汽车焊装夹具设计的步骤与方法

2015-03-24汪小霞黄星丽

汽车零部件 2015年5期

汪小霞，黄星丽

(安徽江淮股份有限公司技术中心，安徽合肥230001)

0 引言

焊接夹具就是将汽车零件准确定位并通过夹紧机构可靠夹紧进行焊接、保证汽车零件相互位置精度和结构强度方面要求的工艺装备［1］。焊装夹具的开发和设计是车体开发的关键，对于保证汽车车身质量、缩短研制周期有着非常重要的作用。焊装夹具设计是一门综合性很强的技术，需要熟知和考虑的知识点很多，在设计过程中必须不断对夹具数模进行评审和修改，才能设计出合格的焊装夹具。

1 焊装夹具设计的准备工作

1.1 生产纲领［2］

生产纲领即合格产品的年产量，它决定了焊接夹具的自动化水平及焊接工位的配置，是通过生产节拍体现的，而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。所以在焊装夹具设计之前，分析生产纲领、计算生产节拍是必要的准备工作。

1.2 产品工艺数模

产品工艺数模就是产品的结构三维图，它准确表达了产品的各种几何关系、装配关系、设计信息。熟悉产品工艺数模，是设计焊装夹具的前提。

1.3 焊接流程树

焊接工艺流程树，是根据产品结构数模和焊点，对工序进行拆分，是一种表达焊接各工位操作内容，上件顺序、信息及各工位间层级关系的树状图表。图1是焊接流程树的结构，它是焊装夹具设计的关键信息。

1.4 MCP指导文件

MCP是Master Control Point的缩写，是定义夹具定位销形式、夹紧定位点位置及夹紧方式的规范文件 (图2是MCP的模板格式)。它确定了各工位间关键控制位置的一致性，对提高夹具的设计合理性、缩短夹具调试周期起到十分关键的作用，在焊装夹具设计之前，必须充分掌握MCP的内容，指导夹具的具体设计。

2 焊装夹具设计的过程工作

2.1 焊装夹具设计原则

夹具方案设计分为4个阶段:定位方案设计、夹紧方案设计、辅助元件选择、夹具空间布置设计［3］，其中定位和夹紧方案设计是关键。6点定则是汽车车身焊装夹具设计应遵循的基本原则，即限制6个方向运动的自由度。通过面、孔等定位方式的结合将零件6个方向上的自由度全部限制，使零件具有确定的位置。在设计过程中应参照以下具体定位原则:(1)以工件的平面或外形轮廓为基准进行定位时，常采用定位块、支撑柱进行定位。面定位主要限制零件定位面法向移动的自由度。(2)以工件圆孔内表面为基准进行定位时常采用定位销定位。孔定位主要限制垂直于孔轴线的切面中两个移动方向的自由度。(3)以工件圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形铁定位器。限制的自由度同孔定位。

在确定了定位点后就需要确定夹紧机构，夹紧机构针对每个定位点选择可靠的方式进行夹紧，将各压紧块连接为整体，选择合适的开合角度及运动方式便可实现夹紧机构的功能。

2.2 焊装夹具设计的典型结构

焊装夹具主要由BASE板、夹具单元、辅助设备 (如顶升、输送装置)、电器系统组成。BASE板是所有夹具安装及自身定位的地方。为了方便设计和检测，在BASE板上还确定基准孔和辅助基准孔 (见图3)。夹具单元一般是定位部分和夹紧部分的混合体，定位部分通过限制零件的自由度，使零件在夹具中具有准确的位置;夹紧部分将压力作用在零件表面，使零件充分与定位面贴合，防止零件滑动。图4是夹具单元的典型结构，根据设计需求对图4中各要素进行增减。

2.3 焊装夹具的三维绘制

焊装夹具设计一般采用三维软件。先进成熟的三维软件不仅能准确地反映各种结构关系，还能实现二维图的需要，也大大缩短了设计修改和设计补充的时间。某公司主要采用CATIA软件，其中的零件造型、部件装配功能对夹具设计很方便。焊接夹具是典型的非标设计，但其中很多夹具组件具有很大的相似性，可以标准化，建立夹具零件标准件库，采用Catalog进行标准件和标准结构的管理，可以让设计员方便快捷地查找和调用所需要的标准零件和标准结构，大大缩短有效设计时间［4］。

夹具零件几何建模思路。可以先建立草图，然后利用草图平面进行拉伸、旋转等操作，建立各个零件的毛坯，再利用特征建模、布尔运算等方法完成各个零件的三维建模。

部件的装配设计思路。目前部件的装配主要采用自上而下和自下而上的混合装配设计方法，先建立一个装配部件，然后加入车身零件，在此基础之上，利用自上而下的方法逐一设计相关零件。由于标准件已经有现有的三维模型，对于标准件采用自下而上的装配方法，加入到焊接夹具装配当中。当整个装配设计完成后，零件三维模型和装配图三维模型便同时生成了，大大提高了设计效率。

2.4 焊装夹具的焊钳选型

焊钳按其结构类型可分为X型焊钳、C型焊钳和异型焊钳，见图5。在选型时优先考虑C型枪和X型枪，若二者都不能满足焊接工艺要求则考虑异型焊枪［5］。根据车身产品结构、夹具结构、焊钳作业内容、焊接方位，以及焊点可达性、操作方便性等综合确定合适的焊钳结构。焊钳选型应与焊接夹具设计并行。因为焊钳与板件及夹具的相互制约性很强，设计夹具时考虑焊钳的选型能有效地避免诸多干涉情况，可减少浪费。

2.5 焊装夹具的干涉检查

焊装夹具的干涉可分为产品与夹具之间、产品与焊钳之间、焊钳与夹具之间、夹具内部零件之间干涉4种，以前经常出现夹具在制造完成之后产生干涉或者由于操作空间不足而造成修改甚至报废的情况［6］。现在，该公司引进了焊装仿真Tecnomatix软件，在数模环境下，对各部件之间进行干涉检查和空间关系判定。对焊接夹具的运动部件进行运动关系模拟仿真，验证焊点是否干涉、可达，验证生产节拍是否达标，并重新进行焊点布局、机器人布局等，提前发现工艺设计中存在的问题，大幅度提高了设计质量和效率。