基于ug的汽车焊装夹具三维设计学士学位论文.docx
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基于ug的汽车焊装夹具三维设计学士学位论文
毕业设计说明书
基于UG的汽车焊装夹具
三维设计
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基于UG的汽车焊装夹具三维设计
摘要
汽车夹具是保证车身焊装质量的重要因素,影响整个汽车的制造精度和生产周期。
以某汽车前地板预总成焊装夹具的设计为例介绍了汽车车身焊装夹具的结构特点和基本要求,阐述了基于UG的汽车车身焊装夹具的三维设计方法。
关键词：
焊装夹具,设计周期,制造精度
Automobileweldingfixturethree-dimensionaldesignbasedonUG
Abstract
autojigareimportantfactorstoensurethequalityofautomobilebodywelding,influencethemanufacturingprecisionofthewholecarandproductioncycle.Toadvancethefloorbeforethecarassemblyweldingfixturedesignasanexamplethispaperintroducesthestructurecharacteristicandthebasicrequirementoftheautomobilebodyweldingjig,elaboratedtheautomobilebodyweldingjigbasedonUGthree-dimensionaldesignmethod.
keywords:
manufacturing,designcycle,precisionweldingfixture
1绪论
1.1我国汽车工业近况
汽车工业水平可以在很大程度上衡量一个国家的制造业水平。
加入WTO十年以来，尽管面对着国外优秀汽车企业的市场压力，我国汽车工业依然实现了最好最快的十年发展，如图1.1所示。
图1.1我国01年至09年的汽车销量及增长率
2009年1月11日，中国汽车工业协会发布数据，2009年中国汽车产销分别双双超过一千三百万辆，同比增长达百分之四十五以上，一举取代日美成为全球最大的汽车生产国和消费市场。
2010年，中国汽车行业继续保持较快的增长势头，汽车产销双双超过1800万辆，蝉联全球第一，分别达到1,826万辆和1,806万辆，同比增长32.41%和32.40%。
其中，乘用车产销1,382万辆和1,375万辆，同比增长33.14%和33.11%。
2011年，汽车产销1,842万辆和1,851万辆，同比增长0.84%和2.45%。
汽车工业是一个庞杂的经济产业链。
发达国家的经验表明，汽车工业每增值1元，会给上游产业带来0.65元的增值，给下游产业带来2.63元的增值。
相比于普通产品，汽车产品具有更高的综合性和技术复合性，因而汽车生产表现出大规模和技术密集的特点，所以汽车工业的水平的提高有赖于整个国家工业的整体水平。
近些年来国家花大气力对汽车工业进行扶助，尽管取得了长足的进步，但是仍然难望德日美等工业强国的项背。
我国汽车工业存在R&D能力不足，产业结构杂乱，零部件工业水平落后等明显短板。
汽车制造业的大规模生产、高密集的资金和技术投入的特点，要求汽车制造工艺必须实现生产效率的提高。
而汽车焊装工艺和焊装夹具的设计在整个工艺过程中的重要性是显而易见的[1]。
1.2汽车车身焊装夹具综述
1.2.1车身焊装生产线的组成
汽车白车身（BodyInWhite）的所有成型工位称之为车身焊装生产线，其中包括车身总线和子总成线（车身焊装生产线包括：
1车身完成线；2主焊线；3地板总成线；4侧围总成线；5移动线；6子线）。
每一装配总成包含了许多焊装工位。
本文涉及到的内容是每个工位内的定位夹紧夹具的设计方法。
1.2.2焊装夹具在焊接中的作用
车身从一般感性上认识既是汽车的薄壁冲压外形，它对结构、强度和工艺都有着严格的要求。
焊接是车身成形的关键。
白车身之下的各级构成焊装组件如图1-01所示。
考虑到车身冲压件的薄壁特性，因而为确保各零件在焊接处的贴合和相互位置，在焊装过程中必须依赖专用的多点定位夹紧的焊装夹具。
因此，焊装夹具设计直接决定着最终的车身质量，其设计必须以车身主模型为依据。
因此，焊接夹具必须在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的顺利，保证整个车身的装配精度。
图1.2白车身的各级组成
1.2.3焊装夹具
焊接夹具作为产品生产过程中一种有效的辅助方式，可以实现工件定位的快速准确化，包括指引焊枪或工件的导向装置在内的用于装配和焊接技术的工艺设备的总称。
焊接夹具的出现使得金属结构焊接工艺产生了巨大变化，由于它极大地方便了焊工操作，提供了效率。
同时相比于以往，其能够更好地确保焊接产品形状尺寸误差符合设计要求。
简单的焊接夹具对设计人员来说易于掌握，汽车工业的蓬勃发展最终使得焊装夹具的设计发展成了一种工业技术，形成了独特的设计理论和方法[2]。
1.3汽车焊装夹具应该解决的问题
每一套夹具都有自己特定的工作环境，需要考虑的方面也各不相同。
但是要设计一套合理的汽车夹具应该解决以下问题：
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.使用时要安全可靠，在夹具上凡是受力的各种器件，都应该具有足够的强度和刚度，足以承受重力和焊件变形所引起的各个方面的力。
3.焊装夹具要便于操作，在保证强度和刚度的前提下，应该轻便灵巧；定位、夹紧和松开应该省力又迅速。
4.夹具应该容易制造和便于维修，夹具零部件应该尽量标准化、通用化、易于加工制作；易磨损的零件要便于更换。
5.成本要低，制造时投资少，且要能源消耗小和管理费用少。
6.应该便于施工。
夹具应使装配和焊接过程简化，操作程序合理；工件装卸应当方便；能够保证装配和焊接过程的正常进行；采用焊枪的夹具，应该考虑下电极的结构形式和必要的导电绝缘装置，以减少阻抗和分流；能使焊缝处于简便施焊的位置；具有供焊枪、焊钳、焊距进出和移动的空间和工人自由操作的位置；在夹具上便于进行中间质量检查等。
7.车身总成焊装夹具结构复杂，在制造和使用中应该能够调整样架来进行校正。
8.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。
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[3]。
1.4UGNX6.0简介
UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计与计算机辅助制造）系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。
诞生之初由于其对硬件的要求主要基于工作站，随着计算机设备的飞速发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前UG已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。
SiemensPLMSoftware公司是全球领先的产品生命周期管理软件和服务供应商，在全世界拥有近五万客户，公司倡导软件的开发性与标准化，并与客户密切协作，提供产品数据管理、工程协同和产品设计、分析与加工的完整解决方案。
主要客户包括，通用汽车，通用电气，福特，波音麦道，洛克希德，劳斯莱斯，普惠发动机，日产，克莱斯勒，以及美国军方。
几乎所有飞机发动机和大部分汽车发动机都采用UG进行设计，充分体现UG在高端工程领域，特别是军工领域的强大实力。
在高端领域与CATIA并驾齐驱。
UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础[4]。
1.4.1UGNX6.0的优势
来自SiemensPLM的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。
NX包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。
如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。
为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策[13]。
NX是UGSPLM新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。
NX独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。
NX可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。
NX建立在为客户提供优秀解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以大幅提升设计效率，同时降低成本，并大大缩短生产制造周期。
通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新，NX的成功已经得到了充分的证实。
这些目标使得NX通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中[5]。
1.4.2UGNX6.0主要功能
UnigraphicsNX为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式，它不仅对几何的操纵，更重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发。
UnigraphicsNX能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的知识，事实证明为企业带来了战略性的收益。
来自UGSPLM的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。
NX包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。
工业设计和风格造NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。
利用NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。
产品设计：
NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。
NX具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。
NX优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。
仿真、确认和优化：
NX允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。
通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖[14]。
NC加工：
UGNX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UGNX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：
如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。
该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。
该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。
UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。
UGNX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2～5轴或更多轴的铣削加工、2～4轴的车削加工和电火花线切割。
有序的开发环境:
NX产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。
NX与UGSPLM的其他解决方案的完整套件无缝结合。
这些对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。
2汽车焊装夹具设计的注意事项
2.1设计式样书的说明
设计项目主管根据用户提供的技术要求制订设计式样书。
设计者根据夹具设计的定位唯一性、定位稳定性、夹紧稳定性及总体约束等要求，在设计式样书中确定整个夹具设计的方案。
通过式样书中对定位夹紧点进行的总体规划，汽车白车身的拼焊精度得以保证。
夹具式样书对方案进行整体构思，从而尽可能地优化定位夹紧点的布局方案。
这种总体规划提高了车身的焊装精度，降低了车身精度的变化率。
夹具式样书对夹具的设计具有重要的指导意义，对提高夹具的设计合理性、缩短夹具调试周期也起到十分关键的作用[15]。
2.1.1生产过程
1、工艺流程：
被被装配工件的上料、焊接顺序。
2、工作总布置图
3、工位参数：
生产量，运行时间，运行效率，生产节拍，夹具类型（固定、旋转、移动），操作高度，夹紧方式（手动、气动），有无顶升装置，上料方式（手动、吊装、自动），取料方式（手动、顶出、自动），操作者数量等等。
4、被焊零件结构分解图
5、被焊零件明细（零件名、零件号、零件厚度和材料）
6、焊接设备和方法，焊点数量
7、焊点布置图
MCP图标明了车身装配过程中需要设置夹具定位的位置，本图中夹具的分布对称可以保证焊接质量，防止零件在焊接过程中变形的部位。
在MCP图中，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）。
WH10汽车焊装夹具设计的MCP图如图2.1所示：
图2.1WH10工位的MCP图
2.1.2主要控制断面的形状（MCS）
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。
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，他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[6]。
本次WH10汽车焊装夹具设计总共需要设计6套夹具，MCS图如2.2、2.3和2.4所示：
图2.2S4和S5的MCS图
图2.3S1和S2的MCS图
图2.4S2和S7的MCS图
2.2设计中文件管理规定
2.2.1文件目录命名规则
1、项目名／工位名／GA——存放本工位夹具总图及其气路图
2、项目名／工位名／UNIT——存放本工位夹具单元及其零件
3、项目名／工位名／PNL——存放本工位设计用PNL
4、项目名／工位名／GUNCHECK——存放本工位焊点、焊枪、焊枪打点示意图
5、项目名／工位名／STD——存放本工位设计用标准件、外购件、国标件
6、项目名／工位名／MOTION——存放本工位各套夹具的运动分析
7、项目名／工位名／FILE——存放本工位各种清单表格及其设计式样书，设计参考文件
8、项目名／工位名／mystyle——存放本工位设计用的二维图纸
其具体的示例如下图2.5所示：
图2.5总装图
2.2.2文件命名规则
1、加工件工位代号－UNIT号－零件序号
2、WH10－00－00——WH10工位的GA;
WH10－01－00——WH10工位的U01;
WH10-01-01——WH10工位U01的零件01;
3、标准件名称与标准件号一致例：
YWB0104-12X35;
4、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”CK1B63-75_70;
5、国标件国标号-型号
例：
GB93-87-8代表弹簧垫圈8;
其具体的示例如下图2.6所示：
图2.6每套的总装图
2.2.3图层的设定
表2.1图层的相关规定
优选图层
可用图层
内容
优选图层
可用图层
内容
1
1-10
实体模型
61
61-70
BASE
TAP车线
11
11-20
夹具打开状态
71
71-80
GA车线
21
21-40
草图
81A
82B
81-90
车身端面
41
41-50
参考点线面
91
91-100
PNL片体
51
51-60
夹具或附属
装置车线
101
101-120
Drafting
2.2.4文件搜索目录的配置
具体配置方法：
文件—选项—加载选项—定义搜索目录…示例如图2.7所示：
图2.7加载选项图
2.2.5夹具的具体设计过程
导入PNL文件—截断面—设计定位板和压板—装配标准件和外购组件组成夹具单元—焊接干涉检查—总装图（GA）
2.2.6夹具中有关颜色设置的规定
图2.8颜色设置
下面我将介绍一下自己所设计的四套夹具，并将以其中的一套夹具为例介绍一下自己的设计过程。
3WH10汽车焊装夹具的具体设计过程
WH10汽车焊装夹具设计共需设计6套夹具，其中H1/H3/S4/S8与S1/H2/H4/S5、S6/H6与S5/H7、S2与S3结构两两相同。
因而在设计出前三套夹具之后，将其进行移动或对称等变化，即可完成剩余三套夹具的设计。
从MCP图中可以看出S1、S3套夹具所采用的夹具结构相对简单。
销H6和销H7以相同的结构分别安装在S6和S5上。
而H1/H3/S4/S8有3个压点，两个定位销和3个支撑点，结构较为复杂，所以本文以此套夹具为例讲解夹具的典型设计过程。
首先将先行设计完成的三套夹具的三维装配模型和WH10工位的三维总成进行展示，以使对焊装夹具的设计产生直观的印象和感性的认识[7]。
其具体结构如下图3.1至3.4所示：
图3.1WH10-01-00夹具
图3.2WH10-02-00夹具
图3.3WH10-03-00夹具
图3.4WH10-00-00总装配
下面将以图3.3所示的WH10-03-00为例具体介绍一下自己夹具设计的主要过程和思路。
3.1导入PNL文件
1、按照2.2.2章节的标准新建文件夹。
在GA文件夹中建立prt文件：
WH10-00-00
2、按照绝对坐标原点将焊枪、焊件等实体装入GA。
3、在GA下点击添加新组件WH10-01-00空文件），并将其设为工作部件。
3.2截断面
根据式样书中所提供的夹具压点位置来确定夹具单元的断面位置（MCP图），如图3.5所示在41层建立基准面，以基准面为刀具PNL实体为目标截出所需要的断面线。
具体的操作步骤是：
点击
-
-
，弹出剖面曲线对话框后，将关联输出取消。
选择PNL对象后，再选择基准面作为刀具截出端面线。
接完后的效果如图3.7所示。
将截面线移动至81、82两层，点击对象显示，进行颜色和线型显示的编辑[8]。
图3.5在压点位置处建立的基准面
图3.6剖面对话框
图3.7截面线
对所截出的断面线一般规定：
A绝对值小的一面产生的截面线，编辑显示为橙色双点划线，置于81层；
B绝对值小的一面产生的截面线，编辑显示为橙色双点划线，置于82层；
3.3夹具的整体设计
截出好断面线之后，根据设计式样书要求对夹具进行设计。
将草图建立在用来截取断面线的基准面上即可。
基于UG的夹具设计思想是一种自上而下的建模思想。
因而草图是整个夹具设计的基础，对草图要进行严格的尺寸和位置约束。
注意图3-6中强调的几个尺寸。
左侧强调的气缸杆与连接板旋转轴之间60mm尺寸由设计经验确定，这种情况下夹具通常能够打开。
右侧的几个尺寸是基于购买件垫片的尺寸设计[9]。
3.3.1确定旋转点
依据：
压板打开状态，汽缸行程及安装位置，将工作坐标变换到定位面附近，以断面为基准建立草图，并通过编辑-变换命令进行简单的打开分析（为方便工件的取放，变换后的工件应在截面线最远处的30mm以外）。
3.3.2确定汽缸安装铰支点的位置
1构建连接板、定位块、压板臂、压块的大致轮廓
通过观察和思考MCP图，可以想到其所给定的结构有所不足，因此考虑到应将其压板臂的结构进行改变，使其更好的满足需要。
经过询问老师，自己决定建压板臂设计成直角的形式可以更好的满足实际的需要。
2生成零件的大致形状
a在夹具单元文件中建立各零件的空文件。
b在各零件的文件中分别链接装配的相应草图。
图3.8完全约束后的WH10-30-00草图
图3.9LINK草图
3.3.3在零件图中进行建模
在草图建立好，在装配中添加新组件。
如图3.9所示，将草图link到各个零件图中进行拉伸，完成夹具单元中各加工件的基本建模。
在拉伸之后应当注意模型的修改，例如本套夹具中的压板壁在拉伸的基础上，通过垫块命令，实现与连接板垂直的横向直板来固定压块。
垫块参数及最终效果如下图3.10所示。
图3.10压板臂
两个定位销采用如下图3.11所示的安装方式：
图3.11定位销
定位块、压块和支撑点的结构如下图3.12所示：
图3.12将销隐藏后观察夹具的压块定位块的布置结构
连接板等其他部件的设计方式可以采用普通的设计方法来完成。
到此需要自己进行设计的部分已经完成。
每次拉伸完毕后对拉伸的组件都应按要求进行颜色的设定，设定要求参照图2.7所示。
3.3.4焊接干涉检查
将该套夹具的焊枪按照安装汽缸相似的方法安装到PNL文件上，检查设计好的夹具是不是与焊枪存在干涉，如果存在干涉则继续修改否则不用修改[10]。
3.3.5完成总装图
至此该套夹具的设计和安装单元已经完成。
4WH10汽车焊装夹具设计的打开状态
将夹具进行模拟仿真之后，可以看出观察其打开状态的三维模型。
通常要求夹具在完全打开时
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