CATIA柔性子装配模拟车身焊接夹具运动的设计方法-吴剑

AT&M视界CATIA柔性子装配模拟车身焊接夹具运动的设计方法摘要：结合车身焊接夹具的结构特点及设计要求，介绍了一种利用CATIA软件快速模拟车身焊接夹具运动的仿真设计方法。在CATIA装配模块中直接采用柔性子装配功能便捷实现夹具动态仿真及设计优化，避免了传统DMU模块中铰接设置等复杂的前处理过程，实现了在CATIA一般装配模块下对夹具单元的快速模拟。实践证明，此设计方法快捷易用、直观高效，使设计周期缩短，设计效率大为提高。关键词：CATIA模拟车身焊接夹具设计中图分类号：U463.82.06文献标识码：B上海海马汽车研发有限公司吴剑1引言焊接夹具是车身金属焊接工艺中用于控制焊接产品外形，提高产品生产效率的重要辅助工装，其设计数据是否准确、可靠是整个生产制造的关键，直接决定着车身的制造精度，进而决定整车的装配质量。试制焊接夹具是在车型试制阶段使用的非标工装，与批量生产夹具相比，试制夹具有着集成度更高，通用性更强，使用周期更短，成本更低等特点。为在短时间内使新车型投放市场，使用最便捷高效的方法设计最优质的焊接夹具势在必行。2种。装配式是指焊接夹具零件之间通过销定位、螺栓联接的方式进行装配，在定位方向上进行调节的夹具结构形式。焊接式是指焊接夹具零件之间的装配通过焊接实现的夹具结构形式。装配式试制焊接夹具结构上一般采用手动快速夹紧方式，由一些夹紧单元装配于平台上组成，见图1。其中，夹紧单元由手动夹钳、角支座、型板、压板、压块、定位块、转接块、定位销、定位销座、调整垫片等组成，见图2。2.2试制焊接夹具的设计汽车车身试制焊接夹具的设计属于专用夹具设计范畴，设计时不仅需要满足工件精度定位的共性要求，而且还要充分考虑车身钣金件易变形和制造冲压偏差较大等特征。其设计过程复杂，需要了解车身结构，结合焊点位置和工件定位夹紧信息，以及焊接夹2试制焊接夹具2.1试制焊接夹具分类及结构形式汽车车身试制焊接夹具分为装配式、焊接式AT&M视界须能够限制过多的工件变形。针对柔性薄板件易变形的特点，采用变分法确定的“N-2-1定位原理”被广泛地应用于薄板冲压件焊接工装夹具设计中。其主要内容如下。a.第一基准面上所需的定位点数为N(N≥3)。b.第二、第三基准面所需的定位点分别为2个和1个，并且第二基准面上的2个定位点应布置在薄板件较长的边上。c.禁止在正反两侧同时设置定位点。2.2.3焊接夹具夹紧方式图1装配式试制焊接夹具焊接夹具的夹紧装置对焊件起夹紧作用，是夹具组成中最重要、最核心的部分。按作用力的来源分为机动夹紧和手动夹紧两大类。机动夹紧包含气动、液压、电磁、真空、电动、混合夹紧等类型。试制焊接夹具一般需3050套，属于小批量夹具，夹紧方式主要采用手动夹钳辅以压板快速夹紧。2.2.4焊接夹具的操作方便性焊接夹具的操作方便性包括：操作高度的方便性、取件的方便性、焊钳伸入空间的方便性及检测的图2装配式试制焊接夹具夹紧单元结构方便性。根据人机工程学，夹具的操作高度一般为700900mm为宜。由于车身结构复杂，夹具设计具的定位基准、定位方式、制造的批量性、互换性、操作方便性等相关内容。2.2.1焊接夹具定位基准试制焊接夹具一般选择零件的重要装配孔、工艺孔及安装面作为定位基准。设计时要求定位基准与车身冲压件设计与制造的定位基准统一；车身分总成与总成夹具的定位基准统一。保证定位精度传递的一致性，遵循基准重合原则，减少因定位基准不一致产生的累积误差。2.2.2焊接夹具定位方式夹具设计中最重要的部分是定位元件的设计，往常设计中采用六点定位，即“3-2-1定位原理”。对于汽车车身这类一般厚度在0.8~2.5mm的薄板件，夹具除了具备限制零件刚体运动的基本功能外，还必必须考虑取件的方便性，采用手插销或者活动销以避免因为上、下取件不便造成的零件变形或损坏。在满足定位要求的前提下，夹紧单元越少越好，以方便焊钳伸入及检测。3CATIA运动仿真KIN是完全集成于CATIA中的运动机构仿真模块。它可以对设计及其相关内容进行有效评价，提供包括产品运动仿真模拟、干涉检查，零件运动轨迹、速度、加速度、力矩分析等诸多功能，并能进行碰撞、间隙及接触等的相关计算。其分析结果直观准确，可以多种格式输出共享，并能同步优化产品的结构设计。AT&M视界4CATIA柔性子装配模拟车身焊接夹具运动的设计过程4.1设计需求以某汽车散热器支架试制焊接夹具某一夹紧单元的运动分析为例，散热器支架试制焊接夹具夹紧单元见图3。此夹具单元在开合运动过程中不能与散热器支架连接板及安装板翻边发生干涉，考虑到设计焊接夹具的操作方便性，当夹具单元打开到最大极限位置后，需要与工件边缘预留≥30mm的距离作为上、下取件的安全间隙，见图4。手动快速夹钳这个主运动部件以子装配体的形式独立预装配，以便在后期父装配层级仿真时把它作为柔性运动标准部件进行关联驱动。将组成夹钳CLAMP-B的各个零件进行装配，并约束它们。其中，夹钳座采用固定约束，其余零件相互之间采用同轴和偏距约束，见图5。图5子装配之手动快速夹钳约束4.2.2固联约束与柔性子装配在CATIA装配模块中，固联约束可以使任意多个图3散热器支架试制焊接夹具夹紧单元部件连接在一起。柔性/刚性子装配命令作为约束工具中的高级功能，可以实现在父装配层级中直接对子装配之零件及其通过约束或固联方式连接在一起的其它零部件之间的联动操作，包括移动、旋转等，装配模块固联与柔性子装配图标见图6。图4焊接夹具夹紧装置安全间隙在软件辅助分析过程中，直接在CATIA的装配模块中实现运动仿真模块所具有的运动模拟、碰撞停止、干涉检查、开合极限角度、上/下取件方便性分析等高级功能，简化切换模块和铰接设置等冗杂前处理过程，加速设计分析的效率。4.2设计过程4.2.1子装配层级部件预装配为了在夹具单元中模拟夹具的开合运动，需先将图6装配模块固联与柔性子装配图标在夹具单元装配体（父装配层级）中将柔性子装配功能赋予以上预装配部件CLAMP-B，即看到目录树中CLAMP-B的图标前出现齿轮符号，表示它的柔性子装配功能已经被激活。若此夹具单元在产品中是以子装配的形式与其余部件并列存在，那么它的图标前端也会同步出现相同的齿轮符号。AT&M视界随夹钳一起运动的压板等零件与夹钳并列作为夹具单元的子层级件，所以需先将压板和夹钳进行相对位置偏距约束，而后将随着压板一起运动的2个压块及调整垫片进行固联约束。夹具单元中柔性子装配及固联设置见图7。图7夹具单元中柔性子装配及固联设置4.2.3夹具单元开合仿真在“操作参数”对话框中点击“绕任意轴旋转拖动”命令，并选中对话框下端的“遵循约束”选项，选择手动快速夹钳手柄的固定绕轴后直接在屏幕上拖动手柄部分即可实时模拟夹具开合运动。若需要准确求解夹具打开后的极限角度及此时与工件之间的最小安全距离，则需要激活“碰撞停止”功能。运动过程中未发现随夹钳一起运动的压板、压块与工件干涉，当夹钳手柄与夹钳座的限位销钉碰撞后，在图8所示极限角度位置停止并高亮显示，经测量其开合角度约为110°。此时，夹具与工件的最小取件安全距离≥30mm。参考文献:［1］王纯祥.焊接工装夹具设计及应用［M］.北京：化学工业出版社，2011：8-9，28-29.［2］讯利科技有限公司.CATIAV5操作指南［M］.北京：中国和平出版社，2002.：49-50.［3］熊晓萍.汽车车身焊接夹具运动