车身焊装夹具的三维设计研究

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(1.长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；

2.山西太钢不锈钢股份有限公司炼钢二厂，山西 太原 030003)

Research on 3D Design of Body Welding Jig

REN Tiantian1，LIU Yue1，GUO Jinshan2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering of CUST, Changchun 130022，China;

2.Steel-making Plant 2 of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd, Taiyuan 030003,China)

车身焊装夹具的三维设计研究

任田田1，刘悦1，郭锦山2

(1.长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；

2.山西太钢不锈钢股份有限公司炼钢二厂，山西 太原 030003)

Research on 3D Design of Body Welding Jig

REN Tiantian1，LIU Yue1，GUO Jinshan2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering of CUST, Changchun 130022，China;

2.Steel-making Plant 2 of Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd, Taiyuan 030003,China)

摘要：为了提高白车身焊装夹具的自动化、柔性化水平，减少新产品上市的周期及制造成本。根据某轿车车身侧围内板某具体工位的工艺文件，利用CATIA软件建立其焊装夹具的三维数字模型，选择具体焊钳型号，检查其干涉部分并进行相应的具体更改，最终完成了产品的设计。

关键词：焊装线；焊装夹具；设计

中图分类号：TB79

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)03-0020-03

收稿日期：2014-11-12

Abstract:To improve the automation, welding fixture flexibility level of body welding jig , reduce the cycle of new products listed and manufacturing cost. In this paper, according to the car body side panels of a car for a specific station process documents, using CATIA to build its three-dimensional digital model of welding fixture, selecting the specific welding clamp model, checking its interference section and the corresponding specific changes to the final completion of the design of the product.

作者简介：任田田(1985-)，女，吉林蛟河人，硕士，研究方向为机械设计及理论；刘悦(1972-)，男，吉林长春人，教授，博士，研究方向为精密机械。

Key words：welding line；welding fixture；design

0引言

汽车车身是由一系列具有复杂型面的冲压薄板零件组成，在车身制造过程中，焊装是其中的重要环节，它对车身的制造质量、生产效率及成本具有直接的影响，在保证焊接质量的众多因素中，焊接夹具起着关键作用。随着汽车工业的快速发展，汽车焊装生产线精度及自动化程度的提高，使得对焊装夹具的要求越来越高。

焊装夹具在车身生产中的作用是，通过焊接夹具上的定位销、定位块、压紧块及压紧臂等零件的协调作用，将车身零件、组件、分总成和总成等工件安装到工艺要求的具体位置上，压紧后防止工件移位，减少工件在焊接过程中发生变形，提高焊接生产效率，是保证车身焊接精度的重要因素，影响汽车制造的整个生产周期和制造精度。汽车车身焊装夹具的设计是一项非常复杂的工作，车身零件为薄板弹性体，易变形，在焊接过程中采用工件型面过定位的方式对其设置定位夹紧点，以增加其刚性，保证其装配精度和焊接质量。

1车身焊装夹具的定位原理

车身焊装夹具的主要作用就是准确的定位和可靠的夹紧，准确的定位是焊装夹具的一个重要功能。一个物体在空间内有6个自由度，以笛卡尔坐标系为例，这6个自由度是沿X，Y，Z轴的移动和绕X，Y，Z轴的转动。要想完全确定一个物体的位置，则6个方向上的自由度必须完全限制，一般需要6个定位支点(即定位元件)，每个定位支点限制一个方向的自由度，这种方法叫做6点定位原则。通常情况下，第一定位基准面内有3个定位支点，第二定位基准面内有2个定位支点，第三基准定位面内有1个定位支点，因此，6点定位原则被称为“3-2-1”定位原理。因为车身零件是一由系列的薄板冲压件组成，单个零件刚性差、易变形，特别像车身侧围这样较大的零件，若用“3-2-1”定位原理，会因其自身重力使零件产生较大的变形，所以一定要在第一定位基准面上布置N(N>3)个定位支点以减小因自重发生的变形，这样“3-2-1”定位原理就会变为“N-2-1”定位原理。

2焊装夹具三维结构设计

2.1　车身焊接夹具的设计要求

焊装夹具的基本组成包括定位块、夹紧块、连接块以及支撑座等部分。在进行设计焊接夹具之前，应全面了解被焊接件位于车身的位置所起的作用，车身的焊接过程、焊接夹具的设计注意事项以及其结构特点。

车身焊接夹具相关设计要求为：

a.根据车间的具体情况，生产设备和工艺以及生产纲领的需求，确定相关焊接夹具的自动化水平以及其复杂程度。

b.确保车身各零件有正确的几何形状和相互间的位置关系。

c.确保待焊工件在装配焊接过程中可以正常运行，避免发生待焊工件与夹具之间、夹具与夹具之间，夹具与焊钳之间干涉现象的出现。

d.结构简单、良好的可加工性与可装配性，制造周期短，成本低。

2.2　焊装夹具的三维结构设计

在具体的结构设计任务开始之前，应该做好充分的准备与调研工作，了解待焊工件在车身中的具体位置、主要作用。而焊接任务主要是车身侧围的分总成，主要的焊接零件如图1所示。

图1　车身侧围分总成组成零件

2.2.1　基准面高度的确定

在了解被焊工件的位置与作用之后，可以开始这一具体工位焊装夹具的三维数字化结构设计任务。首先应确定基准面的高度，其高度应符合人机工程学，方便操作工人的操作，确保焊钳顺利进出。因此，基准面应处于待焊工件下方，使焊点距地面的高度为750～850 mm。工位基准面位于距车身坐标系X平面1 145 mm的位置。焊点分布如图2所示。

图2　车身侧围分总成焊点分布

2.2.2　三维结构设计

车身焊装夹具的设计工作属于典型的非标结构设计，但是随着焊装夹具的不断发展，其标准化程度也在不断地提升，大大缩短了产品的设计时间。车身焊装夹具的主要构成元件包括定位块、夹紧块、定位销、压紧臂、支座和夹紧气缸等。

a.定位块。定块的厚度为16 mm或20 mm，通常结构为L形，如图3所示。定位块和产品数模紧密贴合，为了防止磨损，其材料为45号钢，表面淬火至HRC40-45，发蓝。定位块的压紧面与产品数模完全一致，采用数控加工，压紧面表面粗糙度为Ra1.6，其宽度公差为±0.05，其长度要规范化(两销一钉或两销两钉)，在压紧方向上需要加调整垫片。压紧块的设计要求、材料、加工要求、热处理、装配要求等与定位块完全一致。

b.定位销。定位销的作用是孔定位，用来保证车身零件在夹具中的空间位置。一个车身零件上要有2个定位销，1个圆形销，1个菱形销，如图4所示。定位销现在已经满足标准化。其材料通常为40Cr，淬火至HRC40-45，定位销的公称直径公差为0/-0.05 mm，表面粗糙度为Ra1.6。在设计夹具时，保证定位销超出零件5～7 mm，并设计防转卡。在车身焊装过程中，若销的固定位置妨碍了工件的装卸，就必须将销设计成移动式结构，因此，设计中将销全部设计为可移动式的结构。

图3　定位块　　　　　　　图4　定位销

c.压紧臂。压紧臂与压紧块相连，在气缸的压紧作用力下压紧零件。压紧臂板厚为16 mm或20 mm，上下偏差为+0.1/0 mm。压紧臂的形状不固定，视具体位置的情况而定。

d.支座。夹具中使用的固定支座与BASE板和定位块等元件相连，是焊接夹具中的基础元件。其主要作用是把焊装夹具按照其车线的空间位置固定在基座上。连接座的底面与立面的垂直度公差为0.05 mm/1 000 mm，为定位元件的装配准确提供了保证。

在工位焊装夹具三维结构的设计过程中，尽量采用已经标准化的元件，可以很大程度的减少设计时间。但是夹具设计工作需要很强的经验性，有很多的问题需要考虑，并且没有固定的规律，因此，可以参考现有的夹具设计方案进行设计。基于夹具数据库中大量的信息，包括很多宝贵的设计经验，设计人员在设计的过程中参考以前成功的设计案例，并在此基础上进行方案的改进，以获得适合设计任务的新的设计方案。

2.3　焊钳的选择及姿态模拟

焊接夹具设计完成后，必须能够保证焊接工作的顺利进行。因此，正确的选择焊枪型号，对焊接姿态进行模拟，也是焊装夹具设计工作的重要内容。首先做一条垂直于焊接表面并经过焊点中心的直线，采用CATIA中的捕捉命令，令焊枪的基准轴与所做的直线重合，再调整焊钳的姿态，将其摆放至最合理的位置。经过多次的干涉检查，反复修改校正，最终确定设计方案，如图5所示。

图5　车身侧围分总成焊接夹具

3焊装夹具的工程图设计

当完成了焊装夹具各部分的三维结构设计，进行了焊钳姿态的模拟以及干涉检查，确定了最终的设计方案后，接下来的任务是将设计完成的三维结构转化成二维图纸用来生产加工。根据具体的设计方案，分别对总装配图、部件图、零件图进行工程图设计。利用CATIA中的ViewWizard命令，自动生成具体结构的三维视图然后进行详细的二维尺寸标注，在标注的过程中，要完全按照企业的具体要求进行。对已完成的工程图进行详细的校对、检查，确认无误后将工程图纸提供给相应的制造单位进行加工装配。

4结束语

近年来，伴随着经济和信息的全球化，国内制造业的生存环境，发展模式和竞争对手等都发生了剧烈的变化。想要在时代的进步中不断进取，始终立于不败之地，国内的制造业必须接受严峻的挑战。将实际工程与现代先进技术CAD/CAM相结合，能够很大程度的提高国内制造业关键技术的核心竞争力。车身焊装夹具的三维结构数字化设计，利用现代CAD/CAM技术，使产品设计走向模块化，标准化，提高了白车身焊装夹具的自动化、柔性化水平，大幅度的减少了新产品上市的周期及制造成本，对于提高国内制造业的竞争力具有举足轻重的现实意义。

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[5]卢重瑞.汽车焊装夹具三维设计.金属加工，2008(14):40-43.