 CATIA三维软件对这部分进行在整体的质量属性分析及对整体进行检查全局干涉 ,结果显示各零件的体积和表面面积主惯性力矩等方面参数 ,能力制造和制定工艺nts 24 制定做出很好的参照参数 . 结论 ;通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 PRO/E软件所提供的虚拟装配功能 ,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 .如 当连接板和支座的两对销控间存在很小偏差时 ,用 PRO/E装配会自动提示约束错误信息 .特别是 PRO/E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 ,生产周期较长等缺点 . 4.3工艺要求 机械设计的目的是为了能够更快更好的制造出机械产品，工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 40Cr，压 紧块和支撑块等定位零件用 45 号钢； 其他元件一般是用 Q235 A；调整垫厚度为 3mm，其他元件厚度一般为 16mm 或 20mm，优先 使用 16mm。元件制作工艺方面：压紧块与支撑块中定位面的表面粗糙度为 1.6，销孔的表面粗糙 度为 1.6，其他平面的表面粗糙度一般为 3.2，非加工面的表面粗糙度为 6.3；元件的定位面要经 过调质 HRC30-35、锐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 0.2mm ，销孔与基准面之间 的尺寸公差 为 0.05mm ，销孔与销孔之间的中心距尺寸公差为 0.02mm ，销孔的尺寸公差为 H7。焊接工艺 要求：焊缝高度为 5mm,焊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。 4.4 本章小结 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 nts 25 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 Pro/E 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 Pro/E 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 传统的二维平面设计 , 成为焊装夹具设计的潮流。 Pro/E 软件提供了二维软件无法实现的产品质量 分析、机构运动仿真分析、产品受力与受热分析等功能 , 为焊装夹具设计向虚拟化设计、无图纸 化管理发展提供了条件。 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。 nts 26 参考文献 1 韩根云 . 汽车车身焊接夹具的设计 .郑州日产汽车有限公司工艺处 . 新技术新工艺 热加 工技术 2001.8.33-34 2 张俊华，李春植，邓早春 . 汽车车身焊装生产线
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