B12D后轮罩螺柱焊装配机的设计.docx
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B12D后轮罩螺柱焊装配机的设计
摘要
本论文是对B12D后轮罩螺柱焊装配机的设计，该课题是来自东风有限公司设备制造厂。
本论文主要介绍了怎样设计薄板件焊装夹具，由于薄板件容易变形和制造误差的特征，使得薄板件焊装夹具设计区别于普通机械加工件的定位夹具。
结合焊装夹具设计资料，总结了焊装夹具在设计上要注意的部位和要点。
焊装夹具所起的作用是定位，夹紧，减小薄板件焊接变形，保证薄板件的焊接精度的重要作用。
薄板件焊装夹具的设计过程包括，焊装夹具总体的设计，定位点的确定，夹紧点的确定，合理确定焊装夹具的局部设计，进行分析，确定是否合理，同时是否满足技术要求。
关键词：
焊装夹具；薄板件；夹具设计。
Abstract
ThisthesisisB12Drearwheelcoverstudweldingassemblymachinedesign,thesubjectisfromDongfenglimitedequipmentmanufacturingfactory.
Thisthesisintroduceshowtodesignweldingjipofmetalsheet,duetothecharacteristicsofthemetalsheetofeasilydeformedandmanufacturingerrors,theweldingjipofmetalsheetdesignisdifferentfromordinarymachiningpositioningfixture.Combinationofweldingjipdesigninformation,summarizestheweldingjipinthedesignofthesiteandpointstonote.Theroleplayedbytheweldingjippositioning,clamping,reducingthedeformationofthinpiecesofweldingtoensuretheimportantroleofthemetalsheetofweldingaccuracy.
Thinpiecesofweldingjigdesignprocess,includingtheoverallweldingjigdesign,positioningpoint,theclampingpointtodetermine,rationallydeterminethelocalweldingjigdesign,analysis,anddeterminewhetheritisreasonabletomeetthetechnicalrequirements.
Keywords:
Weldingjig;Metalsheet;Gripdesign.
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
1绪论3
1.1本课题的来源、目的及意义3
1.1.1课题的来源
1.1.2课题的目的
1.1.3课题的意义
1.2本课题背景及国内外研究现状3
1.2.1课题的国内外研究现状
1.2.2课题的研究趋势预测
1.3焊装夹具的结构及要求4
1.3.1典型的焊装夹具基本结构4
1.3.2焊装夹具设计的基本要求7
1.4本课题研究的主要内容7
2总体方案的确定8
2.1后轮罩螺柱焊装夹具总体方案
2.2后轮罩螺柱焊装夹具定位方法的确定
2.3后轮罩螺柱焊件的介绍8
2.4确定焊点以及焊枪8
2.5定位后轮罩9
2.5.1定位基准的选择9
2.5.2定位点的选择10
2.5.3定位方式和定位元件的选择11
2.6夹紧后轮罩14
2.7后轮罩焊装夹具的局部设计15
2.7.1定位夹紧装置的确定15
2.7.2夹紧装置的确定17
2.7.3辅助支撑的确定18
2.7.4BASE的确定18
2.7.5附件的确定
2.8夹具的装配工艺图15
2.9夹具的工作原理
3机械部分的计算与分析26
3.1设计要点26
3.1.1支座高度
3.1.2夹紧力的计算
3.2生产节拍的计算2
4结论与展望41
4.1结论41
4.2展望41
结束语42
致谢43
参考文献44
1绪论
1.1课题来源、目的及意义
1.1.1课题来源
本课题将针对东风有限公司设备制造厂制造车间实际的B12D后轮罩螺柱进行焊装配机设计，对其进行科学分析、计算、设计，以期最终形成科学合理的方案，并满足所要求的技术参数。
1.1.2课题目的
通过B12D后轮罩螺柱结构进行分析，针对夹具进行设计，完成焊装配机设计，用以指导生产实践，达到提高生产效率、获得以下技术参数：
节拍：
2.7分钟/辆份；拧紧力矩：
60Nm±10%。
1.1.3课题意义
焊装夹具是保证车身焊接质量的重要因素，影响整个汽车的制造精度和生产周期。
焊装夹具的作用是保证所属装焊零件之间的相对位置和焊接件的尺寸精度，减少装焊过程中焊接件的变形，提高装焊生产率。
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，保证装配精度和焊接质量。
车身焊接件外形大多为空间曲面，这就要求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，才能在焊装是保证车身的形状。
现在，汽车行业迅速发展，汽车每更新换代，它的焊装夹具都要进行修改，以达到批量生产和保证焊接精度。
基于上述原因，对焊装配机的研究已势在必行。
通过对B12D后轮罩螺柱进行焊装配机设计，不但能够缩短生产周期，达到批量生产，使焊接夹具的使用操作方便灵活，保证工件的定位准确，夹紧牢靠，同时要保证放件容易、打点方便、取件方便，并且整体结构要求达到“小、少、轻、美、短”。
从而更大程度上提高生产水平，获取更大的经济利益。
1.2本课题背景及国内外研究现状
1.2.1课题的国内外研究现状
改革开放以来，机械工业充分利用国内外两方面的技术资源，有计划地进行企业的技术改造，引导企业走依靠科技进步的道路，使制造技术、产品质量和水平以及经济效益有了很大的提高，为繁荣国内市场、扩大出口创汇、推动国民经济的发展起了重要作用。
夹具从产生到现在，大约可以分为三个阶段：
第一个阶段主要表现在夹具与人的结合上，这是夹具主要是作为人的单纯的辅助工具，是加工过程加速和趋于完善；第二阶段，夹具成为人与机床之间的桥梁，夹具的机能发生变化，它主要用于工件的定位和夹紧。
人们越来越认识到，夹具与操作人员改进工作及机床性能的提高有着密切的关系，所以对夹具引起了重视；第三阶段表现为夹具与机床的结合，夹具作为机床的一部分，成为机械加工中不可缺少的工艺装备。
随着机械工业的迅速发展，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品种，中小批生产作为机械生产的主流，为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机床夹具提出更高的要求。
目前，大批量生产正逐渐成为现代机械制造业新的生产模式。
在这种模式中，要求加工机床和夹具装备具有更好的柔性，以缩短生产准备时间、降低生产成本，所以，按手动夹紧的方法已不能满足生产发展的要求，而气动、液压夹紧等夹具正是适应这一生产模式的工装设备。
它对缩短工艺装备的设计、制造周期起到至关重要的作用。
国外为了适应这种生产模式,也把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展。
汽车车身是具有复杂型面的薄板壳体零件，焊装是车身制造的关键环节，它直接影响着车身质量、生产率和制造成本。
焊装夹具是保证车身焊接质量的重要因素，影响整个汽车的制造精度和生产周期。
随着汽车工业的高速发展，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也越来越高。
目前国内外对车身焊装夹具的研究都还限于焊装夹具的计算机辅助设计、制造以及焊装夹具的柔性化和可重组性等方面，对焊装夹具的全生命周期，包括设计、制造、装配、调试以及后续改型阶段缺乏系统而有效的计算机辅助手段，考虑焊装夹具对车身零件焊装偏差的影响规律的研究比较少，缺乏焊装夹具对车身零件焊装偏差影响规律的定量研究，以及根据研究结果得到的焊装夹具设计的指导原则和相应设计方法。
因此，开展焊装夹具对柔性件焊装偏差的影响规律研究，综合考虑车身柔性件的零件特性对焊装夹具设计、制造和调试工作的影响，能够有效推动车身焊装夹具设计技术的进步。
1.2.1课题的研究趋势预测
焊装夹具是机械加工不可缺少的部件,在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。
汽车不仅是当今社会的重要交通运输工具,而且其制造水平也代表了该国家的科学技术发展水平,并对推动世界的制造业迈向一个新台阶有着非常重要的作用。
同时由于汽车制造行业的生产规模比较大、技术与资金高度的密集、经济与辐射具有强大的带动作用,自然地就在整个机械制造行业中占有至关重要的地位。
而在汽车的制造的整个过程中比不缺少的就是焊接程序,且焊接还占有很大比例,因此焊接所使用的焊装夹具也就自然而然的成为重要的设备之一了。
基于对汽车质量和性能的考虑,焊接时所用的焊装夹具的设计的重要性就可圈可点了。
a.为提高汽车产量，适应流水线生产，应细化工艺，使用高效率夹具，提高生产效率；
b.为适应系列车型需要，应发展快速可调的混型夹具；
c.提高夹具机具一体化程度，诸如多点焊机，车门包边焊接机等；
d.采用新的设计方法，如坐标法、模块化设计法、计算机辅助设计等；
e.提高夹具通用化、系列化、标准化水平。
1.3焊装夹具的结构及要求
1.3.1典型的焊装夹具基本结构
焊装夹具是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。
在焊接生产中，焊装夹具除了完成本工序的零件组装、定位外，还担任检验和校正上道工序焊合件焊接质量的任务，因而它的设计制造影响整个焊接工艺水平、汽车生产能力及产品质量。
随着汽车工业的发展，它的重要性日益显现，并发展成一门技术，有自己独有的设计理论和方法。
焊装夹具的组成部分主要分为制造件、通用件和外购件3种（如图1）。
制造件是指在新车型的焊装线设计时需要根据车身零件的形状进行设计加工，没有标准的零部件，主要包括连接板、定位块、压板等；通用件是指在不同项目的设计中具有通用性的零部件，这些零部件在企业内部有统一的型号和标准尺寸及为实现产品的特殊功能而专门设计的专用件，设计者可以直接使用，在加工时不需要提供图纸，工人可以直接根据企业标准进行加工，主要有定位销、支基、通用定位块、调整垫片等；外购件是购买其他供应商提供的成品，不需要焊装夹具设计者进行设计的零部件，以气缸、快速夹、各种轴套和磁铁为主。
最为核心也是最普遍的结构主要是连接板、压块、支基、调整垫片等，因此在进行焊装夹具设计之前,必须充分了解车身的焊装过程、焊接夹具的结构特点，合理地进行实体建模、标准件的调用及外购件的选取。
a.支架
夹具的基础单元，用于连接定位板和压板，将夹具按其所在的车线位置固定在焊装线的基座上。
支架的精度直接影响夹具的定位准确性。
b.压板
夹具的运动单元，用于实现对工件的夹紧和松开。
加紧时工件的定位基准预定位板接触，保证焊接过程中工件位置不发生变动。
c.定位板
夹具的核心单元，用于支撑定位，它在焊装夹具中预工件表面直接接触，其制造精度直接影响车身的焊装精度和互换性。
d.限位块
限制压板的压紧程度，保护工件不因压板压紧力过大而变形。
e.夹紧器
夹具的驱动单元，有气动夹紧和手动夹紧两种，现代夹具设计中常选用气动夹紧方式。
1.3.2焊装夹具设计的基本要求
（1）.焊接夹具应该满足以下要求：
a.能够满足汽车生产工艺和生产纲领的要求，根据生产纲领确定夹具的复杂程度和自动化水平。
b.工装夹具应具备足够的强度和刚度。
夹具在生产中投入使用时要承受多种力度的作用，所以工装夹具应具备足够的强度和刚度。
c.夹紧的可靠性。
夹紧时不能破坏工件的定位位置及保证产品形状、尺寸符合图样要求。
因此既不允许工件松动滑移，又不能因为对工件过度拘束而产生较大的拘束应力。
d.焊接操作的灵活性。
使用夹具生产应保证足够的装焊空间，使操作人员有良好的视野和操作环境，使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态。
e.操作的安全性。
为了保证在焊接过程中的使用安全，应设置必要的行程开关和安全装置。
f.便于焊件的装卸。
操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出，且制品在翻转或吊运时不受损害。
g.良好的工艺性。
所设计的夹具应便于制造、安装和操作，便于检验、维修和更换易损零件。
设计时还要考虑车间现有的夹紧动力源、吊装能力及安装场地等因素，降低夹具制造成本。
h.可调性。
为了防止工件冲压成形后的反弹或夹具制造过程中的累计误差，影响夹具对工件的定位和夹紧，夹具的支撑夹紧部分或定位部分需要具有很好的可调性，以满足调整需要。
（2）.汽车车身焊装夹具设计要点:
汽车车身焊装夹具是指把所需要的汽车车身的冲压件按一定的要求定形、定位、夹紧,并组合成预定的车身组件、合件、分总成以及总成,同时还要借助合适的焊接来辅助组装,因此在汽车车身的大规模的生产中,焊接夹具装置是不可避免的。
a.合理分解车身的焊合件
确定所用夹具种类焊合件是由两种或者两种以上的冲压件经过焊接后形成的工件,若干小的焊合件组装成大的焊合件,最后大的焊合件形成前围焊合件、地板焊合件、后侧焊合件、顶盖焊合件等四种焊合件,并用此四种焊合件焊接成汽车才驾驶室。
因此根据驾驶室的生产过程来对进行合理的分割焊合件,并根据分割的焊合件来设计合适的焊装夹具。
这样既利于保证产品的质量,又可提高车身的焊接生产率。
b.确定装焊夹具自动化程度高低
汽车的年产量是决定于焊装夹具的自动化水平和焊接位置的配制。
为了提高汽车的生产率,可以用气缸一次性的完成焊装夹具的夹紧与松开动作,根据焊装夹具的自动化水平应用自动的传输装置来运输工位。
c.确定大型焊装夹具的设计基准
汽车焊装夹具的夹具上的所有元件位置一般都是直接设计夹具来确定其基准,因此才能制造数合格结构的焊装夹具。
根据焊接工人的焊接的高度就可以初步的决定该焊装夹具固定位置高度,也就是焊装夹具的地板的高度;然后根据此高度再绘制出焊装夹具的工件图,包括该工位上所需焊接的冲压件的外形以及规定的焊点位置,并以此为基础设置焊装夹具;接着是合理布置焊装夹具的位置,此时就必须清楚
的了解冲压件组合关系、焊点布置、空间形状、装焊顺序,合理的设计出焊装夹具的正
确安放位置和大致的结构;最后根据所有的情况绘制出夹具总体方案设计草图。
d.合理地选择焊装夹具定位
焊接夹具的定位主要包含孔定位与面定位两种。
孔定位的时必须优先考虑冲压工序的定位孔,此孔的位置和尺寸要相对的准确可靠;尽量使用下道的工序来装配孔,这样才不会因为孔尺寸的误差影响到下一个工序的装配。
另外定位孔要尽可能的使用较大的孔,这样才能保证定位销的强度,否则就会增加折断定位销的概率。
要优先选用冲压件上的形状可靠、稳定面作为定位面,且定位面最好是平面。
同时面定位的部件还一定要有足够的精度。
此外,设置定位的时候还要充分的考虑焊接置与其他焊接设备,不仅要做到不能影响最终焊接件取出,也还要使焊钳或者焊枪可以顺利到达焊接位置。
e.正确设计夹紧机构
当焊装夹具确定好冲压件的定位后,为了使焊接过程中各工件装配的准确及减缓工件的弹性变形,一般还需要一定数量的夹紧机构。
利用此夹紧结构装置,可以将工件与定位面、工件与支承面及工件和工件之间能够贴合紧密。
为了缩短装卸工件的辅助时间,夹紧装置应该使用高效快速的装置和多点的联动机构。
对薄板冲压件来说,其夹紧力的作用点必须作用于支承面上,只有刚性好的工件才能够作用在由几个支承点组成的平面内,为的就是避免夹紧力造成的工件弯曲或是脱离定位基准。
夹具设计是主要关键技术。
1.4本课题研究的主要内容
本课题是设计东风日产B12D后轮罩螺柱焊装配机设计，针对焊装夹具进行设计，完成焊装配机的设计，用以指导生产实践，达到提高生产效率。
本课题的主要研究内容有：
1）焊装夹具系统方案的提出：
分析薄板件的结构特征，确定最终的最佳方案；
2）确定焊接点和焊枪；
3）确定定位点和夹紧点；
4）进行计算：
有关生产节拍的计算和夹紧力的计算；
5）满足以下技术参数：
节拍：
2.7分钟/辆份；拧紧力矩：
60Nm±10%。
2总体方案的确定
2.1后轮罩螺柱焊装夹具总体方案
焊装夹具通常由夹具地板、定位装置、夹紧机构、辅助机构及控制系统等部分组成。
根据对B12D后轮罩进行分析后，可以确定总的方案图，如下图所示：
在焊装夹具中，为了使定位更加准确，夹紧可靠，我们要采用主定位夹紧和辅助定位夹紧，防止后轮罩在焊螺柱的时候变形。
一般而言,如果是主要工件,这样设置出来用夹具上的定位元件来实现的定位点就是夹具的主要定位点。
然后在工件容易变形的部位、受焊接设备冲击较大的部位再设置辅助定位点。
为使定位可靠,夹紧力应合适,夹紧机构不仅要有自锁功能,还要有防过载功能（通常用限位装置或弹簧实现）,保证工件定位可靠又不至于受夹变形。
2.2后轮罩螺柱焊装夹具定位方法的确定
方案一：
方案二：
定位的目的是使工件在夹具中有正确位置，并且应用夹具定位工件，还能使同一批工件在夹具中的加工位置一致性好。
方案一中，使六个方向的自由度都限制，对于一般的工件，只要限制六个方向的自由度就可以了，所以方案一对于一般的工件定位是可靠的。
由于B12D后轮罩是薄板件，尺寸大，刚性差，易变性，所以在焊装夹具设计中不能简单地依照刚体的六点定位原则，并且夹具的定位面大都为型面，允许一定的过定位。
因此应通过合理的分析，确定定位方案，从而保证B12D后轮罩薄板件的可靠定位和尽可能小的变形。
我大致选定两个定位销和两个定位平面，形成了过定位。
我采用气动夹紧方式，由于手动夹紧以四连杆快速夹紧器用的最多，其生产效率相对较低；而气动夹紧的效率较高，可以提高生产效率。
由气缸带动夹紧机构将被焊接件夹紧，以保证薄板件的准确定位。
2.3后轮罩螺柱焊件的介绍
B12D后轮罩螺柱焊件是薄板件，尺寸大，刚性差，易变形。
薄板件装焊夹具具有以下一些特点：
（1）焊接件大多是具有空间曲面、外型复杂的结构件，装焊时，其定位点和定位面比较多，所以定位件的定位表面大多是型面，而且定位元件的布置亦具有空间位置特点；
（2）由于薄板件刚性小，在装配过程中,为了克服弹性变形,必须用外力使有弹性的工件与夹具的定位件紧紧的靠在一起,使之形成一刚性体,然后才能焊接成刚性较强、尺寸合格的车身总成。
而刚体工件在夹具中超定位的支承可采用浮动或可调支承去适应。
若对有弹性的工件也把超定位的支承设计成浮动的,那就是在弹性体上装弹性工件,则肯定得不到确定的装配尺寸。
（3）由于生产批量大，为了保证互换性，要求同一构件的组合件、部件，直至总成的装配基准一致性并与设计基准重合。
（4）由于薄板件的焊接大多采用电阻点焊，因此，要求焊钳和电极具有良好的可达性及夹具的开敞性；
（5）由于薄板件易变形,所以凡是夹紧力的作用点,都必须有相应的支承块。
由于工件的结构限制,夹紧力的作用点又不能直接落到原定位支承点上,故需增加支承点。
从定位原则看,这种支承是多余的,但对薄板件是必不可少的。
超定位会使接触点不稳定,产生装配位置上的干涉,应该尽量避免。
但并非在任何情况下均不允许出现超定位,只要超定位所产生的不良后果,没有超出工件装配要求所允许的范围,超定位是允许存在的,对薄板冲压件有时是必要的。
薄板焊装夹具与一般的机床加工夹具存在显著的差别,它不仅要满足精确定位的共性要求,还要充分考虑薄板冲压件的易变形性和冲压制造偏差较大的特征,以适应于产品的高质量要求。
近十几年来,许多学者在薄板焊装夹具的设计上开展了大量工作,提出了一些新型的薄板冲压件焊装夹具的设计理论和方法,取得了显著效果。
2.4确定焊点以及焊枪
该薄板件为B12D后轮罩，它主要是把两个螺柱焊接上，因此焊点是已知的，那么只需要选择合理的焊枪。
我们选择焊枪，主要考虑焊枪的可操作性和经济性，避免使用过大的型号焊枪，对于焊接板件厚度较大的工件，宜选用电极压力大的焊枪，因而可以提高焊点焊接质量和稳定性。
可以选用螺柱焊枪。
螺柱焊枪主要的优点是：
具有快速（0.1-2秒左右）、方便、强度高、可穿透焊接、成型好、操作简单、不变形、不变色、各种位置都可焊接的特点。
2.5定位后轮罩
2.5.1定位基准的选择
定位基准的选择，要遵循定位基准统一，基准统一是机械加工工艺设计的基本思想之一。
基准统一保证了车身焊接精度，便于查找质量问题原因，提高管理水平。
通常来讲，产品设计部门在进行车身结构设计时会根据基本定位原则给出单个零件的定位点（定位孔和基准面），而工艺部门将基于总体的工艺流程，在单件的定位点中选取部分，作为各道工序（分级总成）的定位基准。
车身焊接夹具定位基准和定位孔依据产品品质基准书来确定，按照焊接夹具定位基准统一、延续的原则要求，夹持点一般选在不打焊点的部位。
选择定位基准时应注意以下几点：
a.定位基准尽可能与焊件起始基准重合，以便消除由于基准不重合造成的累计误差；
b.选用零件上平整、易保证面质量的表面作为定位基准；
c.定位基准夹紧力的作用点尽量靠近焊接区；
d.须根据焊接结构的布置、装配顺序等综合因素考虑；
e.尽可能使夹具的定位基准统一。
工件的定位一般以孔或有明显曲面特征的型面作为定位基准。
2.5.2定位点的选择
薄板件的定位点尽量选择平面，避免选择曲面，这样的加工性比较好。
对于空间面和点，还要设有测量面，测量孔，方便测量和调试。
在选择薄板件定位点时，我们可以参照“N的选择原则”。
通常我们认为，定位点的数目越多，工件的变形量会越小，定位效果会越好。
但是定位点数目的增多会极大地增加夹具制造成本，延长设计制造周期，而且过多的定位点将导致更多的夹具安装定位误差，反而会降低焊装精度。
所以N的选择原则应是：
在满足定位精度的前提下，用尽可能少的夹具定位点来固定工件和限制变形。
2.5.3定位方法和定位元件的选择
通常情况下，对于刚性较好的零件，采用典型的定位形式（一面两销、两面一销或面、面、面）即可以完全限制零件的6个方向运动的自由度，从而保证零件的质量及稳定的重复精度。
其特点为刚性差、易变形，某些型腔较深的冲压件，还会存在回弹变形等。
正是由于这些不足，薄板件焊装夹具必须设置辅助定位和夹紧点，将被定位零件因回弹、刚性不足或焊后变形而导致的位置误差，尽可能约束回复到理论位置，才能保证整个焊接总成的焊接质量和重复精度。
工件的定位一般以孔或有明显曲面特征的型面作为定位基准。
该后轮罩我们采用的是两个圆柱销，并在圆柱销旁边辅予合理的定位面及夹紧点，已达到过定位的效果，防止薄板件的变形，达到焊接精度需要。
“N-2-1”定位原则
对于车身柔性零件的定位，如果仅靠六点定位原则，将无法保证零件的正确位置和形状，因此在汽车焊接夹具的设计中，经常用过定位的方式定位，即“N-2-
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