夹具设计设计说课材料

绪论

汽车自19世纪末诞生至今100余年期间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，

写下了人类近代文明的重要篇章。汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最

大的现代化交通工具。可以断言，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。

汽车是重要的交通运输工具，是科学技术发展水平的标志。汽车工业在世界制造业的

进步中起着重要的作用，在一些发达国家，汽车工业产值占国民经济总产值的8%,占机械

工业产值的30%,其实力足以左右整个国民经济的动向。可以断言，没有哪个国民经济部

门完全与汽车无关。汽车工业的发展无疑会促使各行各业的繁荣兴旺，带动整个国民经济

的发展。因此，世界各个地方发达国家几乎无一例外地把汽车工业作为国民经济的支柱产

业。

汽车生产制造水平直接体现国家汽车工业发展程度。而汽车工业对实现国家工业现代

化起着极为重要的作用，是国民经济中的支柱性产业，它能带动和促进其它工业和事业的

发展。它是显示一个国家工业发展水平的重要标志。

经过这一百年，汽车发展的速度是如此惊人！进入21世纪汽车的发展趋势是系列化、

模块化、轻量化、小型化、电子化(自动化、智能化)及个性化。

改革开放以来，我国的汽车工业得到较快的发展，产量品种型号日益增多。但由于我

国的汽车工业起步较晚，集团化程度不高，其产量质量与发达国家相比还存在着较大的差

距。因此面临国际汽车发展的机遇和压力，随着我国国民经济的快速发展，国民收入水平

的不断提高，使市场成为汽车工业发展的真正动力。在市场的激烈竞争中和诸多汽车环保

法的不断严格规范下，企业逐渐重视产品开发的力度，加快了新产品推出的步伐，整车

及零部件水平明显提高。20世纪末，世界汽车工业发生了剧烈的兼并和重组，21世纪初，

中国加入WT0。因此，中国汽车工业必然面向国际市场，与整个世界汽车工业做严峻的竞

争，寻找自身的发展空间,

综合考虑我国加入世界贸易组织和世界汽车产业发展的现状及趋势以及

我国汽车产业现状，未来我国汽车产业的发展趋势主要有如下几点：

(1)联合兼并重组进程加速

(2)积极参与全球化进程

(3)模块化生产和系统化供货将成为发展潮流

(4)低污染、节能汽车是一个发展方向

(5)轿车将逐步进入家庭

因此中国汽车工业必须面向国际市场，与整个世界汽车工业作严峻的横向比较，寻找

自身的发展空间，确定新的坐标系和创立新的发展战略。开放的中国汽车市场将成为国际

汽车工业的竞技场，中国的汽车工业面临着与世界汽车诸强竞争求生存的挑战C

第1章汽车车身焊装概述

1.1汽车车身焊接基础

1.1.1车身焊接原理

焊接是两个或两个以上的金属零件之间不可拆卸的联接方法之一，其实质是利用局部

加热或加压的办法，使被连接处的金属熔化，促成两金属的原子相互渗合并接近到

o.3~o.5nm的金属晶格距离，完全依靠原子间的结合力把两个分离的金属构件连接起来。

在焊接过程中，一般都是把局部加热到熔化温度以上然后冷却结晶凝固，它经历加热

一熔化一金属冶金反应一结晶一固态相变一形成接头等几个过程，又是一个复杂

的冶金反应、材料热处理及变形应力的产生过程。

影响焊接应力与变形的因素,丰要是两个方面：第一是焊缝附近不均匀加热的范围和

程度，也是产生热变形的范围和程度。第二是焊件本身的刚度以及受到周围边界约束的焊

接，即阻止焊缝及其附近加热所产生热变形的程度。这两方面作用的结果决定了焊缝附近

塑性变形区的大小和分布，也决定了残余应力与残余变形的大小。人们可以从设计和工艺

两方面来采取减小焊接应力与变形的措施。

人们可以采取的设计措施有：

①尽可能减少焊缝的数量，避免不必要的焊缝；

②选择合理的焊缝尺寸和形状；

③合理选择结构形式和安排焊缝位置；

④避免焊缝布置得过分集中。

人们可以采取的工艺措施有：

①焊前将结构或部件装配成具有与焊接变形相反方向的预先反变形，反变形应该能抵消

焊后形成的变形；

②对于刚性小的结构，可以采用夹具支承夹紧的方法，增加结构要焊接时的刚性，达到

减小焊接变形的目的；

③选用合理的焊接方法和规范，可以减小变形量；

④选择合理的装配焊接顺序，即把结构适当地分成部件，分别装焊接，使不对称的焊缝或

收缩量较大的焊缝在焊接过程中能比较自由地收缩而不影响整体结构，然后再拼焊成整

体，这样有利于控制变形,采用机械或加热的预拉伸，使薄板预先得到拉伸，然后在张紧

的薄板上装配焊接骨架，可有效防止变形。

1.1.2汽车车身常用焊接方法

车身焊装过程中应用最多的是电阻焊，一般占整个焊接工作量的60%以上，有的轿车

车身几乎全部采用电阻焊，高级轿车还采用粘接点焊方法。电阻焊是所有焊接方法中焊接

效率最高的一种，适用于大量生产，在薄板焊接方面使用最广。其他焊接方法还有点焊、

螺柱焊、二氧化碳气体保护焊等

(1)电阻焊

电阻焊加热时间比较短，热量较集中，焊接过程中产生的应力和变形较小，通常在焊

后不必进行校正和热处理c不需要焊丝、焊条、保护气体、焊剂等焊接材料•，焊接成本比

较低。操作较简单，易于实现机械化和自动化，生产效率比较高，是汽车车身制造中应力

最广泛的焊接方法。

电阻焊原理

电阻焊原理如图所示，它是将被焊工件压紧于两电极之间，并在焊接处通以电流，利用电

流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，断电冷却时，在

压力继续作用下实现金属结合，形成牢固接头。这种工艺过程称为电阻焊，也叫接触焊。

图2-8电阻焊原理

由电阻焊的基本原理可以看出电阻焊有以下特点：

a利用电流通过工作工件焊接处的电阻而产生的热量对工件加热，即热源不是来源于工

件之外，而是内部热源。

b整个焊接过程式在压力作用下完成的，即心须施加压力。

c在焊接处不需要加任何填充材料•，也不需要任何保护剂，电极压力和焊接电流是产生

电阻焊的基本条件。

电阻焊分类

电阻焊的方法主要有四种：即点焊、凸焊、缝焊和对焊。

a点焊主要用于车身总成、地板、车门、侧围、后围、前桥和小零部件等。

b凸焊用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄、螺钉、螺帽和小支架等。

c缝焊用于车身顶盖雨檐、减震器封头、油箱、消声器和机油盘等。

d对焊用于钢圈、排进气阀杆、刀具等。

(2)点焊

点焊是一种高速、经济的连接方法，它适用于焊接搭接头、接头气密性要求低、厚度

小于3mm的冲压、轧制的薄板件，因此广泛用于汽车车身的焊接。

A点焊方法

点焊按一次形成的焊点数，可分为单点焊和多点焊：按对焊件的供方向，可分为单面

点焊和双面点焊（如图）.

最常见的点焊方法是双面点焊（电极从工件两侧供电），尤其是双面点焊，在车身焊

接中运用最多，这时工件的两侧均有电极压痕。单面点主要用于电极难以从两侧接近工件

或工件一侧要求压痕较浅的场合，如汽车车身外表面或装饰面板的点焊，此时，一侧是电

极，另一侧是接触面积较大的导电板，可以消除或减轻下面的压痕，在汽车车身大量生产

中，单面多点焊也获得广泛应用，图3-3c所示为使用一个变压器将各电极并联进行双面多

点焊，为了保证通过各焊点的电流基本一致，要求所有电流通路的阻抗基本相等，且每一

接部位的表面状态、材料厚度和电极压力都须相同。为了避免各焊点处因阻抗不等使焊接

质量不良，常采用各电极变压器分离式。

(c)

U..........J

/Z//227//////Z7//Z

(f)

图2-9典型的点焊方法

（a）双面单点焊（b）双面双点焊（c）双面多点焊

（d）单面单点焊（e）单面双点焊⑴单面多点焊

B焊点质量的一般要求

焊点质量不仅取决于焊点尺寸，还与焊点表面与内部质量有关°焊点在外观上要求表

面压坑线，平滑呈均匀过渡，无明显凸或局部挤压的表面鼓起，外表面没有环状或径向裂

纹；表面不得有熔化或粘附的铜合金。从内部看，焊点形状应规则、均匀，焊点尺寸应满

足结构强度的要求；内部无超标的裂纹和缩孔；焊点核心周围无严重过热组织,

焊点尺寸主要焊点直径，焊透率和表面压坑深度等。

（3）螺柱焊

螺柱焊是将金属螺柱等紧固件焊于工件上的焊接方法，它是焊接紧固件的一种快速方

法，不仅效率高，而旦可以通过专用设备对接头质量进行有效的控制，能够得到全断面熔

合的焊接接头，从而保证接头的导热性、导电性和接头强度。在汽车车身零件组焊过程中，

常常利用螺柱焊在一些小零件上焊接安装汽车附件用的紧固件。

广泛采用的螺柱焊方法主要有电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊。它们都是利用直流焊接点原

来产生电弧。

(4)二氧化碳气体保护焊

二氧化碳气体保护焊是融化极气体保护电弧焊的一种，它是采用可熔化的专用二氧化

碳焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来融化焊丝与母材金属，并向焊接区输送二氧化碳

保护气体，使电弧、融化的焊丝、熔池及附近的母材金屈免受周围空气的有害作用。连

续送进的焊丝金属不断熔化并过渡到熔池，与熔化的母材金属融合形成焊缝金属，从而使

工件互相连接起来。

(5)凸焊

凸焊是在焊件的贴合面上预先加工出一个或多个凸点，使其在另一焊件表面接触并通

电加热，然后压塌，使这些接触点形成焊点的电阻焊方法。凸点的作用是将电流和压力限

在特定位置上。凸焊主要用于将螺母，垫圈等小零件焊接到较大的冲压件上。

(6)缝焊

缝焊是用一对滚盘电机代替点焊的圆柱形电极，与工件相对运动，从而产生一个个熔核相

互重叠的密封焊缝的焊接方法。它主要用于气密性要求高的焊缝，如汽车油箱，车身和流

水槽等。

1.2焊装夹具简介

1.2.1焊装夹具分类

焊装夹具种类繁多，按用途可分为：

(1)装配用夹具

这类夹具主要是按车身图纸和工艺上的要求，把焊件中各零件或组件的相互位置能准

确地固定下来，工件只在它上面进行点固，而不完成整个焊接工作。

(2)焊接用夹具

这类夹具专门用来焊接焊件，即将已经点固好的焊件放在它上面完成所有焊缝的焊

接。它的主要任务是防止焊接变形，并使处在各种位置的焊缝都尽可能地调整到最的利于

施焊和位置。一般这类夹具用于焊件重量大或采用自动焊进行焊接的情况，在手工操作小

件焊接时，除有特殊质量要求外，一般不采用这类夹具。

(3)装配一焊接夹具

这类夹具能完成整个焊件的装配和焊接工作，它具有装配用夹具和焊接用夹具的性

能。

(4)检验夹具

简称检具，它是用于检查焊接完的车身部件的形状尺寸是否符合质量要求，起量规的

作用。

(5)其它夹具

指矫正夹具，整修加工夹具和热处理夹具等

1.2.2焊装夹具的功用

(1)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

采用焊装夹具可以精询地对零件进行定位并牢盾的夹紧，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

采用了焊接夹具，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，从而减少加工费用，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，在装配定位焊接时，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术

要求，也减少了工人的劳动强度。

1.2.3焊装夹具设计要求

(1)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，尤其是保证车身上门窗

等孔洞的尺寸和形状。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和夹紧,

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，操作高度应设计在工人最

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，不能影响间接操作和焊

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儿何形状，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)用于大型零件焊接的夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具的刚度，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来选择焊装夹具的类型，设计夹具。

第2章HF-8车型焊装夹具设计

2.1制图前的准备工作

2.1.1UG软件简介

本夹具设计主要采用了UG软件来完成，下面简单介绍一下此软件的特点及优点：

2.1.1.1UG软件的功能特点

UG具有三维实体建模、装配建模，生成直观可视的数字虚拟产品，并对其进行运动分

析、干涉检查、仿真运动及载荷分析，可视化程度很高其功能特点如下：

1）用造型来设计零部件，实现了设计思想的直观描述；

2）充分的设计柔性，使概念设计成为可能；

3）提供了辅助设计与辅助分析的完整解决方案；

4）图形和数据的绝对一致及工程数据的自动更新.

2.1,1.2使用UG的优点

I）通过优化设计，节省了材料和加工时间，降低了成本：

2）通过直观的模型装配，可以更确切的判断夹具结构和干涉部位；

3）通过几何连接器并及时更新，可以保证修后的装配图与零件图的一致。而且相关尺寸

会自动作相应的修改；

4）选择UG三维设计是未来的发展趋势，只有捷足先登才具有市场优势。

2.1.2建立统一的目录

按照自上而下的设计方法，分别建立各相关文件。

项目名/工位名/GA——存放本工位夹具总图及其气路图

项目名/工位名/UNIT——存放本工位夹具单元及其害件

项目名/工位名/PNL一—存放本工位设计用PNL

项目名/工位名/GUNCHECK——存放本工位焊点、焊枪、焊枪打点示意图

项目名/工位名/STD——存放木工位设计用标准件、外购件、国标件

项目名/工位名/MOTION——存放本工位各套夹具的运动分析

项目名/工位名/FILE——存放本工位各种清单表格及其设计试样书，设计参考文件

文件命名规则

加工件工位代号一UNIT号一零件序号

RF012-00-00——RF012工位的GA

RFO12-02-00——RF012工位的U02

RF012-02-01——RF012工位U02的零件01

标准件名称与标准件号一致。例：WT0804-350o外购件名称与样本订购编号一致。气

缸后面加、实际应用行程”CK1A50-75_70。国标件国标号-型号例：GR93Y7-8代表弹

簧垫圈8。

在此特别提出UG对于图层的操作，要求较高，通过图层操作，可以实现方便快捷的各

项操作，利于实现图形及其特征的快捷操作。本设计中UG的图层设定如下：

优选层可用图层内容优选图层可用图层内容

11-10实体模型6161-70BASE

TAP车线

1111-20夹具打开状态7171-80GA车线

2121-40草图81A,82B81-90车身断面

4141-50参考点线面9191-100°NL实体

5151-60夹具及附属装101101-120DRAFTING

置车线

表2-1

2.2分析设计任务书确定定位加紧方案

2.2.1夹具的定位方案的确定

夹具的定位加紧一般采用六点定位原则，本设计同样采用该定位方式。

所谓六点定位是指要使工件在夹具中的位置完全确定，其充分必要条件是将工件靠置

在按一定要求布置的6个支撑面上，使工件的六个自由度全部被限制，其中每一个支撑点

相应的限定一个自由度。这就是六点定位准则，又称“六点定律”。

在进行装配焊接作业时，首选应使焊件在夹具中得到确定的位置，并在装配、焊接过

程中一直保持将其保持在原来的位置上。我们把焊件按图纸要求得到确定的位置的过程称

为定位；把焊件在装配焊接作业中一直保持在确定位置上的过程称为夹紧。设计夹具过程

中通常采用过定位方式即六点定位，进行定位，将工件的六个自由度全部限定°

空间物体的六个自由度

图2.1空间物体六个自由度

为了使焊件在夹具中得到要求的确定位置，首先应研究物体在空间的位置是怎样确定

的。假设一个物体在空间不与任何其它物体发生联系，将其放在空间坐标系内，以此坐标

作为参考系来观察其位置和方位的变动。由刚体力学可知，在空间处于自由状态的刚体，

具有六种活动的可能性，即六个自由度(DOFS),分别为沿X,Y,Z三个坐标轴的移动和

分别绕X,Y,Z三个坐标轴的转动，如图2.2。物体在空间的任何状态都可由这六种变化

的合成来得到，家具定位的目的就是约束6个自由度的部分或全部，这样物体的位置和方

位就能够唯一确定了。所以自由度是决定物体空间位置的独立参数。

定位基准的优先原则

(1)车身零件的制造工艺，定位基准确定的先后顺序为总成一分总成一组件一零件。

因为如果装配件的定位基准不确定，则不可能正确评价和确定零部件的精度，也无法

决定零部件的准确修正方向。同时为了使车揣零件在制造过程中的变化要素最小，需要把

含有更多变化要素的装配件上的定位基准首先确定。

(2)为了确定车身零部件的位置，需要基准孔、基准面和基准端的组合，但是在同

一方向上约束时，采用基准面、孔、端的顺序不同，考虑车身零件的形状，定位基准选择

的先后顺序为基准面f基准孔一基准端。

这是因为冲压零件的成形顺序是先拉延后冲孔，先选基准面再选基孔定位与零件的成

形顺序保持一致；优先选用基准面可以使相邻零件的贴合面累积误差最小，也容易补偿刚

性不足的零件形状，而且如果基准孔的位置和孔间距不准确会造成被焊零件的位置不稳

定。

定位基准位置的选定方法

夹具定位基准的选定必须以冲压件零件图、装配焊接后的零件图、车身焊装工艺流程

和工艺方案、车身装配公差要求以及基本车型的有关资，料为依据。其选用方法为：

(1)夹具定位基准面的厚度一般为16或19mm,只有地板框架处夹具定位基准面的厚

度选用19nm1。为了便于夹具设计与检测，定位基准面尽量选在与车线平行的位置，且与

车线之间的距离为整数；若定位基准的位置与车线倾斜，则从车线处标注尺寸和角度。

(2)定位基准面要尽量可能选在断面形状一致的位置，尽量避免断面发生变化的位

置。

(3)定位基准孔要尽可能与定为基准不重合。这是因为近准孔与基准面的定位方向

不同，当零件定为基准面发生变化时，定位基准孔的位置也发生变化。

(4)分析整条生产线上各工位零件的构成以及各构成零件的位置，使定位基准的位

置尽量选在能够贯穿整条生产线的位置上，即生产线上各工位的定位基准尽量保持一致，

以减小工位间的定位偏差C

(5)定为基准尽量选在被焊零件有贴合要求或功能要求的位置，如有装配关系要求

的面或孔，有位置要求的端部或孔等。

(6)定为基准尽量选在容易上件取料的位置，容易实现焊装自动化的位置，以及设

装配累计误差最小化的位置。

(7)对于相同的零件的定位，其定位基准位置尽量要统一。

(8)定位基准要选在可以减小焊接变形的位置上。当焊面的长度足够时，可以将定

位基准面直接选在焊接面上。

(9)各被焊零件要尽可能单独定位，不能只依靠相邻零件型面的贴合来定位。

式样书中木工位各套夹具分布如图所示

图2.2M.C.P

分析图2.2,可知，夹具单元U01、L-02-KU02-2、U03-1.U03-2、五个夹具单元起对

AG51013064起支撑定位作用，也就是形成一个平面将车板支撑，通过U01、U02各一个销子

实现对AG51013067于AG51013064精确定位，U02的两个销子实现AG51013066于AG51013064

的精确定位，即一面两销的定位方式。所谓一面

就是U01、U02-KU02-2、U03-KU03-2、五个夹

具单元所形成的平面，该平面限定了车板的二个

自由度，车板上的两个销子，限定了车板的另外

三个自由度，这样就实现了六点定位，将车班的

六个自由度全部限定，实现对车板的过定位控制。

按照上述基准确定原则选择U02左侧面为夹

具单元的定位基准，分析车体的PNL,按照事项书

中给定的位置确定夹具所处的位置,102所在位置

在X2900,Y0,Z400附近。可确定车身断面A所处

位置为Y=2平面，根据设计要求，夹具板厚度为

16mm,故可确定车身断面B位于Y=18平面。

本设计中无论是PNL,还是夹具中的定位块的图2.3直角定位

定位都是采用六点定位原理，进行完全定位。例

如定位块与支撑板之间采用的是直角定位，有直角限定定位块的5个自由度，再由档片限

定其第6个自由度。如图2.3所示

2.2.2夹具的夹紧方案的确定

气动夹具具有加紧动作迅速、夹紧力稳定、操作方便、安全无污染、清洁干净等鲜明特

点，因此本设计中采用的是气动加紧。此类夹具用压缩空气作为动力源，通过管道、气阀、

气缸等元件，产生加紧工件的夹紧力。

气动夹紧机构是以压缩空气为传力介质，推动气缸动作以实现夹紧作用的机构。由于

气动夹紧机构的夹紧速度快，夹紧力比较稳定，操作简单，不污染环境，并可实现程序控

制，容易实现机械化和自动化，在批量和大批量汽车焊装生产线上广为应用。通过气动回

路控制，操作者可在一个工作位置操作按钮开关，实现各个方位的气缸动作控制，而且夹

紧、松动速度极快，从而能大大缩短生产辅助时间，提高劳动生产效率。

在进行焊装夹具设计计算时，首先要确定装配焊接时所需夹紧力，然后根据夹紧力的

大小和方向、被焊接零件的结构、夹紧点的布置，安装空间的大小等来选择夹紧机构的类

型和数量。

夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面，以保证零件定位稳定，变形较小。当夹

紧力的方向与重力方向一致时，可使夹紧力最小。选择夹紧力的作用点时，主要应当考虑

工件夹紧时要稳定、变形最小。所以夹紧力的作用点应落在定位件上，应尽量选在零件刚

性最好的部位上，以减少夹紧变形。

夹紧气缸的选取

在车身焊装夹具中常选用带Y型双肘接头的夹紧气缸作为动力源，如图2.4所示为已标

准化的夹紧气缸活塞杆缩回时的外形结构尺寸图。其接头销轴C与压板相连，通过气缸活

塞杆带动压板运动，安装销轴D固定，使气缸绕D点转动。夹紧气缸的缸径主要有40、

50、63三种系列可根据夹紧力大小不同来选用，缸径越大，气缸输出作用力越大，则

夹紧力也越大°气缸形成有75、10()、125、150等系列，气缸行程影响压板的打开角度,

当行程越大，也越大。选择气缸行程时，尽量选用标准行程，且大于使用行程5〜10mm,

这样可保证夹具的可靠夹紧，补偿压板夹紧面的磨损量。也就是说如果选择的气缸行程为

75mm,则其实际行程为70mm,应为要留出5mni的补偿量

图2.5夹紧气缸的结构

以下为夹紧力的计算过程

设计中压板的结构可以简化为下图

由杠杆平衡原理有PxA=FxB(2.1)

其中，P—单杠双作用气缸推力，用

F—夹紧力，依f

A一气缸作用力臂，mm

B一夹紧力臂，mm

由气缸运动结构原理有:p=；d27rp(2.2)

其中，〃一气缸的负载率,即气缸活塞杆受到的轴向负载力与理论输出力之比，一般

取〃=50%

D一气缸缸径，cm

p一气缸系统使用压力，kgf/cm2,

汽车焊装线气压-一般调节为4〜5kgf/cm2

将式代入式求出夹紧力F

F二pA二㈤2P处

B4B(2.3)

根据经验，在车身薄板焊接中，夹紧力FN30版,才能满足焊接要求。

选用°63的气缸，取气压p=5kgf/cni2=50%,取上边的压头计算A/B=：/3

则/过*处1=32.7奴＜〉30必「

4x3

如果FV30A必’可以调整A/B的值或选用大缸径d的气缸

通过计算夹紧力，考虑到气动加紧的优点，本设计中所采用的动力为气动夹紧。

2.3RF012工位分析及各单元设计思路

2.3.1设计任务书

设计任务书是设计项目主管根据用户提供的技术任务书制订的，它是设计者进行具体

夹具设计的指导性文件，是整个设计的总体方案。

设计任务书主要包括三方面的内容

(1)生产过程

WORKINGPROCEDURE

图2.6生产过程图

匚位的基本概念

STATIONCONCEPTION

NO,ITEM

1PROD,QUANTITY/DAY(60)UNITS

2RUNNINGTIME/DAY(960)MIN

3EFICIENCY(80)%

4CYCIZTIME/UNIT(771)SEC

5TYPEOFJIG(□HANDGAUGE■STATIONARYDROTATEOSLIDE)

6HEIGHTOFTHEWORK(800)mmDZFROMPIATFORM

7CLAMPINGMETHOD(OHANDVISEflHANDCLAMPBAIRCLAMP)

8LIFTER(DW[TH■WITHOUT)

gSENGMETHOD(IHANDOHOISTDAUTOMATIC)

10TRANSFERMETHOD(BHAND□HOISTDAUTOMATIC)

11OPERATOR(1)PERSONS

表2-2

工位布局:

RF012

图2.7工位布局图

夹具概念图

£

图2.8夹具概念图

W101JDM

图2.9焊点图

从图中可以看出共有17个焊点

（2）主要控制点布置图（MCP）

主要控制点是需要设置夹具定位的位置，它一般选在保证焊接质量，防止零件在焊接过程

中变形的部位。在MCP中，规定了夹具的数量和位置、厚度以及夹具的结构（定位，夹紧,

定位夹紧，定位销）如图：

MCS是组合件在MCP位置上的断面形状和夹具构造简图。在MCS中，规定了定位面的

大致形状，方式，夹紧打开方向，定位销方式（固定，移动，旋转）等。如图

图2.11MCS

设计任务书的制作必须要在全面了解零件的形状，焊装过程和要求的前提下进行，它

既要保证设计的设备可靠、满足使用要求，又要力争设备的设计和制造简单、方便

2.3.2夹具单元设计思路

根据试样书，RF012工位共需设计5套夹具即可满足要求，其中U01和U03这两套夹

具可对称使用。

<1>UO1夹具设计

RF012工位中的U01夹具定位加紧内板，且内板上这套夹具附近有一个直径为7.8

的空，这个孔需要用销定位。这个销要求两向可调。任务书中规定定位要可调，所以

定位快要做成可调式的，压板做成不可调式的。

这套家具初步设计成由定位板、压板、定位块、加紧汽缸、销、销支架等组成的夹

具。

<2>U02夹具设计

根据设计任务书U02-1和U02-2可设计成一套夹具。定位夹紧内板和两个小件。为了

防止小件的变形错位，且需要磁铁吸合消减，并压紧定位这个小件通过P5、P6进行定

位，且内板附近各有一个直径为12.8的孔，这两个孔需要用销定位。这两个销要求两

向可调，且销要为移动销。在销退出后，将PNL去处，所以要用薄型气缸将销退出。

此处定位块无需压板，且需做成分离式的

<3>U03夹具设计

根据设计任务书U03-1和U03-2可设计成一套夹具，因为车身为深翻边件。根据

工艺要求可将其设计成两次旋转的，两次旋转夹具主要用于压板一次旋转后无法打开

让出被焊零件的的运动空间，或者定位板固定时，使焊接完后的零件取出干涉，需要

旋转避开干涉的情况，两次旋转夹具的第二次旋转结构设计仿照前面，但要尽量使结

构尺寸小巧、轻便，因为它是第一次旋转的运动部件、不需考虑打开余量将结构尺寸

缩小，在保证强度刚度的前提下可以采用挖空的形式来减轻重量。由于第一次旋转的

结构和重量相对要大，要考虑旋转中心的位置合理设计旋转点，使旋转过程平稳。而

且旋转销的直径要适当增大，并选用无油轴套和止推垫圈结构，以增加刚度，减少摩

擦。

二次旋转夹具的运动顺序是第一次旋转到位后第二次旋转夹紧，第二次旋转打开

后在第一次打开，即气缸1活塞杆伸出后汽缸2活塞杆再伸出，汽缸2活塞杆缩回后,

汽缸1活塞杆再缩回，它必须通过行程开关在气路中实现互锁，否则会发生干涉，破

坏被焊零件。

为了保证第一次旋转到位的精度，必须设置嵌入式限位块结构。

2.4RF012工位U02夹具单元设计过程

按设计任务书要求作出设置夹具部位的断面形状及相应车线，将确定的夹具基座面的

位置画出，作为夹具的设计基准。根据定位夹紧面的断面形状以及周边零件、装备的干涉

情况，确定该夹具的结构形式进行具体设计。

现在主要介绍U02工位的设计方法和过程

设计者在进行焊装夹具之前，首先要根据设计任务书的要求做出相应的车身断面图作

为夹具结构设计的数据依据。

2.4.1切取断面线

根据断面位置与车线关系，采用一维断面。

在UG中截取断面，我们用超“⑴皿…，首先设置工作部件，将断面线A面为车

线绝对值小的一面，用样色双点划线表示：B面为车线绝对值大的一面，用绿色点线表示:

把A面放在81层，然后再截B面，改好颜色，放在82层。打开输入车身数据，已确定断

面位置，开始截取断面可以将所有的断面都截出来

2.4.2连接板的设计

由于车身焊装夹具设计采用过定位原则，应尽量减小接触面积，以免因定位太多而造

成定位不可靠。一般接触面积宽度选为15-20nlm即可。因为连接板上要安装夹紧气缸所以

在设计连接板时应该根据气缸选型的型号，来定安装孔及钗支孔的大体位置.

首先将图层设为81层点击曲线工具条中的①按钮，出现截面曲线对话框，在PNL

中选择U02工位区域单击确定，在HI现的界棉区线对话框中选择平面按钮进入平面对话框,

以Y轴为基准轴根据工位位置第一根断面线在Y方向上移2如图4.5所示：

由于夹具压板的厚度为16故第二根断面线应在Y轴方向上移18,依次可作出Y方向

上-36、-22、45、61单击完成。

一般规定：

A面为车线绝对值小的一面，用橙色双点划线表示;

B面为车线绝对值大的一面，用绿色点线表示；

所切断面线如图2.12所示：

图2.12断面线

2.4.3画装配草图

在设计压板时，首先应根据压板的打开状态，气缸的行程来确定旋转点及气缸安装绞

支点的位置，同时要考虑气缸打开或关闭时连接部分是否干涉。

由于车身焊装夹具设计采用过定位原则，应尽量减小接触面积，以免因定位太多而造

成定位不可靠。一般接触面积宽度选为15-20nun即可。因为连接板上要安装夹紧气缸所以

在设计连接板时应该根据气缸选型的型号，来定气缸安装孔及较支孔的大体位置.

首先将层设置成21层。工作部件为RF012-01-00,点击电进入草图界面，根据断面线

的形状设计压板的形状。在设计压板时应先确定3个圆的位置，因为要考虑当气缸打开

将所焊接部件拿出时是否与所设计的夹具压板干涉，一般将它们之间的打开余量设为25

亳米，并做打开分析，看是否干涉。操作步骤为；选择编辑中的变换，选择打开的压板，

选择旋转点并选择旋转的角度为120度，点击复制即可，如图2.13所示：

打开状态

点

图2.13草图

为了避免给设计造成浪费，在作运动分析之前须先对草图进行打开状态干涉分析。通

过旋转角度，来确定气缸行程是否能够保证气缸处于打开状态时，不会与PNL发生干涉。

通过学习可知，行程75mm的气缸在满足各项要求的情况下所打开的最大角度为60.5度，

行程为100的气缸最大打开角度为76.7度，因此可以通过打开角度，使压板臂草图旋转

来检验其刚打开时是否会与PNL发生干涉。

其操作工程如下：Edit-Tran/crm,点击后弹出类型对话框，选择曲线类型

(lype-curve)然后选中所要旋转的曲线，弹出对话框，并依次进行操作点击RotateAbout

aPoint,再选择旋转点，即为中点。，再键入旋转角度76.7度，确认后弹出对话框，点

击COPY,确认后完成旋转。

2.4.4拉深出压板、连接板、定位块、压块

回到modeling状态下，分别进行拉伸操作竺

2.4.4.1压板的设计

首先将RFn-Ol设成工作部件，链接⑥整个草图，将压板的草图拉伸出来回到第一

层，点击拉伸L按钮因压板的结构不能同时作为一个整体拉伸，故先将选择意图工具条

设置为拉伸压板的上半部分，厚度为16.如图4-8

图2.14压板的拉伸

剩余部分要分两次拉伸，在Y轴的反方向上拉伸厚度为8毫米的实体完成

图2.15压板耳朵的拉伸

选择特征操作工具条中的倒角/按钮，在出现的对话框中选择双倒置，选中所要倒

的角的底线，根据压板的结构输入所倒角的第一偏置与第二偏置，即可完成压板的总体设

计图2.15

图2.15压板的总体设计

2.4,4.2连接板实体的设计

<1>首先将工作部件设为RF012-02

设计连接板时应根据压板的设计及气缸的行程，根据设计要求选择行程为100的气缸，

其尺寸按照97+行程来计算。在设计时把首先打开的气缸即上面的气缸设计成与地面成

30度放置.同时应遵循所设计夹具的工位特点、受力情况及材料的节省等方面来考虑设计。

步骤如前因连接板为独立的整体可直接进行拉伸，拉伸厚度为16毫米，为节省材料

在满足受力要求的前提下进行倒角及切除多余部分

图2.16连接板

<2>确定连接板上安装支架的孔的位置

LOCATOR中与支架连接的八个孔的确定如图所示。设计前已经确定了BASE的高度。将BASE

的高度用一条基准面表示，确定支架高度，六个孔与基准面的关系以及六孔之间的关系如

上图右图所示。LOCATOR中气缸下悬挂点与旋转点之间的水平距离为35,与气缸上止点的

竖直距离为[97+（行程-5）ST]o

根据确定的BASE高度，作一基准面Z=700如图所示

图2.17连接板上支架的孔位置的确定

从而确定支架的孔的位置,

<3>安装薄型气缸的孔的位置

根据销的位置确定，先建一个基准面，然后再偏置如图所示

图2.18薄型气缸孔的位置的确定

设计完后的连接板为

图2.19连接板完成图

3）定位块的设计

步骤如前如图所示

图2.20定位块的切削

定位块采用两销一孔定位

图2.21定位块的完成图

4）压块的诏什

首先链接,两个小件，

根据两个小件的位置设计，如图所示

图2.22压块

2.4.5销支架的设计

设计销支架时，首先需要把销装配在合适的位置，根据销的位置设计销支架

如图所示

图2.23销支架

2.4.6连接销支架的设计

在装配中进行连接支架的设计。这样可以随时诫整其形状，使销支架通过其他零件能

更好的连接在LOCATOR上,在装配中调整各孔的位置，使各连接孔为整数。连接支架也要

做的比较结实。根据销的安装位置和销支架

以及薄型气缸的尺寸来设计如所示

图2.24连接销支架的确定

2.4.7修剪实体与偏置

在装配图中激活零件图，链接车身数据。在工具栏中点击图标出现对话框点击起

始与结束完成修剪压板截而如图所示：

点击扩大图标可以改变压板截面的大小。另一个压头的截面与此相同

图2.25修建实体

第3章干涉运动分析

3.1装配标准件

支撑底座的选用应根据设计要求，因为坐标原点与基座的距离是800毫米，根据以上

设计，特别是支撑:板的设计，从所给的标准件中选择F票为250的支撑底座，标准件选定

后依次将它们装入所设计的夹具中，以气缸为例：点击力图标出现对话框选择行程为100

的气缸如下图

图3.1装配气缸

点击确定后进入配对对话框如图所示：选择相应的配对类型点击需配对的部分，对气

缸而言配对好两点即可。如果尺寸正确则装配完成，当不能装配时必须从草图中修改尺寸。

所有标准件都装配完成后即如图所示：

图3.2装配图

3.2运动分析

做完以上操作后需将气缸装配在所做的夹具上进行运动分析。

在运动分析过程中，需定义移动副和转动副，在本设计中其定义是这样的：分别定义

压板（包括压块）、气缸头、气缸体为三个移动副，其中压板，气缸体分别绕气缸旋转点

0和气缸连接点02转动，压板与气缸头同时绕气缸连接点01作旋转运动，同时气缸头沿

气缸杆作平移运动（见图3.3）。这些运动方式均需在运动分析时作出相应定义。

运动分析时需定义运动时间和运动步数，运动时间为：行程/速度，例如气缸行程为

75mm,气缸运动速度为10mm/秒,则运动时间为（75-5）/10=7秒。

气缸打开后需对运动轨迹进行保存，运动轨迹需保存两个，一个为气缸完全打开时的

状态，一个为气缸运动到最大偏转角度的位置。运动轨迹保存为CH011-06-00-MT,存于

MOTION文件夹下。这两个位置前者为了说明气缸完全打开时，在放置车板时，不会与其产

生干涉，后者是为了说明气缸打开过程中不会与夹具支架发生干涉。

在作运动分析过程中，LINK'''和JOINT,、的定义很重要，在本设计中，LINK

和JOINT定义如下：

1、LINK的定义

压板及其上面的运动件-----LTNK01

气缸头-----LINK02

气缸体-----LINK03

2、JOINT的定义

（1）固定转动副---压板旋转销与气缸体安装箱。选择旋转点后单击JOINT菜单中的

APPLYo

（2）相对旋转副--气缸头与压板连接销。选择一个LINK的旋转点，单击LTNK2图

标选择另一个LINK的旋转点，再单击APPLY。

（3）相对移动副--气缸头与气缸体之间。单击移动副图标,LINK1选择气缸头，LINK2

选择气缸体，运动方式选择CONSTANT：displacement为0,Velocity为10,单击APPLY

确认。

运动分析是检查夹具是否能够打开和检查在打开时是否与其它夹具或PNL发生干涉，

一般最终打开位置压板下端距PNL线最近的点到截取的PNL线端点之间的距离应大于

25mm,否则打不开。如图所示:

图3.3夹具的打开状态

第4章焊装夹具基座的设计及总体装配

4.1基座的设计

基座用于车身零件的装配与焊接，它的上表面确定各夹具系统的XY坐标，又是所有

夹具的安装平台，基座上表面的高度确定了夹具系统Z坐标，这样就建立了夹耳系统的空

间坐标系。基座也是所有焊装夹具的装配基准，必笈有较高的加工精度要求，以提供夹具

的定位精度。

4.1.1基座面的方向

基座面的车线方向以方便被焊接零件的上料和焊接为原则。一般是尽量选择焊件轮廓

尺寸最大的表面与定位基准面接触，且大件在下面，首先定位夹紧，小件在上面，以大件

型面的型面以及焊装夹具定位夹紧。焊点的布置在有利于施焊的方位，且操作者方便观察,

焊钳和电极的可达性好。

4.1.2基座面的高度位置

基座面高度位置的确定取决于操作者工作高度和夹具高度，夹具高度在保证焊钳工作

空间的前提下间可能小，以节省夹具制造成本。工作高度要考虑到操作者动作时的最佳控

制区，以离地面850—900mn为宜。

4.1.3基座面的大小

基座面的大小取决于焊装夹具支撑板的位置。根据夹具的放置位置如图初步定一下:

可将其设计为1000x400如下图4.1

zc

4.1.4基座的结构和加工

基座框架是由型钢焊接而成，其结构要求由足够的强度和刚度，以支撑其上安装的夹

具单元和被焊零件。

基座的上表面是所有夹具单元的装配基准和测量基准，必须有较高的加工精度和平面

度要求，而且必须在焊接完后进行退火去应力热处理后再加工表面，以保证定位精度。

4.1.5基座设计

基座框架应选用与基座平面材料相同的钢。框架是由长度不等槽钢根据结构特点焊接

而成的支撑基座平面和焊装夹具的支撑架。它要保证基座平面不会因为夹具的重量而变

形，保证夹具要有准确地定位。

因此选用该方式：

图4.2框架分布形式图

4.1.5.1槽钢的选择:

查机械设计手册选用槽钢为：

车冈执车I木曲钢100x48x5.3FB/T707-1988100x48x5.3GB/T707—1988杏表可知

白。235-AGBI770。-1988。235一AGB/770。-1988人，口

槽的基本尺寸为：h=100,b=48,d=5.3,t=8.5,r=8.5,r=4.25,生W"1二23.85

22

A一偶度;八一■粕制来卡和I

『一惯性矩，

d—融厚段；W-欧金斯数，

L平均磐厚座；r-慎件半及，

一内半短;Z<r-y¥与匕储融猊问明爽

图4.3槽钢的基本参数

4.1.5.2基座钢材的选择：

根据基座平面的厚度16mm以及装配后将要承受的重量查表1后，得出基座平面应选

用Q235-A

4.1.5.3基座表面平面度的计算:

根据公式:

甘否(204-L/20)

基座面平面度='---------其中，L一一基座面对角线

其中：L=V12802+11002=1(^720

(20+1687.720/20)

求得：基座平面度二=0.104

1000

4.1.6基座的三维设计：

首先，在UG中新建一个名为BLHM-00-01的文件，将21层作为工作层。根据设计中

基座在空间的位置，要将工作坐标移至该坐标：将坐标移至(2600,0,700),打开草图，

选中有Y轴与Z轴建立的平面为基准平面。在草图中设计基座平面的草图曲线如下图所示,

完成草图，回到第一层，利用拉伸命令将草图曲线转换成实体。

将工作层定为21层，打开草图命令将X轴与Y轴确定的平面定为基准平面，根据计

算得到的数据进行槽钢草图设计。

根据槽钢的基本尺寸画出草图1然后利用镜像分别得到草图2、3o这样只是得到了

基座平面四周的框架的槽钢草图和宽度方向的草图，还有长度方向的草图，根据上面画草

图的步骤选择另外一个与基座平面草图垂直的基准面作为工作平面，根据槽钢的基本尺寸

画出草图4。回到第1层利用与扫描和口拉伸将草图1、2、3、4转换成实体

(a)槽钢草图(b)槽钢支撑板实体

图4.4槽钢的草图

将工作图层重新定为21层，将坐标沿X轴移120,打开草图选择X轴与¥轴确定的

平面作为草图基准面。在比面上做出框架联结点的辅助连接板的草图和与支撑腿联结的连

接板。完成草图后返回第一层将草图转换为实体。连接板的厚度为15mm。如下图4.5

o

«o

o

m

-

n

£

Q

：

p73Z6,0000

(a)连接板对草图

(b)连接板实体

基座的初形就完成了。最后将所有的夹具装配好后再进行基座面大小的调整。保证所有的

夹具都能装在基座上

4.2总体装配

把整套夹具放在GA中检验，俏的位置合适，但连接板设计过长，这样有可能干涉焊

枪，这样把连接板改得尽可能短些。夹具的其他部分都合适

图4.6总体装配

4.3焊枪的干涉检验

首先将各套夹具体安装在基座上，然后再把焊枪安装到离夹具体近的位置，检验看是否焊

枪和夹具体以及车身发生干涉，以作调整。如下图所示

图4.7焊枪总装配图

第5章生成二维图

5.1装配图的二维图

制图应用可以实现从体模型到制图中视图单向关联，即体模型的改变，会反映在制图

中二维视图、尺寸等的改变。同时制图应用也可实现体模型与制图中视图的双向关联，即

制图应用可继承建模应用中草图的尺寸、孔与螺纹特征尺寸；同时，在制图中修改草图中

尺寸可修改体模型。

Unigraphics/Drafting应用包括建立和修改视图、尺寸和其它制图辅助的功能。而

且支持GB、ISO、ANSI标准。具备以下显著的特征：

图与设计模型完全关联。

创建与父视图完全相关的剖视图的功能。

能自动生成实体中消隐线的功能。

直观易用的图形界面°

制图参数的可视化描述。

从图形窗口编辑大部分制图对象的能力。

支持装配树结构。

自动生成正交视图和对齐视图。

用户可控的图更新。

这一部分是最后完成的也是最重要的部分，三维立体模型的尺寸关系部能够明确表

达，因此真正实用的还是二维图。

生成二维图的一般过程为：

1.进行Drafting设置，2.定义图纸大小，3.导入图格式，4.添加视图，5.插入

符号，6.标注尺寸，7.插入表面粗糙度，8.文字注释、标题栏、明细栏、技术要求填

写，9.零件号标注。

图纸大小选为A1号图纸，绘图比例为1：2,尺寸采用公制m*按照国标规定采用第一

角投影。设置完成Apply,生成图纸。

<1>定义图纸--INSERTDRAWIUNGSHEET匕

图纸大小选为Al号图纸，绘图比例为1：2,尺寸采用公制单位mm,按照国标规定采用

第一角投影。设置完成Apply,生成图纸。

在制作二维图之前首先要做的是，二维图的预设置包括PreferencefDrafting和

Annotation选项下的各项设定。Drafting设置中包括视图边界显示选项、抽取的边缘与表

面、显示图纸视图