焊接夹具的三维建模.docx
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焊接夹具的三维建模
第10章焊接夹具的三维建模
焊接夹具是焊装工艺的重要组成部分，它在焊接过程中确保零件形状、尺寸、精度符合产品图纸技术要求，同时焊接夹具的自动化程度还是影响零件生产批量的关键因素。
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倒角与圆角
夹点编辑的使用
本章向读者介绍汽车车身制造过程中的焊接夹具基于UG软件的设计思路和三维装配建模的一般方法。
重点知识
自顶向下零件设计方法
从底向上标准件的装配方法
装配排列的使用
练习案例
气动焊接夹具的加工件设计
气动焊接夹具的标准件装配
气动焊接夹具的装配排列
10.1焊接夹具概述
焊装夹具是在生产产品时的一种辅助手段，它是将工件迅速准确地定位并固定于所定位置，包括引导焊枪或工件的导向装置在内的用于装配和焊接的工艺装备的总称。
10.1.1焊接夹具的分类
焊接夹具种类繁多，按夹紧的动力源不同可分为：
1.手动夹具
它是以人力为动力源，通过手柄或脚踏板，靠人工操作的夹具。
它结构简单，具有自锁和扩力性能，但工作效率低，劳动强度大，一般在单件和小批量生产中应用较多。
2.气动夹具
它是以压缩空气为传力介质，推动气缸动作以实现夹紧的夹具。
它结构简单，使用方便，价格低廉，容易实现焊装过程的机械化和自动化，在焊装夹具中使用最广泛。
3.液压夹具
它是以压力油为传力介质，推动液压缸动作以实现夹紧的夹具，与气动夹具相比，它主要用于夹紧速度有要求以及夹紧力要求很大的场合。
4.磁力夹具
它主要是利用永久磁铁夹紧焊件的夹具。
其夹紧力小，磁力会逐渐减弱。
主要用于车身上小零件的上料，由于空间尺寸限制不易设置夹紧结构。
5.真空夹具
它是利用真空泵使夹具内腔形成真空，借助大气压力将焊件压紧的夹具，它主要用于夹紧容易引起变形的薄板件，尤其是车身顶盖等焊件在空中运输过程中常利用真空吸盘来夹紧。
6.混合式夹具
在一些大型复杂的夹具上，夹紧机构的结构形式有多种，而且还使用多种动力源，有手动加气动的，气动加磁铁的等等。
这种多动力源夹具，称做混合式夹具。
10.1.2焊接夹具的功用
7.提高了产品装配精度，优化产品质量
采用焊装夹具可以精确地对零件进行定位并牢固的夹紧，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。
8.缩短焊接时间，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。
虽然制作焊接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，使产品总成本降低。
9.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。
10.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能要求，也减轻了工人的劳动强度。
10.1.3焊接夹具的定位原理
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。
由力学可知，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），夹具定位的目的就是约束这6个自由度中的部分或全部，这样物体的位置和方位就能够唯一的被确定，所以自由度也是决定物体空间位置的独立参数。
10.1.4焊接夹具的设计要求
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的夹紧，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，不能影响焊接操作和焊工观察，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伸缩或转位。
4.夹紧可靠，刚性适当。
夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，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，又不使焊件的拘束度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，特别是夹具体的刚度，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的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（例如车间面积、起重设备、水电气供应情况和技术水平等）来选择焊装夹具的类型，设计夹具。
10.2焊接夹具方案设计
由于汽车产品的形式和种类繁多，在焊接过程中使用的夹具种类和要求也不一样，因而各种夹具在构造上有着很大的差别。
目前，汽车焊接夹具还没有统一的规格和标准化，均属于非标设计与制造的工艺装备，是根据具体车型的结构特点、生产条件和实际需要来进行设计与制造的，但其功用要求以及基本结构的组成上还是具有共性。
10.2.1车身焊接夹具的结构特点
由于车身形状复杂，大多是曲面结构，刚性差，易变形，因而车身焊接夹具在结构上有别于其他夹具，其主要特点如下：
11.车身焊接夹具设计采用过定位原则
因为车身零件一般为弹性体，刚性差，易变形。
尤其是当零件尺寸较大时，刚性更差，这些零件在其自身重量作用下都难以保证其准确的形状，
单纯采用六点定位原则定位，无法保证其位置和形状，因而需要采用工件表面或型面过定位的方式定位，即在焊点附近均需设置定位面，增加其刚性，其定位点的数量和位置会影响夹具的功能和焊件的质量。
车身焊装夹具的六点定位原理加过定位原则是区别于其他夹具的最主要特点。
12.车身焊接夹具定位面的形状复杂，精度要求高，设计制造难度大。
因为车身冲压件大多为空间曲面，这就要求夹具定位元件的工作表面必须与车身上相应的定位表面形状保持一致，这样才能在装焊过程中保证车身的外形。
因而定位件的定位表面大多是型面，而且其布置亦具有空间位置特点。
在夹具中定位的表面往往是取车身各重要部位的断面，因而焊装夹具定位件的工作表面只有用仿形或数控设备加工，才能使其获得准确的形状。
13.焊接夹具结构应尽量小巧，具有良好的开放性。
由于整个焊装过程是把许多个小零件按顺序逐个在夹具上定位和夹紧，待定位焊接完后形成一个整体，这时从夹具中取出的是已经连成整体的车身焊接件，其形状复杂，尺寸增大，重量增加，从焊装夹具上卸下的难度也增加。
因此焊装夹具的结构应使工件装卸方便，使工人操作方便，焊枪容易接近工作处，同时又要防止各相邻夹具之间发生干涉。
14.定位基准的选择。
由于车身焊装夹具主要用来保证车身各零件的相对位置精度和整体车身结构的形状精度，其定位基准尽量采用产品图纸上已有的孔，或者在设计时已考虑工艺的需要而事先确定的定位孔或定位面。
原则上优先选择平面，尽量避免选择曲面，降低其制造难度和成本。
由于生产批量大，分散装配程度高，为了保证互换性，要求同一构件的组合件、分总成，直至总成的装配基准一致，并与设计基准重合。
10.2.2车身焊接夹具的结构组成
虽然车身焊接夹具型式多种多样，但其组成结构基本类似，通常由支架、定位板、压板和夹紧器组成，如图10-1所示为气动夹具的一般结构。
15.定位板
它是夹具的核心零件。
其位置和形状是由工件相应位置的形状尺寸决定，它是焊装夹具中直接与工件表面接触的部件，它的形状尺寸精度直接影响了车身的焊接质量和装配精度，其定位面直接由工件型面的设计数值采用NC加工而成。
16.压板
它是夹具中的运动部件，通过它的运动实现对工件的夹紧和松开，保证焊接过程中工件位置不发生变动，其型面与工件表面的吻合程度以及夹紧力的大小影响了焊接时的贴合间隙。
图10-1焊接夹具的典型结构
17.连接支架
它通过圆柱销与定位板连接，使其成为一个机构整体固定在装焊台的基座面上，其制造精度直接影响夹具的准确性。
18.夹紧气缸
它是夹具的动力源，为夹具机构提供驱动力实现压板的运动。
由于气动方式结构简单、使用方便可靠、易实现机械化和自动化，现代夹具设计中主要选用气动夹紧方式。
10.2.3车身焊接夹具的设计依据
车身焊接夹具的定位夹紧方案不仅要满足合理可靠的定位以保证焊接质量，还要使整个焊接过程顺利进行，最终保证设备满足生产节拍的要求。
19.车身零件数模
焊接夹具的定位夹紧型面是以各个定位位置处的车身零件形状决定的，所以设计前必须要有车身零件的3D数模，并将它转化为UG格式装配在一起。
设计时根据工艺书要求将要定位夹紧处的零件型面截取出来。
20.焊点布置
焊接夹具设置的目的是为了保证焊接过程顺利进行，提高焊接质量和焊接生产率，所以必须明确焊点的位置，设计夹具的结构必须考虑到焊点的实施过程，保留足够空间让焊钳顺利进出进行焊接。
21.夹具工艺方案
夹具的工艺方案确定了零件在焊接装配过程中的定位基准，包括定位位置和定位夹紧型面，它是进行焊接夹具设计的指导性文件。
10.3加工件的三维设计
加工件是设计者根据设计方案自行设计并且需要专门绘二维图进行加工的零件。
设计时通常是在装配模式下运用自顶向下的设计方法。
【实例10-1】
气动焊接夹具加工件的三维设计
如图10-2所示为一汽车车架的子装配图，它是由8个车身零件焊接而成的小总成。
图10-2汽车车架的焊接结构
为了保证焊接质量，需要设置16套气动夹具进行定位夹紧。
夹具布置如图10-3所示。
现在以2930X/2946X处的夹具为例说明它的设计过程，该位置夹具的定位夹紧方式工艺给定如图10-4所示。
图10-42930X/2946X处夹具定位夹紧方式
图10-3汽车车架焊接夹具布置图
[1]启动软件UG/NX5，新建装配文件weldjig_asm.prt，单位公制，目录为Example\10\，如图10-5所示，系统自动进入添加组件对话框。
图10-5新建装配文件weldjig_asm.prt
[2]选取光盘中的部件文件Example\10\zhuangpei.prt，向装配模型中添加组件。
操作过程如图10-6所示。
[3]
图10-6添加已存组件zhuangpei.prt
[4]进入“建模”环境，以weldjig_asm.prt为工作部件，创建新组件，命名为jig1.prt。
操作过程如图10-7所示。
图10-7新建空组件jig1.prt
[5]转换jig1.prt为工作部件，建立车身零件在夹具定位2930X处的截面曲线，该截面曲线放置在81层，显示为双点划细线、绿色。
操作过程如图10-8所示。
图10-8截取车身零件2930X处的断面线
截面曲线也可以在建立后修改属性，选择【编辑】/【对象显示】命令，或单击【实用工具】工具条上的图标按钮
，出现类似与“对象首选项”对话框进行对象属性的修改。
[6]转换jig1.prt为显示部件，移动工作坐标系到断面线附近的整数值。
操作过程如图10-9所示。
图10-9移动工作坐标
[7]在当前YC-ZC平面开始建立第一个草图，草图建在21层。
操作过程如图10-10所示。
图10-10在YC-ZC平面建立第一个草图
[8]在同一平面开始建立第二个草图，草图建在21层。
操作过程如图10-11所示。
图10-11在YC-ZC平面建立第二个草图
[9]在同一平面开始建立第三个草图，草图建在21层。
操作过程如图10-12所示。
图10-12在YC-ZC平面建立第三个草图
[10]建立带有草图的加工件locator1.prt。
操作过程如图10-13所示。
图10-13新建加工件locator1.prt
[11]建立带有草图的加工件clamp1.prt。
操作过程如图10-14所示。
图10-14新建加工件clamp1.prt
[12]转换locator1.prt为工作部件，完成它的实体建模，实体建模特征放在1层。
操作过程如图10-15所示。
图10-15加工件locator1.prt的实体建模
[13]转换clamp1.prt为工作部件，完成它的实体建模，实体建模特征放在1层。
操作过程如图10-16所示。
图10-16加工件clamp1.prt的实体建模
[14]转换locator1.prt为工作部件，链接断面线。
操作过程如图10-17所示。
图10-17加工件locator1.prt链接断面线
[15]转换locator1.prt为显示部件，进行型面剪切。
操作过程如图10-18所示。
图10-18加工件locator1.prt进行型面剪切
1．【直纹面】中选择曲线使用【选择工具条】中的“单条曲线”；
2．【直纹面】中选择的两组曲线必须方向一致。
[16]转换clamp1.prt为工作部件，链接断面线。
操作过程如图10-19所示。
图10-19加工件clamp1.prt链接断面线
[17]转换clamp1.prt为显示部件，进行型面剪切和偏置。
操作过程如图10-20所示。
图10-20加工件clamp1.prt进行型面剪切和偏置
[18]
转换weldjig_asm.prt为显示部件，保存文件。
举一反三10-1创建2310X/2326X处夹具
在附盘上“Example\10\”中的weldjig_asm.prt文件中，建立新装配文件jig2.prt，截取10-21左图中2310X/2326X处的断面线，其定位夹紧方式如右图所示。
设计其加工件locator2.prt和clamp2.prt。
图10-21创建2310X/2326X处夹具
要点提示
1.打开装配文件weldjig_asm.prt，在其中新建文件jig2.prt为工作部件，截出车架装配件在2310X/2326X处的断面线。
2.根据截出的断面线按照定位夹紧方式设计草图。
3.将草图分离为加工件。
4.对各个加工件进行实体建模。
5.修剪、偏置加工件的型面。
10.4标准件的装配
标准件是设计过程中设计者选用的零件，包括国标件、外购件、企业标准件等，一般它们不需要专门设计，从专门的标准件库调用，采用从底向上的装配方法。
上例的气动夹具只是加工件设计结束，还需要装配支架、销轴、夹紧气缸和国标件。
其中支架和销轴是企业标准件，夹紧气缸是外购件，选用SMC公式的CK1A型气缸。
这些零件都已经建好了3D数据库。
下面介绍一下气动夹具中常用企业标准件和外购件的建模特点以及装配过程。
1．
支架
支架结构如图10-22所示，它的高度是个系列化参数，有300、350、400、450、500一共5个系列，是通过UGNX5中的部件家族来实现的。
其用于部件族的命名表达式列表如图10-23所示，部件族的工作表如图10-24所示。
图10-22支架图10-23表达式列表
图10-24支架部件族工作表
2．销轴
销轴结构如图10-25所示，它的直径是个系列化参数，也是通过UGNX5中的部件家族来实现的。
部件族的工作表如图10-24所示。
长度L为特征参数，通过表达式修改。
图10-25销轴图10-26销轴部件族工作表图
3．夹紧气缸
夹紧气缸CK1A63-100Y的结构如图10-27所示，63为缸径，100为气缸满行程，实际使用时不用到满行程，一般预留5mm行程余量。
气缸行程是通过配对约束中的一个距离量参数来控制的，如图10-28所示：
距离表达式的值=气缸行程-100。
图10-27夹紧气缸
图10-28夹紧气缸行程控制参数
【实例10-2】
气动焊接夹具标准件的装配
[1]在jig1.prt装配件中继续操作。
[2]确定jig1.prt为工作部件，装配企业标准件——支架，操作过程如图10-29所示。
图10-29装配企业标准件——支架
[3]装配企业标准件——销轴，操作过程如图10-30所示。
图10-30装配企业标准件——销轴
[4]装配外购件——夹紧气缸，操作过程如图10-31所示。
图10-31装配外购件——夹紧气缸
装配约束时使用“配对约束”对话框中的“预览”按钮，若配对结果不合要求，使用“备选解”按钮
进行切换。
[5]将部件族成员重命名在设计目录中，操作过程如图10-32所示。
图10-32部件族成员重命名
部件族成员在初始装配时创建，文件名服从工作表中的文件名，目录服从“部件族”对话框中“族保存目录”列表框中的目录。
我们需要将它重命名在我们的设计目录中。
举一反三10-2
结果文档Result/10/jig2.prt
动画文档AVI/10/jig2-1.avi
知识要点练习使用配对条件对话框功能进行零件从底向上设计的方法
2310X/2326X处夹具添加标准件
继续操作例“举一反三10-1”，在设计好加工件的jig2.prt中添加支架、销轴和夹紧气缸，其中夹紧气缸也同样使用CK1A63-100Y。
要点提示
1.支架底面在－450Z位置的平台上，根据其位置选用系列中合适高度的支架，要求尽可能定位板小巧。
2.注意配对约束类型的选择。
3.注意部件族成员的重命名，否则下次打开装配找不到组件。
10.5焊接夹具的装配布置
装配布置允许为部件中的一个或多个组件指定不同的位置，根据需要可以保存多个布置，利用布置可以使用户在装配中不同的组件位置之间方便地进行切换。
10.5.1装配布置综述
装配布置可以指定为以下三种类别之一：
∙激活：
激活布置对显示部件有效；它控制当前显示部件及其下每一个子装配使用的布置；激活的布置在装配布置对话框中的列表框中其名字前用一绿色标记。
∙默认：
默认布置是用户装配组件时的布置，它可以通过装配布置对话框修改。
∙使用：
控制子装配的一个布置。
一个子装配使用的布置是由它的父布置决定的。
通过在装配布置对话框中复制与重命名，可以按需要建立许多附加的布置，但必须有一个激活的布置和一个默认的布置，也可以一个布置同时是激活的和默认的。
10.5.2装配布置对话框
选取【装配】/【组件】/【布置】命令，或在组件名字处单击MB3选择【布置】/【编辑…】，弹出【装配布置】对话框，如图10-33所示。
图10-33装配布置对话框
利用该对话框，可以进行装配布置的建立、删除、更名、查看、指定布置属性以及设置布置等操作。
∙设置使用布置
：
设置选择的布置为使用的布置。
∙设置默认布置
：
设置选择的布置为默认布置，此时绿色的出现在列表框中选择的排列前。
∙新建
：
创建一个新的布置并添加到列表框中。
∙复制
：
复制一个已存布置，通过修改它建立一个新的布置。
∙删除
：
删除列表框中选中的布置。
∙重命名
：
用于更改选择布置的名称。
用户也可以通过单击高亮度的名字进行重命名。
∙信息
：
查看选择布置的有关信息，包括选择的布置是否由任一其他加载的装配、爆炸视图等使用。
可以选择多个排列的信息功能。
∙属性
：
打开所选择布置的【布置属性】对话框，如图10-34所示。
图10-34装配布置属性对话框
在该对话框中，选项“忽略所有配对约束”可以控制组件的位置是否由配对约束决定。
10.5.3焊接夹具的装配布置
焊接夹具根据使用可以出现夹紧和打开两种状态，它是通过夹紧气缸活塞杆的上下两个不同位置决定的，当活塞杆行程为0时，压板打开；当活塞杆行程为95mm时，压板夹紧，即当前设计状态。
我们通过UGNX5中的装配布置来定义气缸及夹具的这两种状态，随时可以进行状态切换。
【实例10-3】
气动焊接夹具的装配布置
[1]继续使用焊接夹具装配文件jig1.prt。
[2]为jig1.prt建立两个装配布置OPEN和CLOSE。
操作过程如图10-35所示。
图10-35建立jig.prt的装配布置
[3]修改组件clamp.prt的装配引用集为MODEL，确认jig1.prt当前装配布置为OPEN。
操作过程如图10-36所示。
图10-36修改clamp的装配引用集
[4]添加装配约束。
操作过程如图10-37所示。
图10-37添加装配约束
[5]转换夹紧气缸CK1A63-100为工作部件，同样建立两个装配布置OPEN和CLOSE。
操作过程如图10-38所示。
图10-38建立CK1A63-100.prt的装配布置
[6]修改夹紧气缸CK1A63-100的装配布置OPEN的属性。
操作过程如图10-39所示。
图10-39修改CK1A63-100.prt装配布置OPEN的属性
[7]修改夹紧气缸CK1A63-100的装配布置OPEN中组件CK1A-100-SHAFT的位置，使它向下移动伸出的行程95mm。
操作过程如图10-40所示。
图10-40修改CK1A63-100.prt装配布置OPEN中组件的位置
[8]转换jig1.prt为工作部件，修改它的装配布置CLOSE的状态。
操作过程如图10-41所示。
图10-41修改jig1.prt的装配布置CLOSE的状态
[9]切换jig1.prt的两个装配布置OPEN和CLOSE。
操作过程如图10-42所示。
图10-42切换jig1.prt的装配布置OPEN和CLOSE
举一反三10-3
2310X/2326X处夹具的装配布置
继续操作例“举一反三10-2”，对已经装配好的jig2.prt建立装配布置，气缸带动压板两个状态：
打开和夹紧。
其中打开时气缸行程0mm；夹紧时气缸行程95mm。
要点提示
1.将默认装配布置复制，然后重命名。
2.jig2.prt的装配布置是由子装配“夹紧气缸”的装配布置决定的。
10.6小结
本章讨论了汽车焊装线上气动焊接夹具的一般设计方法，涉及到基本概念、零件建模的基本方法、装配建模方法、装配布置等内容。
其中，零件自顶向下设计、标准件从底向上装配是设计机械产品的基础，必须熟练掌握和灵活使用。
通
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