一种机械可调式柔性三维定位单元的设计与应用

汪红 张惠立 李福贵 张正举

摘 要：新车型研发的样车阶段，白车身焊接定位过程中，每个新车型的车身前、后大梁焊合件定位孔的直径一致，但基于各个车型定位孔的坐标一般不相同，以前在设计软工装定位单元时，对应不同车型需要设计不同的定位夹具。该设计满足了在不同车型白车身焊接过程中，可以柔性使用同一套定位单元实现不同车型大梁在下车体和总拼焊接过程中的定位夹紧。对样车试制阶段在成本、质量、时间等方面的控制得到了提升。

关键词：样车试制;白车身焊接定位;机械可调式;柔性三维定位单元

1 背景

在新车型样车试制过程中，定位夹紧车身大梁焊接的定位单元夹具一般不能重复利用，因为在每个车型中存在X向、Y向、Z向位置的变化。在正式工装线或样车试制软工装线中已有存在NC柔性三维定位单元机构，此类机构通过数控程序可实现三个方向的位移移动，但是，在样车试制阶段使用该机构成本高，占用空间大。

为提升软工装夹具在各个新车型白车身焊接定位过程中的柔性，减少夹具制作成本，提高装夹效率和质量，现设计一种机械可调式柔性三维定位单元夹具，实现软工装定位单元夹具的模块化通用性，如图1所示。

2 车身前、后大梁定位及现状分析

2.1 车身前、后大梁定位策略

本公司的新车型在PPO焊接过程中，零件一般以总成焊合件方式运送到焊接现场，通过下车体、侧围、总拼工位拼焊成白车身。前大梁也是以焊合件总成形式进厂焊接。对于后大梁，后大梁与后地板焊合在一起，以后部下车体焊合件形式进厂，定位策略方式与前大梁类似。

2.2 车身前、后大梁传统定位单元夹具方式

车身前、后大梁传统定位单元，通过每个车型的定位策略进行设计，每套定位单元对应匹配于各个车型，由于每个车型结构、尺寸不一致，各个定位点的汽车坐标位置也不一样，所以不能实现柔性。

3 车身前、后大梁定位单元的优化设计

为提升软工装夹具的模块化、标准化，现设计了一种机械可调式柔性三维定位单元，可同时实现在下车体和总拼焊接的柔性使用。

3.1 机械可调式柔性三维定位单元的装配结构

如图1所示是前、后大梁优化设计定位单元夹具的装配结构示意图，该定位单元主要由1-X向滑移组件、2-Y向滑移组件、3-支撑柱、4-Z向滑移组件、5-勾销组件、6-顶出机构、7-夹紧机构、8-连接板装配组成。

X向滑移组件（1）与Y向滑移组件（2）通过螺栓连接重叠固定，Y向滑移组件底板固定在X向导轨组件上，实现位移一致性;支撑柱（3）连接到Y向导轨组件（2）上;Z向滑移组件（4）固定在支撑柱（3）垂直面，增加支基或过渡板，可以避免Z向滑移组件（4）与Y向滑移组件（2）发生干涉;连接板（8）与Z向滑移组件（4）装配连接;勾销组件（5）与顶出机构（6）沿X向布局在连接板（8）上;夹紧机构（7）沿Y向固定在连接板（8）上。

3.2 机械可调式柔性三维定位单元的工作原理

定位单元各组件装配完成后，作为一个整体，通过X向滑移组件底板固定在基础拼台设计位置。

工作原理：通过移动X向滑移组件（1），实现X方向产品零件定位位置与夹具重合;移动Y向滑移组件（2），实现Y方向产品零件定位位置与夹具重合;移动Z向滑移组件（4），实现Z方向产品零件定位位置与夹具重合。X、Y、Z三个方向通过三坐标测量移动到设计位置后，勾销组件、顶出机构、夹紧机构也移动到定位单元理论开夹状态。拿取大梁焊合件放到拼台大梁定位单元勾销里，关夹时，开启勾销组件（5）的气动开关，使勾销处于工作状态，夹紧大梁，实现Z方向零件夹紧;操作夹紧机构（7），手动（软工装）夹紧大梁焊合件的Y方向。零件焊完后，开夹时，打开夹紧机构（7），打开勾销组件（5），开启顶出机构（6）的气动开关，顶起零件总成脱离勾销，方便整个焊接总成的起吊。

3.3 机械可调式柔性三维定位单元的各组件结构分析

3.3.1 X、Y、Z向滑移组件

如图2所示是X向滑移组件结构示意图，Y、Z向滑移组件结构类似。现就以X向滑移组件作结构分析说明。

（1）组成：X向滑移组件由11-X向底板、12-限位块、13-螺杆、14-导轨、15-螺杆导套组成。

（2）工作原理：在X向滑移组件（1）上，通过導轨（14）滑移块滑移到理论设计位置，然后借助内六角扳手扭动螺杆（13）扭紧。螺杆（13）装配在限位块（12）里，起到支撑固定作用，也避免导轨滑移脱落，螺杆导套（15）保证螺杆各向位移的一致性。Y向滑移组件（2）与Z向滑移组件（4）的位移调节方式类似。

（3）各结构分析

X向底板：底板上等距布局10个100×10012销孔，可以保证在基础拼台上任意位置实现2销3螺钉固定连接。

限位块：固定在X向底板的2端，加工一个20的过孔装配螺杆，对螺杆起支撑固定作用。

导轨：沿X向布局固定在底板上，导轨滑块连接在Y向滑移组件的底板中间，相向错位布置螺杆，实现±100mm值调整。

螺杆：2根螺杆加工M12的螺纹，固定在限位块上，起到对导轨滑移位移的固定。

导套：固定在Y向滑移组件底板上，起到引导固定作用。

3.3.2 支撑柱

支撑柱通过过渡板固定在Y向滑移组件上，通过增高或缩短尺寸来满足Z向滑移组件能保证±100mm值调整，支撑柱一般按50的倍数进行设计加工。

3.3.3 勾销组件

勾销组件直接选用现有标准件，便于采购。

3.3.4 夹紧机构

此机构的结构与软工装其它定位单元的夹紧方式一致，在这里是为实现Y向的夹紧。

3.3.5 顶出机构

如图3所示是顶出机构结构示意图，现就顶出机构作如下分析

（1）组成：顶出机构由61-L连接板、62-抗扭气缸、63-顶撑基座、64-顶撑块组成。

（2）工作原理：先确保勾销处于打开状态，再开启顶出气缸开关，顶撑块跟随顶撑基座一同上升，顶起焊接总成，脱离勾销，确保了总成的顺利起吊。

（3）结构分析：

L连接板：设计为L型，方便与气缸连接后固定在连接板（8）上。

抗扭气缸：选用扁平抗扭气缸，保证了顶出过程的平顺进行。

顶撑基座：与气缸连接，随气缸一起运动，基座上再用螺栓固定顶撑块，便于装拆。

顶撑块：采用尼龙加工，型面匹配产品顶出位置，留有5mm间隙，避免与勾销定位面干涉。不同车型的型面不一致，需要匹配车型加工更换。

4 机械可调式柔性三维定位单元的应用

经过优化设计后，前、后大梁的定位单元夹具可以重复利用在不同车型或同一车型的不同阶段。每个车型在下车体焊接时，前、后大梁焊合件定位时共需8个定位孔，也就是说，在下车体可以用8套这种机械可调式柔性三维定位单元进行定位夹紧。以后其它车型可以不需再设计这8套夹具（除个别构件需重新加工外）;总拼下车体定位同理。对定位大梁夹具优化后，可以实现总计14套定位单元的柔性。现场使用情况如图4所示。

5 总结

对大梁定位单元的优化设计主要体现在三方面：

1.增加了X、Y、Z三向滑移组件。各组件机构可以三维各向独自直接进行机械移动调整，不存在干涉。可以实现±100mm移动。

2.增加勾销组件。在软工装夹具上加气动构件，使用勾销定位夹紧大梁，提升了大梁的定位夹紧精度。

3.增加顶出机构。车身在焊接完成后，在起吊总成时常会出现定位孔与定位销刮擦情况，这可能会引起总成变形，也不方便吊起。布局4个顶出机构在4套定位单元上，顶撑块作用于前、后大梁上，把大梁頂出勾销，再进行起吊总成操作，避免了焊接总成与定位销的碰撞。

该三维定位单元不但结构紧凑，占用空间小;还可以三向可调，能实现位移大范围调整，而且精度高;使用气动装置提升了装夹效率、焊接精度;而且此种定位单元可以柔性在不同的车型上，实现重复利用，节约成本。软工装定位单元后续还有很多可以进行优化设计，实现软工装夹具的模块化、标准化。

参考文献：

[1]宋晓琳.汽车车身制造工艺学[M]. 北京：北京理工大学出版社.2006.

[2]王纯祥.焊接工装夹具设计及应用（第2版）[M].化学工业出版社.2014.