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畢業(yè)設(shè)計開題報告
設(shè)計（論文）題目: 汽車車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計
院 系 名 稱: 汽車與交通學(xué)院
專 業(yè) 班 級: 車輛工程07-2班
學(xué) 生 姓 名: 李加林
導(dǎo) 師 姓 名: 石美玉
開 題 時 間: 2011年3月11日
指導(dǎo)委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計開題報告
學(xué)生姓名
李加林
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級
車輛工程07-2 班
指導(dǎo)教師姓名
石美玉
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
汽車車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1、課題研究現(xiàn)狀
國內(nèi)外對汽車焊裝夾具的設(shè)計進行了多方面的研究，1988年，Youcef-Toumi等人提出一種關(guān)于薄板鋼件的夾具分析的方法,研究了用于平板和殼體的三點和四點夾具定位系統(tǒng)，該方法沒有考慮薄板變形減少問題；1991年，Menassa和DeVies提出基于“3-2-1”定位方案的使工件第一基準(zhǔn)面法向變形量最小的夾具定位布置，但沒有考慮夾具的特征；1996年,Cai、Hu和Yuan在采用變分法確定傳統(tǒng)“3-2-1定位”夾具定位點位置的基礎(chǔ)上,針對柔性車身薄板零件易變形的特點提出了“N-2-1定位”法,在薄板件法方向即第一基準(zhǔn)面應(yīng)用多于3個定位點來限制工件多余變形，利用有限元分析和非線性規(guī)劃方法找到最優(yōu)的定位點數(shù)“N”。陳猛，郭鋼等人在2001年提出汽車焊接夾具CAD系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)并開發(fā)了三維汽車焊裝夾具CAD系統(tǒng)；周至強、羅來軍和林忠欽在2002年采用模塊化設(shè)計和參數(shù)化設(shè)計技術(shù)開發(fā)了汽車覆蓋件焊裝夾具設(shè)計參數(shù)庫等；歲波等在2003提出采用樹狀模型與關(guān)系模型來描述車身裝焊工藝信息的混合建模方法，并在此數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上借助人機交互式三維仿真平臺，建立了白車身虛擬裝焊可視化工藝信息模型；2005年，劉海江，羅生斌針對國內(nèi)汽車企6華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文業(yè)中白車身焊接機器人作業(yè)順序不合理的問題，采用啟發(fā)式的節(jié)約算法，有效的解決了機器人規(guī)劃中的最短路問題，實現(xiàn)了機器人路徑的優(yōu)化；2006年，熊曉萍等提出將知識工程技術(shù)引入到傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)中，有效地支持車身焊接夾具智能化CAD技術(shù)的快速實現(xiàn)。
（1）計算機輔助夾具設(shè)計
計算機輔助汽車焊裝夾具設(shè)計是最早的把計算機應(yīng)用于汽車焊裝夾具設(shè)計工作的階段，但目前仍有不少焊裝夾具設(shè)計企業(yè)應(yīng)用這種設(shè)計方法。應(yīng)用這種設(shè)計方法時，計算機本身沒有任何智能行為，僅僅是一種輔助工具。設(shè)計夾具的經(jīng)驗和知識靠設(shè)計人員來掌握。夾具的檢測、調(diào)整等工作也由專業(yè)人員來完成。
（2）交互式夾具設(shè)計
最初的交互式設(shè)計系統(tǒng)是由設(shè)計人員簡單應(yīng)用CAD軟件的圖形功能，建立一個標(biāo)準(zhǔn)夾具元件數(shù)據(jù)庫，設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗選擇元件，并裝配成夾具。隨后開發(fā)的CAFD系統(tǒng)建立了定位方法選擇、工件信息檢索等模塊，大大提高了CAFD系統(tǒng)的實用性。這些都是基于二維平臺開發(fā)的。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維繪圖成了計算機輔助設(shè)計的有力工具。多數(shù)三維繪圖軟件都建立了標(biāo)準(zhǔn)件庫，同時允許用戶建立自己的元件庫。這為交互式夾具設(shè)計提供了更好的平臺。
交互式夾具設(shè)計步驟以傳統(tǒng)夾具設(shè)計步驟為基礎(chǔ)。首先根據(jù)工件特征、工序信息及夾具信息，調(diào)用有關(guān)的程序和數(shù)據(jù)協(xié)助技術(shù)人員來完成夾具的定位方案、導(dǎo)向方案、夾緊方案的設(shè)計，并通過人機交互的方式完成各功能元件和部件的選擇和設(shè)計。然后進入三維繪圖環(huán)境，采用人工交互的方式進行參數(shù)化驅(qū)動，以獲得尺寸滿足要求的零件和部件，裝配后繪出裝配圖和零件圖。
交互式夾具設(shè)計系統(tǒng)適合于開發(fā)新產(chǎn)品和需要加工新工件、沒有已有夾具信息可以利用的情況。對于大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)來說，待加工的工件相似性高，因此要設(shè)計的夾具只需要在尺寸或結(jié)構(gòu)上進行部分修改，這就使夾具設(shè)計中重復(fù)性工作多，需要繁瑣的人工繪圖工作。如何充分利用已有夾具信息成為CAFD系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
（3）基于成組技術(shù)的焊裝夾具設(shè)計
成組技術(shù)（GT）是上個世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)學(xué)者c.n米特洛夫首先提出來的，當(dāng)時稱作“成組加工”，主要用于機械零件的機加工。60年代中期，英國的Burbidge提出了生產(chǎn)流程分析原理，以找到工藝相似的零件組，建立與之對應(yīng)的制造單元，從而使企業(yè)的物流路線和生產(chǎn)流程更趨合理。由此而使成組工藝進一步發(fā)展成為一種把生產(chǎn)技術(shù)與組織管理揉合成一體的綜合技術(shù)即成組技術(shù)。它是將工程技術(shù)與管理技術(shù)集于一體的生產(chǎn)組織管理方法，它利用產(chǎn)品零件間的相似性對零件分類成組，然后根據(jù)每組零件所特有的相似特征為同組零件找出相對統(tǒng)一的最佳處理方法，從而在基本不改變原有工藝和設(shè)備的條件下，取得提高效率、節(jié)省資源、降低生產(chǎn)成本的目的。該設(shè)計方法是通過成組技術(shù)的編碼系統(tǒng)，對夾具庫中原有的相似的夾具單元做相應(yīng)的調(diào)整，從而適應(yīng)新的工作的加工要求。若無法選擇相似的夾具時，就可以使用生成式夾具設(shè)計方法，產(chǎn)生新的夾具設(shè)計方案，將新產(chǎn)生的夾具編碼添加到夾具庫中，為下次設(shè)計作參考用。
（4）可重構(gòu)焊裝夾具設(shè)計
上世紀(jì)末，一些學(xué)者提出了可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS，ReconfigurableManufacturingSystem）其關(guān)鍵技術(shù)是可重構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)，追求的目標(biāo)是快速響應(yīng)市場、占有市場，可重構(gòu)制造系統(tǒng)是一種能適應(yīng)市場需求的產(chǎn)品變換，按系統(tǒng)規(guī)劃的要求，以重排、重復(fù)利用、革新組元或子系統(tǒng)的方式，快速調(diào)整制造過程、制造功能和制造生產(chǎn)能力的一類新型可變制造系統(tǒng)。它是基于可利用的現(xiàn)有的或可獲得的新設(shè)備和其他組元、可動態(tài)組態(tài)的新一代制造系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)的區(qū)別在于：企業(yè)可隨時根據(jù)產(chǎn)品變化，由產(chǎn)品工藝過程變化驅(qū)動、快速進行組態(tài)規(guī)劃和重構(gòu)。
焊裝夾具結(jié)構(gòu)可重構(gòu)化設(shè)計的關(guān)鍵是對焊裝夾具零部件進行標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，以及采用可調(diào)式結(jié)構(gòu)設(shè)計。焊裝夾具的重構(gòu)大部分工作是將標(biāo)準(zhǔn)化元件重新組合的過程，也就是將焊裝夾具中普遍具有不同功能的元件，如定位塊、支架、壓緊塊支架、導(dǎo)向座、工作臺、工作臺支架等抽出來，預(yù)先設(shè)計成通用的標(biāo)準(zhǔn)化系列元部件，在重構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計者根據(jù)需要調(diào)用這些元部件任意組合構(gòu)成一套夾具。一套夾具重構(gòu)設(shè)計是否合理，主要取決于設(shè)計者的組合水平，更主要的是通用化標(biāo)準(zhǔn)元件的編制設(shè)計程度，編制越多越細，設(shè)計時越得心應(yīng)手。設(shè)計者的組合水平是焊裝夾具重構(gòu)設(shè)計的成敗的關(guān)鍵，標(biāo)準(zhǔn)化元部件是焊裝夾具設(shè)計的基礎(chǔ)，兩者互為因果、不可偏費。
汽車焊裝夾具的重構(gòu)可分為3個步驟：夾具重構(gòu)方案設(shè)計；夾具元部件設(shè)計；夾具重構(gòu)組裝與評價。
汽車焊裝夾具可重構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)研究有以下幾點：
（i）焊裝夾具重構(gòu)定位可靠性設(shè)計方法。
（ii）焊裝夾具工程數(shù)據(jù)庫的建立。
（iii）焊裝夾具元部件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。
（iv）焊裝夾具重構(gòu)設(shè)計方案與綜合評價。
2、選題的目的和意義
汽車車身制造是汽車制造業(yè)中的一項系統(tǒng)工程，隨著我國汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，對汽車焊裝線的需求量巨大，對其質(zhì)量上的要求也日益提高。汽車車身是經(jīng)過沖壓、焊接、涂裝、總裝這四個主要工藝過程生產(chǎn)出來的，焊裝作為汽車生產(chǎn)的四大工藝之一，其技術(shù)、設(shè)備、生產(chǎn)布局等對整個汽車生產(chǎn)的作用至關(guān)重要。汽車焊裝夾具在汽車焊裝線上占有相當(dāng)大的比例，焊裝夾具的設(shè)計制造直接影響汽車的生產(chǎn)規(guī)模、效率和生產(chǎn)質(zhì)量。
近年來，汽車工業(yè)的技術(shù)進步非?？臁８髌噺S家為了在激烈的市場競爭中生存下來，不斷推出具有高技術(shù)含量的新產(chǎn)品。計算機控制的高自動化水平的無人焊裝線在國外先進的汽車廠已普遍采用，上下料為自動輸送機和機器人，車身全部是機器人焊接，生產(chǎn)人員主要從事質(zhì)檢、維護和管理工作。電弧釬焊工藝取代了二氧化碳電弧焊。車身焊裝是車身制造的重要組成部分，它是將已經(jīng)沖壓成形的車身零件在夾具上定位夾緊后，通過點焊、凸焊、CO2保護焊、釬焊以及粘接工藝（主要是電阻點焊）裝配成為白車身的過程。目前，國內(nèi)的焊接裝備生產(chǎn)廠家綜合技術(shù)實力不足，不具備設(shè)計制造高水平的成套焊裝線的能力，面對汽車行業(yè)的日益激烈的競爭又不允許國內(nèi)的汽車生產(chǎn)廠家用國產(chǎn)的裝備進行試驗，只好成套引進，使得國內(nèi)焊接裝備生產(chǎn)廠家近年來與國外水平的差距越來越大。國內(nèi)汽車焊接生產(chǎn)水平與國外逐漸接近，而國內(nèi)焊接裝備制造水平與國外差距卻逐漸加大，提高我國焊裝線及焊裝夾具自主設(shè)計和制造水平迫在眉睫。
二、設(shè)計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
設(shè)計的基本內(nèi)容：
1.選題的背景、目的及意義；
2.焊裝夾具設(shè)計方法步驟研究；
3.汽車車輪輪罩焊裝工藝分析；
4.焊裝夾具的夾緊位置及定位方式；
5.焊裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計；
6.CAD繪制夾具圖紙；
7.撰寫設(shè)計說明書。
擬解決的主要問題：
1.夾具的定位方式及夾緊位置;
2.夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
3.CAD繪制夾具圖紙。
三、技術(shù)路線（研究方法）
確定輔助機構(gòu)
確定定位基板
確定定位裝置
撰寫設(shè)計說明書
CAD繪制夾具圖紙
確定定位基準(zhǔn)
定位方式設(shè)計
夾緊方式設(shè)計
夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計
焊裝夾具方案設(shè)計
焊裝工藝分析
工件工藝分析
查閱資料，前期準(zhǔn)備
分析設(shè)計任務(wù)書
確定夾緊機構(gòu)
四、進度安排
（1）知識準(zhǔn)備、調(diào)研、收集資料、完成開題報告 第1～2周（2.28～3.11）
（2）整理資料、提出問題、撰寫說明書草稿、汽車車輪輪罩焊裝工藝分析 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理論聯(lián)系實際、分析問題、解決問題，分析焊裝夾具的夾緊位置及定位方式，焊裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計，CAD繪制夾具裝配草圖等部分設(shè)計內(nèi)容，中期檢查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改進完成設(shè)計，改進完成設(shè)計說明書，指導(dǎo)教師審核，學(xué)生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）評閱教師評閱、學(xué)生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）畢業(yè)設(shè)計預(yù)答辯 第14周（5.30～6.3）
（7）畢業(yè)設(shè)計修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）畢業(yè)設(shè)計答辯 第17周（6.20～6.24）
五、參考文獻
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81-85.
六、備注
指導(dǎo)教師意見：
簽字： 年 月 日
本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計
汽車車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計
院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級： 車輛工程 B07-2班
學(xué)生姓名： 李加林
指導(dǎo)教師： 石美玉
職 稱： 教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Automobile Wheel Cover Welding-Installation Fixture
Candidate：Li JiaLin
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B07-2
Supervisor：Prof. Shi MeiYu
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
焊裝作為汽車生產(chǎn)過程的四大工藝之一，焊接質(zhì)量的高低對轎車車身尺寸的影響至關(guān)重要，可以說，在車身制造過程中，焊裝是關(guān)鍵工序，是整個車身制造的核心，白車身焊接質(zhì)量的優(yōu)劣決定了整車的制造質(zhì)量。焊接夾具是保證車身焊接質(zhì)量的最重要因素，焊接夾具的主要作用就是保證所有焊接沖壓件之間的相對位置以及焊接件的尺寸精度，合理的夾具設(shè)計、焊點規(guī)劃、焊鉗選擇，可以確保焊接質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。
本文首先分析了汽車車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計的必要性和可行性；然后圍繞車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計這一核心，通過對汽車焊裝生產(chǎn)線、汽車焊裝夾具的結(jié)構(gòu)特點進行分析，歸納了焊裝夾具的設(shè)計步驟和要點；重點對汽車車輪輪罩進行焊裝工藝分析，研究了汽車車輪輪罩焊裝夾具正確的夾緊位置及定位設(shè)計方式；最終完成汽車車輪輪罩焊裝夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：汽車；輪罩；焊接；夾具；設(shè)計
ABSTRACT
Welding production process as a vehicle one of the four processes, the level of welding quality on body size of car is essential, can be said that the manufacturing process in the body, welding is the key process is the core of the whole body manufacturing, white body determines the merits of quality welding vehicle manufacturing quality. Welding fixture is guarantee body welding quality most important factor, the main role of welding fixture to ensure that all welding is the relative position between the stamping and welding parts for dimensional accuracy, and reasonable fixture design, solder joint planning, welding clamp selection, to ensure weld quality, reduce production costs and increase productivity.
Firstly, this paper analyzes the automobile wheel cover design of welding fixture necessity and feasibility; Then around the wheel cover on the core welding fixture design, welding production line of automobile, car welding fixture to analyze the structural characteristics, summarizes the steps and welding fixture design elements; Focus on the car hood for welding wheel analysis of the technology of automobile wheel cover clamp welding fixture correct location and orientation design approach; Finally completed the car wheel covers the structural design of welding fixture.
Key words: Automobile; Wheel Casing; Welding ; Jig; Design
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題的背景及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 汽車焊裝夾具的發(fā)展趨勢 3
1.4 本課題研究內(nèi)容 3
第2章 汽車焊裝工藝特點 4
2.1 汽車車身部件焊裝工藝特點 4
2.2 零部件尺寸對焊裝的影響 4
2.3 焊裝夾具質(zhì)量 5
2.4 焊接變形 5
2.5 操作影響 6
2.6 面向焊接的車身尺寸控制方法 7
2.6.1 車身基準(zhǔn)統(tǒng)一系統(tǒng) 7
2.6.2 夾具精度控制 8
2.6.3 生產(chǎn)過程控制 9
2.7 本章小結(jié) 9
第3章 焊裝夾具設(shè)計基礎(chǔ) 10
3.1 焊裝夾具的基本概念 10
3.1.1 焊裝夾具的基本作用 10
3.1.2 焊裝線發(fā)展過程及現(xiàn)狀 11
3.1.3 焊裝線的分類 11
3.1.4 汽車焊裝生產(chǎn)線的幾種常見形式 12
3.1.5 焊裝生產(chǎn)線的組成 13
3.1.6 焊裝線的總體布局 14
3.1.7 中國國內(nèi)現(xiàn)有焊裝線狀況 14
3.1.8 焊裝生產(chǎn)線的選型 15
3.2 焊裝夾具設(shè)計的基本要求 15
3.3 汽車焊裝夾具設(shè)計方法 17
3.3.1 夾具的基本構(gòu)成 17
3.3.2 夾具的設(shè)計步驟 17
3.4焊裝夾具定位可靠性設(shè)計方法 18
3.4.1 “N-2-1”定位原理 18
3.5 本章小結(jié) 19
第4章 基于轎車車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計 20
4.1 夾具方案分析 20
4.1.1 前期準(zhǔn)備 20
4.1.2 方案設(shè)計 21
4.2 輪罩夾具設(shè)計 24
4.2.1 輪罩的結(jié)構(gòu)特點 24
4.2.2 定位孔的選擇 24
4.2.3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計 25
4.3 本章小結(jié) 28
結(jié)論 29
參考文獻 30
致謝 32
附錄 33
第1章 緒 論
汽車車身制造是汽車制造業(yè)中的一項系統(tǒng)工程，隨著我國汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，對汽車焊裝線的需求量巨大，對其質(zhì)量上的要求也日益提高。汽車車身是經(jīng)沖壓、焊接、涂裝、總裝這四個主要工藝過程生產(chǎn)出來的，焊裝作為汽車生產(chǎn)的大工藝之一，其技術(shù)、設(shè)備、生產(chǎn)布局、自動化水平、柔性化水平等對整個汽車產(chǎn)的作用至關(guān)重要。
1.1課題的背景及意義
自1885年德國工程師卡爾·奔馳制成了世界第一輛以汽油發(fā)動機作為動力的汽車，汽車誕生至今已有100余年，汽車工業(yè)從無到有，迅猛發(fā)展，產(chǎn)量大幅度增加技術(shù)日新月異,全世界汽車年產(chǎn)量近5000萬輛。2006年，世界汽車市場增長仍然深陷停滯狀態(tài)，而我國汽車產(chǎn)銷雙超720萬輛，這意味著中國2006年超過德國成為全球第三大汽車生產(chǎn)國，同時超過日本，成為全球第二大新車消費市場。汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)之一，在國民經(jīng)濟發(fā)展中有特殊地位和作用，汽車工業(yè)能極大地帶動和促進其它工業(yè)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并且成為顯示一個國家工業(yè)發(fā)達水平的重要標(biāo)志。隨著汽車市場競爭的日益加劇，加快了汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代步伐，汽車新產(chǎn)品的開發(fā)和制造周期越來越短。2006年，國內(nèi)汽車廠家共推出117款轎車、SUV和MP新車型。增加新車型沖壓模具和焊接工裝夾具雖必不可少，但汽車換型最主要的是改造焊接生產(chǎn)線。在汽車制造業(yè)中，汽車焊裝夾具在汽車焊裝線投入中占有相當(dāng)大的比例，焊裝夾具的設(shè)計制造直接影響汽車的生產(chǎn)規(guī)模、效率和生產(chǎn)質(zhì)量。
1991年，為提高汽車制造過程中的質(zhì)量，增強當(dāng)時美國汽車制造業(yè)的信心，美國密西根大學(xué)吳賢銘教授首先提出了轎車車身焊裝“2mm工程”的概念，即白車身焊后尺寸偏差小于2mm。所謂汽車產(chǎn)品2mm工程就是從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，對汽車產(chǎn)品采用Continues Improvement Indicator車身制造綜合誤差指數(shù)，即六倍均方差“6σ”來控制車身制造質(zhì)量，并用一整套確保汽車車身制造尺寸偏差最小化的制造技術(shù)和流程，達到汽車整車在密封、噪聲、外觀、動力性和壽命等方面制造偏差接近世界先進水平2mm以內(nèi)，從而實現(xiàn)用最省的制造成本提高汽車產(chǎn)品整體質(zhì)量。2mm工程的核心內(nèi)容就是采用切實有效的方法和手段，來控制和減少那些不可避免而又十分重要的關(guān)鍵尺寸的變動，以達到對轎車車身質(zhì)量的控制。隨著汽車向中高檔方向發(fā)展和整車2mm工程的推廣，對焊裝設(shè)備智能化和焊接質(zhì)量的要求也將越來越高。在這種情況下，開展有關(guān)汽車車身制造工藝過程方面的研究，提高車身制造精度，促使我國汽車工業(yè)整體水平迎頭趕上，有著重要的意義。
近年來，汽車工業(yè)的技術(shù)進步非常快。各汽車廠家為了在激烈的市場競爭中生存下來，不斷推出具有高技術(shù)含量的新產(chǎn)品。計算機控制的高自動化水平的無人焊裝線在國外先進的汽車廠已普遍采用，上下料為自動輸送機和機器人，車身全部是機器人焊接，生產(chǎn)人員主要從事質(zhì)檢、維護和管理工作。電弧釬焊工藝取代了二氧化碳電弧焊。車身焊裝是車身制造的重要組成部分，它是將已經(jīng)沖壓成形的車身零件在夾具上定位夾緊后，通過點焊、凸焊、CO保護焊、釬焊以及粘接工藝（主要是電阻點焊）裝配成為白車身的過程。目前，國內(nèi)的焊接裝備生產(chǎn)廠家綜合技術(shù)實力不足，不具備設(shè)計制造高水平的成套焊裝線的能力，面對汽車行業(yè)的日益激烈的競爭又不允許國內(nèi)的汽車生產(chǎn)廠家用國產(chǎn)的裝備進行試驗，只好成套引進，使得國內(nèi)焊接裝備生產(chǎn)廠家近年來與國外水平的差距越來越大。國內(nèi)汽車焊接生產(chǎn)水平與國外逐漸接近，而國內(nèi)焊接裝備制造水平與國外差距卻逐漸加大，提高我國焊裝線及焊裝夾具自主設(shè)計和制造水平迫在眉睫。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國內(nèi)外對汽車焊裝夾具的設(shè)計進行了多方面的研究，1988年，Youcef-Toumi等人提出一種關(guān)于薄板鋼件的夾具分析的方法,研究了用于平板和殼體的三點和四點夾具定位系統(tǒng)，該方法沒有考慮薄板變形減少問題；1991年，Menassa和DeVies提出基于“3-2-1”定位方案的使工件第一基準(zhǔn)面法向變形量最小的夾具定位布置，但沒有考慮夾具的特征；1996年,Cai、Hu和Yuan在采用變分法確定傳統(tǒng)“3-2-1定位”夾具定位點位置的基礎(chǔ)上,針對柔性車身薄板零件易變形的特點提出了“N-2-1定位”法,在薄板件法方向即第一基準(zhǔn)面應(yīng)用多于3個定位點來限制工件多余變形，利用有限元分析和非線性規(guī)劃方法找到最優(yōu)的定位點數(shù)“N”。 KulankaraK等建立了工件一夾具系統(tǒng)的彈性模型，采用懲罰函數(shù)處理夾具布局不合理問題。陳猛，郭鋼等人在2001年提出汽車焊接夾具CAD系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)并開發(fā)了三維汽車焊裝夾具CAD系統(tǒng)；周至強、羅來軍和林忠欽在2002年采用模塊化設(shè)計和參數(shù)化設(shè)計技術(shù)開發(fā)了汽車覆蓋件焊裝夾具設(shè)計參數(shù)庫等；歲波等在2003提出采用樹狀模型與關(guān)系模型來描述車身裝焊工藝信息的混合建模方法，并在此數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上借助人機交互式三維仿真平臺，建立了白車身虛擬裝焊可視化工藝信息模型；2005年，劉海江，羅生斌針對國內(nèi)汽車企業(yè)中白車身焊接機器人作業(yè)順序不合理的問題，采用啟發(fā)式的節(jié)約算法，有效的解決了機器人規(guī)劃中的最短路問題，實現(xiàn)了機器人路徑的優(yōu)化；2006年，熊曉萍等提出將知識工程技術(shù)引入到傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)中，有效支持車身焊接夾具智能化CAD技術(shù)的快速實現(xiàn)。
1.3汽車焊裝夾具發(fā)展趨勢
目前，中國汽車有市場兩個特點：一是有很高的增長率，二是市場競爭非常激烈。汽車市場的競爭點越來越集中在產(chǎn)品的更新?lián)Q代上，面對如此快速的產(chǎn)品更新，汽車行業(yè)過去采用那種大批量單車型專機生產(chǎn)模式已不太適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展的要求。因此多品種的柔性化生產(chǎn)也越來越多地應(yīng)用在汽車生產(chǎn)中，概括起來，目前汽車焊裝夾具的發(fā)展顯現(xiàn)以下兩方面的特點。
1、車身焊接夾具設(shè)計的智能化趨勢。
車身焊接夾具的設(shè)計受車身零件結(jié)構(gòu)形狀、焊接工藝、焊接方法、焊接設(shè)備等多種因素的影響和制約，設(shè)計周期長，設(shè)計工作量大，設(shè)計過程復(fù)雜，在一定程度上制約了汽車柔性化的發(fā)展方向。隨著AI技術(shù)和CAD技術(shù)的飛速發(fā)展，探索其結(jié)構(gòu)的特點和規(guī)律，建立一個具有零部件庫、實例知識庫、領(lǐng)域知識庫和推理規(guī)則的智能化系統(tǒng)，對于提高設(shè)計效率，縮短新車型的開發(fā)周期具有較大的實用價值。
2、自動化、柔性化程度普遍提高趨勢。
汽車制造的個性化、批量化、高效率和對產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求，使汽車焊裝生產(chǎn)線的自動化、柔性化程度日益提高。由于焊接機器人可以提高焊裝生產(chǎn)的自動化程度，減輕操作者的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，保證焊接質(zhì)量，是實現(xiàn)了車身裝焊的柔性化、自動化生產(chǎn)方式的有效手段，這樣焊接機器人在汽車焊接生產(chǎn)中獲得了大量應(yīng)用。據(jù)有關(guān)專家分析，我國機器人到2010年擁有量為17300臺，年銷售額超過90億，中國的“機器人時代”即將到來。隨著機器人自動化成套焊裝系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，我國汽車焊裝生產(chǎn)線的自動化、柔性化程度將顯著提高。
1.4本課題研究內(nèi)容
汽車車輪輪罩在焊裝過程中，由于薄板剛性差易變形，為了保證零部件之間正確的相對位置和焊接間隙，必須通過焊裝夾具將其固定。為保證汽車車輪輪罩裝配尺寸的準(zhǔn)確性，最重要的手段就是正確的工裝定位。汽車焊裝夾具與其他夾具相比，定位單元型面復(fù)雜，精度要求高，設(shè)計制造難度大。
本文針對汽車車輪輪罩，構(gòu)思夾具設(shè)計方案，進行焊點規(guī)劃，焊鉗選型，夾具工藝分析等。最終完成汽車車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計。
第2章 汽車焊裝工藝特點
2.1汽車車身部件工藝特點
汽車車身一般由外覆蓋件、內(nèi)覆蓋件和骨架件組成,覆蓋件的鋼板厚度一般為0.8~1.2mm范圍內(nèi),骨架件的鋼板厚度多為1.2~2.5mm,也就是說它們大都為薄板件,對焊接夾具設(shè)計來說,有以下特點。
1、結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜,構(gòu)圖困難。
汽車車身都是由薄板沖壓件焊裝而成的空間殼體,為了造型美觀和殼體具有一定的剛性,組成車身的零件通常是經(jīng)過拉延成型的空間曲面體,結(jié)構(gòu)形狀相當(dāng)復(fù)雜。
2、剛性差,易變形。
經(jīng)過成型的薄板沖壓件有一定的剛性,但和機械加工件相比,剛性要差得多,而且單個的大型沖壓件容易變形,只有焊接成車身殼體后,才具有較強的剛性。
3、以空間三維坐標(biāo)標(biāo)注尺寸。
汽車車身產(chǎn)品圖以空間三維坐標(biāo)來標(biāo)注尺寸,為了表示覆蓋件在汽車上的位置和便于標(biāo)注尺寸,我國的汽車車身一般每隔200mm或400mm劃一坐標(biāo)網(wǎng)線(也簡稱車線),3個坐標(biāo)的基準(zhǔn)是:前后方向(X向)——以汽車前輪中心為0,往前為負值,往后為正值;上下方向(Z向)——以縱梁上平面為0,往上為正值,往下為負值;左右方向(Y向)——以汽車對稱中心為0,左正右負。
2.2零部件尺寸對焊裝的影響
零部件尺寸不合格會造成焊接誤差，從而影響汽車車身尺寸偏差，所謂零件尺寸不合格是指零件實物尺寸和產(chǎn)品設(shè)計圖紙不一致，即通常說的零件尺寸超差。汽車覆蓋件大量應(yīng)用高強度薄鋼板，導(dǎo)致沖壓件形狀尺寸精度不良的問題也越來越多，毛坯在沖壓成形過程中由于受到不均勻變形，零件局部尺寸與標(biāo)準(zhǔn)形面不能吻合，或者由于沖壓工藝設(shè)計不合理，模具和鋼板本身的質(zhì)量問題，都會引起零件缺陷，也就是通常說的沖壓件形面精度不良，嚴重影響了車身特別是轎車車身質(zhì)量。起皺、面回彈、面畸變、線位移、滑移線、沖擊線、粘結(jié)、劃傷等都是沖壓件不合格的表現(xiàn)。其中最主要的質(zhì)量問題是起皺，面畸變和面回彈。當(dāng)沖壓件的某些部位形狀有急劇變化時，毛坯的變形分布將不均勻，這時就很容易在形狀急劇變化周圍的表面產(chǎn)生凹凸，也就是局部的起伏，當(dāng)起伏高度小于0.2mm時我們一般稱之為“面畸變”，對于起伏高度超過0.2mm的，我們一般認為是“起皺”，面回彈是指沖壓件形面在零件脫模卸載后產(chǎn)生的形狀變化，彈復(fù)是指形狀彎曲部分的彈性回復(fù)。
在實際的車身零部件制造過程中，實際得到的零件的尺寸形狀不可避免的都會和設(shè)計數(shù)據(jù)有偏差，在后續(xù)的沖壓件焊接過程中，這些偏差會影響到焊接組件的尺寸，最終會對車身總成的尺寸、形狀精度產(chǎn)生很大的影響，成為制約車身質(zhì)量的一個重要因素。有時，對于某些零件非主要尺寸的尺寸偏差，在車身焊接時會產(chǎn)生一定影響的，我們可以在不影響車身質(zhì)量的前提下適當(dāng)?shù)卣{(diào)整夾具，來消除對焊接的影響，但在很多情況下，我們是不能通過調(diào)整夾具就可以避免這些影響的。如果零件尺寸特別是主要尺寸不合格，就不能正確的在夾具上裝夾，或者在裝夾時零件形面和其他零件的形面不能很好的貼合，過渡不協(xié)調(diào)平順，從而無法焊接，有時雖然零件可以裝夾并焊接，但由于零件之間匹配協(xié)調(diào)不好，在夾具上用較大的壓緊力強行把零件銜接在一起，使其可以點焊，但由于夾具的壓緊力使零件之間產(chǎn)生了強制變形，必然會造成裝焊誤差。所以要減小車身尺寸偏差，所有的焊接零件必須檢驗合格才能投入使用，特別是車身上一些主要的裝配孔、工藝孔的位置尺寸和裝配面尺寸是必須控制的，要做到這些，就要努力提高沖壓模具的設(shè)計和制作水平。
2.3焊裝夾具質(zhì)量
在車身制造過程中，焊裝夾具是為保證焊件尺寸，提高裝配效率，防止焊接變形所采用的工藝裝備，將焊接零件在夾具上定位、夾緊，保證了零件間的相對位置，減小了焊接過程中的變形，提高了焊接的精度和質(zhì)量。由于轎車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轎車車身焊裝夾具的設(shè)計制造難度都比其他夾具大很多，要保證各沖壓零件裝配精度，車身焊裝夾具的定位點和定位型面的精度要求非常高。焊接夾具一般包含基板、定位裝置和夾緊裝置，有的夾具也包含旋轉(zhuǎn)等一些輔助機構(gòu)，將零件在夾具上定位夾緊、按照工藝進行焊接、卸下焊接組件就完成了一個焊接過程。要保證車身質(zhì)量，在試生產(chǎn)前，夾具的安裝和調(diào)試也非常重要，只有合格的工裝夾具才能制造出合格的產(chǎn)品，才能滿足生產(chǎn)各階段的質(zhì)量控制目標(biāo)，只有零件、夾具和實際操作匹配協(xié)調(diào)好之后，夾具才能正式驗收使用。由于夾具使用頻繁，使用過程中難免會發(fā)生偏移，磨損等現(xiàn)象，一旦夾具出現(xiàn)偏差，沖壓件就會出現(xiàn)定位偏差，在焊接時必將扭曲變形，最終會導(dǎo)致整個車身裝配誤差，車身結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)也會惡化，嚴重影響白車身的質(zhì)量。
2.4焊接變形
焊接誤差造成的焊接變形一般很難進行定量的計算和確定，焊接變形量的獲得是通過實際測量和理論分析相結(jié)合的方式獲得的，理論分析是對變形的情況進行大致的定位分析，具體變形量的數(shù)值是進行實際試驗測量獲得。檢驗變形量所需的測量方法很復(fù)雜，針對不同部位和不同的焊接方案，不同的焊接順序等等都是影響焊接變形的因素，我們都要進行具體的分析和實際測量。在數(shù)據(jù)出來后，我們可以通過對夾具進行精調(diào)后消除局部變形，從而減小部分焊接變形。但是很多焊接變形是不可能完全依靠調(diào)整夾具就能解決的，在焊接過程中，必須依靠合理的焊接工藝，選擇適合的焊接方法，控制穩(wěn)定的焊接規(guī)范，以減少焊接變形。
裝配i
裝配1 ······
零件
車身焊接涉及的零件數(shù)量眾多，裝配過程復(fù)雜，影響因素繁多，即使零件的設(shè)計和制造都準(zhǔn)確無誤，在裝配過程中由于夾具，焊接工具等的影響仍然會產(chǎn)生裝配偏差，圖2.1以車身裝配過程為主線，說明了在車身焊接過程中偏差的形成過程。
裝配偏差i
夾具釋放
焊接
夾緊
定位
裝配i+1
······
點焊熱效應(yīng)
焊槍偏差
夾緊偏差
定位偏差
裝配n
·電極力 ·電流電壓
·零件材料·匹配間隙
·設(shè)計不合理·制造不合理
·使用不合理·維護不合理
白車身
圖2.1 車身裝配過程及偏差
2.5操作影響
白車身的裝焊或是沖壓件的制造，都是有多個步驟，多個工序來完成的，從上一工序到下一工序，在取放過程中不可避免的會產(chǎn)生一定變形。另外由于操作者的熟練程度，是否嚴格按照操作規(guī)范來操作，都會產(chǎn)生隨機性的制造誤差，在實際生產(chǎn)中，我們要盡量避免這種隨機誤差。歸納起來，轎車車身尺寸偏差產(chǎn)生的原因可以用圖2.2來描述。
焊接變形
沖壓件尺寸偏差
零件干涉 焊接次序
回彈 焊接規(guī)程
摸具磨損 材料性能
工序間
沖壓參數(shù) 定位因素
轎車車身尺寸偏差
定位元件磨損 運輸
定位元件失效
夾具設(shè)計不合理 勞動態(tài)度
夾緊力的影響 熟練程度
操作的影響
夾具的影響
圖2.2 轎車車身尺寸偏差原因
2.6面向焊裝的車身尺寸控制方法
2.6.1車身基準(zhǔn)統(tǒng)一系統(tǒng)
汽車的生產(chǎn)過程按制造順序大致可以分為五步:車身的設(shè)計，零件的制造，白車身焊接，白車身涂裝，零部件裝配。生產(chǎn)過程中涉及的工序、部門眾多，所以零件和總成的定位需要各方面的相互協(xié)調(diào)，溝通，否則，從車身的設(shè)計開始，設(shè)計基準(zhǔn)，沖壓基準(zhǔn)，焊接基準(zhǔn)，裝配基準(zhǔn)就會不統(tǒng)一，導(dǎo)致車身質(zhì)量無法控制。德國大眾汽車公司為了提高和穩(wěn)定汽車車身制造質(zhì)量，不斷地進行嘗試和努力，提出并實施了基準(zhǔn)點系統(tǒng)(RPS，ReferencePointSystem)。基準(zhǔn)點系統(tǒng)(RPS)建立的目的是使設(shè)計部門，制造部門和檢驗部門具有同一定位基準(zhǔn)，保證相同的尺寸關(guān)系。其原理是:通過保證定位具有足夠的精度來實現(xiàn)零件的加工精度，即零件的全部工序應(yīng)保證定位基準(zhǔn)單一化原則。基準(zhǔn)點系統(tǒng)(RPS)的任務(wù)是使此方法能可靠地有力地刻劃過程并準(zhǔn)確重復(fù)，以便使工人的安裝工作具有獨立性。基準(zhǔn)點的通用性必須體現(xiàn)在所有制造、裝配、檢驗和安裝工序中。貫徹使用基準(zhǔn)點系統(tǒng)，可以避免在汽車生產(chǎn)過程中每個階段的基準(zhǔn)變換，可以縮小尺寸鏈，從而保證車身尺寸的精確性和穩(wěn)定性，而且還可以及時地分析出誤差產(chǎn)生的原因并加以控制。在車身設(shè)計、制造和檢測過程中始終貫徹基準(zhǔn)點系統(tǒng)，對于各個環(huán)節(jié)由定位基準(zhǔn)變換引起的尺寸偏差，以前后統(tǒng)一、上下繼承的形式來保證。
RPS的應(yīng)用優(yōu)勢在于:
1、由于這個設(shè)計制造過程基準(zhǔn)的統(tǒng)一，減少了因基準(zhǔn)變換產(chǎn)生的誤差，從而提高車身制造精度；
2、只在統(tǒng)一基準(zhǔn)處定位裝夾，減少了夾具的使用，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率；
3、基準(zhǔn)統(tǒng)一對于分析車身尺寸問題產(chǎn)生的原因非常方便，可以有效地進行故障診斷，有利于生產(chǎn)管理水平的提高。
由于在整個過程中統(tǒng)一了基準(zhǔn)，而且基準(zhǔn)是逐級傳遞的，也就保證了在焊接過程中零件的準(zhǔn)確定位。
2.6.2夾具精度控制
在汽車車身制造中，工裝夾具是保證轎車車身焊接質(zhì)量的重要裝備，焊裝夾具的精度直接影響了白車身的尺寸精度。在焊裝夾具正式投入使用之前，必須對其進行充分的調(diào)試和檢測，只有驗證合格的夾具才能投入生產(chǎn)。焊裝夾具的調(diào)試工作非常繁瑣，需要有很好的技術(shù)和豐富的經(jīng)驗。要控制夾具精度，制造合格的焊裝夾具必須做到以下幾項。
1、焊接夾具的定位基準(zhǔn)與產(chǎn)品設(shè)計基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)應(yīng)重合，要結(jié)合車身設(shè)計和模具設(shè)計，選擇統(tǒng)一的定位孔、工藝孔，這樣不僅能簡化裝配關(guān)系，還能消除由基準(zhǔn)不同帶來的車身尺寸誤差，并且可以提高焊接夾具的裝配精度。一般車身焊裝夾具首先是按照車身數(shù)據(jù)進行設(shè)計制造，然后在生產(chǎn)過程中，根據(jù)沖壓件的實際需要的變形量來對夾具進行調(diào)試，做適當(dāng)調(diào)整。為了控制車身的焊接變形，設(shè)計焊接夾具定位結(jié)構(gòu)時要考慮易調(diào)整性，對于車身焊接變形以及焊接后收縮量的變化都能方便調(diào)整，并且根據(jù)實際情況來微調(diào)夾具，控制焊接過程變形。
2、車身焊裝夾具和焊接零件都是根據(jù)理論數(shù)據(jù)來制造，在制造時難免會有誤差，出現(xiàn)和數(shù)據(jù)不一致的情形，要使沖壓零件之間，零件與夾具之間能很好的匹配，在車身試生產(chǎn)前必須經(jīng)過夾具的調(diào)試階段，以檢驗夾具和零件的協(xié)調(diào)性，是否能保證焊接精度與白車身質(zhì)量。在調(diào)試夾具的過程中，對于重要的定位銷和定位塊，比如車身上重要的裝配孔、工藝孔，對車身的焊接、裝配、外觀和性能有影響的定位機構(gòu)，我們首先要分析是否影響到了車身匹配誤差，而不能輕易地進行調(diào)整，要綜合起來考慮。在夾具調(diào)試時，首先要對夾具本身進行測量，以保證夾具實物和圖紙的一致性。如果沖壓件已經(jīng)檢驗合格，我們還可以用樣件來驗證夾具，使夾具測量更有針對性，縮短夾具測量周期。對于左右對稱的零件，可以用零件的對稱性來判定夾具是否也完全對稱。在焊接完成后，焊接好的組件要很方便的從夾具上取下，然后對組件進行測量，如果測量值和數(shù)據(jù)存在明顯的偏差，就要在夾具上采取措施來控制焊接變形。
3、要保證車身裝配的相關(guān)零件尺寸，特別是那些關(guān)鍵零部件的裝配孔，裝配面，精度控制必須非常嚴格。要確保車身匹配質(zhì)量，還要避免焊接時產(chǎn)生較大的強制變形。
一般設(shè)計單位來確定焊裝夾具的精度標(biāo)準(zhǔn)，夾具精度標(biāo)準(zhǔn)要規(guī)定底板基準(zhǔn)槽的定義和精度要求;支撐面、滑塊、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、定位銷的尺寸和形位公差，制造單位按設(shè)計部門提供的精度標(biāo)準(zhǔn)進行制造、調(diào)整，合格后固定定位銷。隨著制造自動化程度的提高，加工設(shè)備精度的提高，產(chǎn)品品質(zhì)要求的提高，要求夾具的制造精度越來越高。高精度夾具的定位孔距精度高達0.01mm5um ，夾具支承面的垂直度達到0.01mm/300mm，平行度高達0.01mm/500mm。
2.6.3生產(chǎn)過程控制
在白車身的焊接過程中，要合理的安排每一個工序，對每一個工序都要進行嚴格的監(jiān)控。生產(chǎn)制造過程控制的核心是質(zhì)量管理和控制，而質(zhì)量控制的核心是工序質(zhì)量控制。在白車身焊接過程中，首先要加強工藝管理，提高工藝人員技術(shù)水平，編制優(yōu)秀的工藝文件；員工要遵守操作規(guī)范，嚴格按照工藝文件操作；還要加強過程檢驗，保證每個工序質(zhì)量，從而得到高質(zhì)量的整車，制定工序質(zhì)量控制點，保證車身關(guān)鍵部位尺寸。為了控制焊接變形，一般采用電阻點焊，由于電阻點焊為內(nèi)部熱源，冶金過程簡單，且加熱集中，熱影響區(qū)較小，容易獲得優(yōu)質(zhì)接頭；采用先進焊接設(shè)備防止車身焊接變形，國外車身焊接一般都采用機器人焊設(shè)備來進行車身焊接，采用機器人焊接不僅能使車身焊接時焊點均勻，點焊順序穩(wěn)定，而且能提高焊接速度，實現(xiàn)最大限度減少車身焊接變形量；在產(chǎn)品生產(chǎn)的一系列過程中都必須制訂明確的焊接工藝文件，并嚴格按照焊接工藝文件的要求進行控制。只有掌握汽車車身焊接的內(nèi)在變化規(guī)律，采用先進的焊接工藝，才能有效地控制汽車車身焊接誤差。
2.7本章小結(jié)
本章主要介紹了車身部件車輪輪罩對于焊裝工藝特點，零部件尺寸對焊裝的影響，焊裝質(zhì)量，焊裝變形。焊裝對車身尺寸的影響，以及如何減少焊裝對車身尺寸影響的方法。同時介紹了車身基準(zhǔn)統(tǒng)一系統(tǒng)，在整個車身設(shè)計制造中，所有模夾具定位和基準(zhǔn)的統(tǒng)一和延續(xù)。
第3章 焊裝夾具設(shè)計基礎(chǔ)
3.1焊裝夾具的基本概念
把車身沖壓件在一定工藝裝備中定形、定位并夾緊，組合成車身組件、合件、分總成及總成，同時利用焊接的方法使其形成整體的過程稱為裝焊過程。焊裝過程中所使用的夾具稱為焊裝夾具（圖3.1）。裝配焊接是車身制造中的重要環(huán)節(jié)之一，它直接影響車身質(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性，提高裝配精度和焊接質(zhì)量是車身制造的核心工作。焊裝夾具就是為了保證車身的裝配精度、提高生產(chǎn)率。
圖3.1 某單工位焊裝夾具
3.1.1焊裝夾具的基本作用
1、給車身的部件定位、夾緊，保證裝配精度。
2、保證焊接工藝能正常進行。
3、減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，改善勞動條件，降低產(chǎn)品成本。含各類搬送及輔助機構(gòu)見圖3.2。
圖3.2 吊具輸送設(shè)備
3.1.2焊裝線發(fā)展過程及目前的現(xiàn)狀
焊裝線發(fā)展經(jīng)過四個階段，即手工操作階段、半自動化階段、自動化階段、柔性化階段。隨著焊裝線的發(fā)展，焊裝機器人大量應(yīng)用，焊裝線的自動化、柔性化程度日益加深，并且有向智能化發(fā)展的趨勢。
1、手工操作階段。
隨著汽車的發(fā)明及開始商品化，相應(yīng)的工裝設(shè)備也被需求，由于批量和技術(shù)原因，設(shè)備簡陋，主要為手工操作階段。
2、半自動化階段。
技術(shù)的提高和批量的增大，對工裝設(shè)備的要求也隨之提高，為保證生產(chǎn)時間和減輕勞動強度，在關(guān)鍵位置及繁重勞動位置采用自動化。
3、自動化階段。
對汽車的需求和質(zhì)量的要求越來越高，為了滿足這種市場要求，汽車生產(chǎn)進入自動化階段。
4、柔性化階段。
隨消費者對汽車品味要求的不同，多品種小批量的生產(chǎn)越來越成為汽車生產(chǎn)的主流，因此對工裝設(shè)備的柔性要求越來越高，焊裝線的柔性表現(xiàn)在兩個方面:全面柔性，即能生產(chǎn)各種不同規(guī)格的車；替換柔性，即生產(chǎn)線上的某一部分出現(xiàn)故障，只要降低生產(chǎn)仍可工作。
3.1.3焊裝線的分類
轎車由沖壓鈑金件，組件及部件裝焊成車身殼體總成，一般由以下焊裝生產(chǎn)線組成。
1、總成裝焊線(Main Line)；
將地板、左／右側(cè)圍、頂蓋和前、后圍六大總成焊裝的生產(chǎn)線，稱為汽車焊裝線中最重要的生產(chǎn)線(圖3.3)。
圖3.3 某車型總成焊裝工位
2、左右側(cè)圍總成裝焊線(SideASS’Y Line LH/RH)；
3、地板總成裝焊線(FloorASS’Y Line)；
4、頂篷總成裝焊線(RoofASS’Y Line)；
5、左/右門線(Door Line LH/RH)；
6、前圍(機艙)裝焊線(Eng.Line)；
7、分總成組焊裝配線(SubASS’Y Line)。
3.1.4汽車焊裝生產(chǎn)線的幾種常見形式
柔性化焊裝生產(chǎn)線既滿足了汽車生產(chǎn)要求的規(guī)模效益，又保證了產(chǎn)品多元化的需求。它以其時效優(yōu)勢及成本優(yōu)勢，極大地增強了汽車企業(yè)的競爭力，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益。因此，多品種的柔性化生產(chǎn)越來越多地應(yīng)用在汽車生產(chǎn)中。幾種常見的汽車焊裝生產(chǎn)線形式如下。
1、隨行臺車貫通式生產(chǎn)線。
該生產(chǎn)線一般采用數(shù)量不等的相同臺車式夾具，由鏈條驅(qū)動到預(yù)定工位后由人工投料及人工焊接作業(yè)，每臺車身均在同一夾具與不同工位上完成拼裝。這種形式的生產(chǎn)線生產(chǎn)效率低、勞動強度大、單品種專線生產(chǎn)，且產(chǎn)品的精度品質(zhì)不易保證，為早期常用的一種生產(chǎn)形式，一般適用于小批量的生產(chǎn)。
2、單車型自動化生產(chǎn)線。
該生產(chǎn)線一般采用固定式專用夾具并配合機械手進行自動化焊接拼裝，物料通過吊車自動搬送投入，每個站別間產(chǎn)品輸送較多采用往復(fù)式梭動機。其特點是生產(chǎn)效率及自動化程度高、品質(zhì)穩(wěn)定，但仍屬于單品種專線生產(chǎn)，適用于單一車種的大批量生產(chǎn)。
3、多車型自動化混合生產(chǎn)線。
該生產(chǎn)線與單車型自動化生產(chǎn)線形式基本相同，主要差異在于主焊生產(chǎn)線上采
用多車型混線生產(chǎn)，一般為1~3種車型?？偲磰A具采用各車型專用串接方式。該方式設(shè)備投資成本較高，每個車型獨立的總拼夾具及周邊搬送關(guān)系需滿足全線產(chǎn)能的要求，且設(shè)備彈性較差，自動化設(shè)備投入效益低。而另一種方式則采用四面回轉(zhuǎn)夾具，它依據(jù)不同車型進行自動切換對應(yīng)生產(chǎn)，機械手進行自動拼裝。而對于底板分總拼夾具一般移到主焊線外獨立設(shè)線，主焊線通常除總拼夾具外，其它均為補焊夾具，較容易做到多車種共用。該生產(chǎn)線形式，各汽車企業(yè)應(yīng)用較多，為具有一定彈性的生產(chǎn)模式。
3.1.5焊裝生產(chǎn)線的組成
焊裝生產(chǎn)線一般由下列幾大部分組成。
1、夾具：對產(chǎn)品起定位夾緊作用，保證裝配精度，包括定位、夾緊及其支撐機構(gòu)。
2、焊接系統(tǒng)：對主產(chǎn)品實施焊接，保證焊接質(zhì)量，有如下幾種焊接方式。
1）手動焊接（PSW）：采用人工手持氣動焊鉗進行焊接的方式（見圖3.4(a)）；
圖3.4(a) 手動C型焊鉗
2）自動焊接（ASW）：由機械裝置控制焊鉗進行焊接的方式；
3）機器人焊接（RSW）：由焊接機器人帶動焊鉗進行焊接的方式（見圖3.4(b)）。
圖3.4(b) 機器人焊接
移送裝置：在工位內(nèi)，工位間、線間成車間移送工件或裝備。
輔助裝置：如安全柵欄、空中桁架、機器人墊、地溝蓋板等。
氣、液系統(tǒng)：焊裝生產(chǎn)線的動力源主要為氣動，某些場合使用液動和電動
電控系統(tǒng)：焊裝生產(chǎn)線一般采用PLC控制，計算機監(jiān)控。
3.1.6焊裝線的總體布局
在對焊裝線和焊裝車間進行總體布局時，一般應(yīng)考慮如下因素。
操作可行性：人員的操作、設(shè)備的動轉(zhuǎn)是否可行，工藝是否能實現(xiàn)等。
場地可行性：是否受場地的限制。
物流可行性：物流是否暢通、迅速、方便。
經(jīng)濟可行性：在設(shè)備投資和運行費用需綜合考慮。
技術(shù)可行性：技術(shù)上是否可行，能否實現(xiàn)。
3.1.7中國國內(nèi)現(xiàn)有焊裝線狀況
目前，國內(nèi)的焊接裝備生產(chǎn)廠家綜合技術(shù)實力不足，不具備設(shè)計制造高水平的成套焊裝線的能力。面對汽車行業(yè)的激烈競爭又不允許國內(nèi)的汽車生產(chǎn)廠家用國產(chǎn)的裝備進行試驗，只好成套引進，使得國內(nèi)焊接裝備生產(chǎn)廠家近年來與國外水平的差距越來越大。具體來說，國內(nèi)焊裝線狀況如下。
1、自動化程度：在滿足焊接和車體質(zhì)量的前提下，自動化程度較低。
2、精度要求：國內(nèi)汽車廠家，除少數(shù)幾家有規(guī)模的轎車廠家外，對精度的要求普遍不太高。
3、經(jīng)濟性：國內(nèi)汽車廠家在焊裝線方面的投資均不太大，要求用最節(jié)省的方式來滿足焊裝的要求。
4、可操作性：國內(nèi)焊裝設(shè)備因自動化程度低，可操作性不太好。
5、安全性：國內(nèi)焊裝設(shè)備一般只具有基本的和必須的安全保護裝置。
3.1.8焊裝生產(chǎn)線的選型
選擇哪種型式的焊裝線和需要多少焊裝設(shè)備一般由下列幾個因素決定：1、生產(chǎn)綱領(lǐng)即生產(chǎn)節(jié)拍，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性；2、產(chǎn)品性能、工藝水平；3、投資規(guī)模，車間面積，工裝設(shè)備維修保養(yǎng)；4、上下工序(涂裝車間)生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)形式等；其中生產(chǎn)綱領(lǐng)和產(chǎn)品性質(zhì)起決定作用，不同的產(chǎn)量不同的產(chǎn)品性質(zhì)就可以選擇不同結(jié)構(gòu)形式的焊裝線。
3.2焊裝夾具設(shè)計基本要求
合理的夾具設(shè)計能夠保證轎車車身質(zhì)量，在焊裝夾具設(shè)計之前，要了解轎車車身的設(shè)計基準(zhǔn)，夾具設(shè)計要和車身的設(shè)計建立在同一坐標(biāo)系上。圖3.5為轎車車身坐標(biāo)系。
轎車車身三維空間坐標(biāo)系的約定為:坐標(biāo)系的原點位于轎車前軸中心，X軸為前后(F/A)方向，其正方向指向車身后部；Y軸為橫向(I/0)方向，其正方向指向車身右部；Z軸為高低(H/L)方向，其正方向向上。轎車車身坐標(biāo)系是為了精確定位車身上任意一點的空間位置而構(gòu)造的笛卡兒直角坐標(biāo)系。在本文設(shè)計中，凡涉及到空間坐標(biāo)系，均以此為標(biāo)準(zhǔn)。
X
Y
Z
圖3.5 轎車車身坐標(biāo)系
轎車車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、易變形。為了保證車身焊接質(zhì)量，在焊接過程中保持零件的正確位置，特別是重要的裝配孔和工藝孔的尺寸、形狀和相對位置關(guān)系，必須合理的設(shè)計并使用焊裝夾具加以控制。焊裝夾具的作用主要有3點：1、轎車車身是由幾百個零件，經(jīng)過零件組件合件分總成白車身這一過程組焊而成。夾具就是要使每個零件能準(zhǔn)確的定位，定型并夾緊，從而保證焊接后每個零件保持正確的相對位置，保證車身外形及各種功能尺寸。2、保證焊接工藝能正常進行:車身在焊裝過程中不僅有裝配精度要求，而且要符合焊接工藝規(guī)范(間隙值)要求，只有通過具有一定精度的焊裝夾具，才能保證零件不錯位，焊接能順利進行。3、采用合理的焊裝夾具可以大大提高生產(chǎn)率，減輕勞動強度，保證焊裝質(zhì)量。目前，汽車焊裝夾具的設(shè)計和制造還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，大部分還屬于個體設(shè)計與制造，每種車型的夾具都是根據(jù)這個車型的自身特點、生產(chǎn)制造條件和生產(chǎn)綱領(lǐng)來自行設(shè)計與制造，但所有車型夾具的功能要求和結(jié)構(gòu)組成都具有共性。考慮到轎車車身的薄板特點，車身焊接夾具有別于其他夾具，主要要求和特點如下。
1、由于汽車的型號和品牌繁多，在焊接過程中對夾具的形式、自動化程度等要求不一樣，因此在夾具設(shè)計中對其結(jié)構(gòu)要求有很大的不同，從而無形中增加了大量的夾具設(shè)計工作量。
2、汽車車身焊接夾具的設(shè)計與制造目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，對于品種繁多的汽車夾具，大量的非標(biāo)設(shè)計和制造已經(jīng)脫離了時代要求。因此，在場內(nèi)對現(xiàn)有夾具的設(shè)計和制造進行標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，建立夾具零部件庫。
3、車身飯金進行焊接后，形成了一個總成或者分總成，由于飯金的自身變形或者焊接變形，可能導(dǎo)致件從焊裝夾具上不能順利取出，因此在夾具設(shè)計與制造時，除了考慮飯金件的自身變形外，還要考慮飯金焊接變形，要保證每道工序能順利的進行，避免總成件或者分總成件與夾具，或者夾具和焊鉗之間干涉。
4、夾具要保證焊接后車身各部分具有正確的位置精度和尺寸精度。
5、根據(jù)汽車的整個生產(chǎn)綱領(lǐng)和本廠的生產(chǎn)工藝要求，確定該車型焊裝夾具的自動化生平和復(fù)雜程度。
6、夾緊可靠，剛性適當(dāng)。夾緊時不破壞沖壓件的的定位位置和幾何形狀，以及沖壓件的表面質(zhì)量。
7、為了保證在焊接過程的使用安全，要設(shè)置必要的行程開關(guān)和安全裝置。
8、為了方便外形較大或者外形復(fù)雜的飯金(左右側(cè)圍分總成)取放方便，在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾右苿訉?dǎo)向和舉升翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。
9、為了防止沖壓件的自身變形和夾具制造過程中的誤差，需要夾具具有一定的可調(diào)性，在夾具設(shè)計時，需要在整體坐標(biāo)的X\Y\Z方向上都有3~4mm的可調(diào)空間，以滿足實際生產(chǎn)需求。
10、在現(xiàn)在汽車產(chǎn)品競爭激烈的環(huán)境下，高性價比的車身設(shè)備工裝是提高產(chǎn)品競爭的必備手段，所以夾具的設(shè)計和制造要做到結(jié)構(gòu)合理，成本低廉。
3.3汽車焊裝夾具設(shè)計方法
3.3.1夾具的基本構(gòu)成
汽車焊接夾具的主要裝置有由夾具基板、定位裝置、夾緊機構(gòu)和一些輔助機構(gòu)。
l、夾具基板
基板是焊接夾具的基礎(chǔ)元件，夾具其他部分都是建立在這個基板之上的，因地它的精度直接影響到夾具的精確性，因此對基板的工作平面有著嚴格的要求?；宓纳媳砻娑荚O(shè)有基準(zhǔn)線，用于夾具的自身測量和準(zhǔn)確定位。為了節(jié)約材料、減輕夾具重量、降低成本，在不影響夾具定位機構(gòu)和基準(zhǔn)槽的情況下，夾具基板應(yīng)盡量采用框架結(jié)構(gòu)。
2、定位裝置
夾具定位裝置是用來確定焊接件的相對位置和裝配關(guān)系的，定位裝置一般有定位銷和定位面兩種，定位銷又有固定銷、氣動伸縮銷、插銷等，定位面一般根據(jù)焊接零件需要定位處的型面做成定位塊。
3、夾緊機構(gòu)
汽車焊接夾具的夾緊機構(gòu)是為了固定焊接零件，防止點焊時因作用力太大而導(dǎo)致的零件錯位變形。主要分為手動夾緊機構(gòu)和氣動夾緊機構(gòu)兩種，在實際生產(chǎn)中，一般配合使用手動、氣動夾緊機構(gòu)，保證正常生產(chǎn)。
4、輔助機構(gòu)
為了夾具能夠更加方便的用于實際生產(chǎn)過程中，有些夾具還包括3種輔助機
構(gòu)，如旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、反作用焊接結(jié)構(gòu)、測量機構(gòu)等。
3.3.2夾具的設(shè)計步驟
1、在焊接夾具設(shè)計之前，首先要了解整個白車身的結(jié)構(gòu)特點，確定生產(chǎn)綱領(lǐng)，明確焊裝線的初步規(guī)劃，運用同步工程學(xué)的知識，先期切入到白車身數(shù)據(jù)設(shè)計階段，做好充分的工藝準(zhǔn)備工作，再結(jié)國內(nèi)外先進的夾具結(jié)構(gòu)和本公司的實際情況，規(guī)劃出夾具的總體方案。最終確定是用固定式夾具還是隨行夾具、自動化程度的高低、是否考慮多種車型共用等。
2、根據(jù)白車身數(shù)據(jù)及焊點規(guī)劃方案，規(guī)劃出焊接樹狀圖，規(guī)劃出整個焊裝線方案，同時結(jié)合飯金件的模具工藝方案和總裝的裝配工藝，規(guī)劃出合理的定位孔、支撐面及壓緊方式。
3、根據(jù)夾具焊點規(guī)劃和焊接樹狀圖確定的焊裝線規(guī)劃，確定夾具的輔助設(shè)備
和公用動力。
4、焊裝夾具的整體坐標(biāo)要和設(shè)計坐標(biāo)一致，這樣就保證整個從設(shè)計到制造的基準(zhǔn)統(tǒng)一，同時考慮夾具的模塊化，系列化，包括基板的模塊化、L座、墊片、連接塊等，這樣即保證了精度又縮短了制造周期。
3.4焊裝夾具定位可靠性設(shè)計方法
美國汽車工業(yè)的統(tǒng)計表明，72%的車身制造誤差源于焊裝夾具定位誤差，因此要提高車身焊裝質(zhì)量，有效地控制并減少夾具定位誤差的影響至關(guān)重要。汽車車身焊裝夾具和一般的機加工夾具有著顯著的差別，車身焊裝夾具的對象是薄板柔性沖壓件，這種零件比較特殊，它不僅要滿足定位的精確性，還要充分考慮這種薄板柔性件的易變形性，這樣才能適應(yīng)汽車產(chǎn)品的高質(zhì)量要求。
3.4.1“N-2-1”定位原理
Z
每個剛性物體在三維空間中都具有六個自由度，其中三個移動式平行于坐標(biāo)軸的自由度，三個圍繞坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動的自由度，如圖3.6所示。為了確定一非轉(zhuǎn)對稱物體的位置，必須對其六個可能的運動方向進行約束，需要加上6個支撐點，在XOY平面內(nèi)布置3個支撐點，在XOZ平面內(nèi)布置2個支撐點，在YOZ平面內(nèi)布置1個支撐點，這就是6點定位法，也就是“3-2-1”定位原理。當(dāng)工件放在平面上時，就是三點支撐:用銷軸的支撐都是線支撐，相當(dāng)于二點支撐，球面上的支撐相當(dāng)于一點支撐。
X
Y
圖3.6 三維空間中的自由度
汽車車身是由幾百個薄板柔性沖壓件焊接而成，在焊接過程中，由于薄板沖壓件法向上的變形，還有因零件自重所引起的變形，都會導(dǎo)致車身尺寸問題。有分析表明，對一塊長和寬各400mm，厚1mm的薄板，用“3-2-1”定位原理將其固定，由于薄板重力影響，可能會產(chǎn)生1~3mm的平均變形，也就是說，在水平面上的三點支撐并不能解決零件變形問題。所以對于薄板件，要限制這一方向上的零件變形，必須要求在第一基準(zhǔn)面上的定位點數(shù)要多于3個，夾具系統(tǒng)也要相應(yīng)的采用更加合理的“N-2-1”定位原理，“N-2-1”定位原理比較適用于薄板柔性件的夾具設(shè)計，它的具體內(nèi)容為:工件第一基準(zhǔn)面上的定位點數(shù)為N(N3)，第二、第三基準(zhǔn)面上的定位點數(shù)分別為2個和1個。在實際焊接過程中夾具的夾緊力一般不會作用在第二、第三基準(zhǔn)面方向上，所以在這兩個基準(zhǔn)面上只需要分別用2個和l個定位點來限制薄板件的剛體運動，通常第二基準(zhǔn)面上的2個定位點要布置在薄板件相對較長的邊上，因為當(dāng)兩個定位點的間距比較大時，零件的位置會更加穩(wěn)定;另外，這樣可以更好地彌補零件表面或者定位元件的安裝誤差。需要強調(diào)的是，絕對不允許在沖壓件的正反兩側(cè)同時設(shè)置定位點，因為在這種情況下，任何極小的幾何缺陷都有可能導(dǎo)致薄板件相對巨大的撓度和潛在的不穩(wěn)定或翹曲。
3.5本章小結(jié)
本章介首先紹了焊裝夾具的基本概念，全面介紹了汽車車身焊裝線的基本作用、組成、分類，焊裝生產(chǎn)線設(shè)計及發(fā)展。其次從白車身焊接總成自身特點出發(fā)，闡述了汽車工裝夾具的特點，焊裝夾具設(shè)計的基本要求。描述了汽車焊裝夾具的組成和設(shè)計步驟。
第4章 基于轎車車輪輪罩焊裝夾具設(shè)計
4.1夾具方案分析
方案設(shè)計決定了焊裝夾具的設(shè)計大多數(shù)工作量，其設(shè)計的好壞直接影響夾具設(shè)計的難易程度，夾具所能達到的定位精度。在方案設(shè)計中，首先必須確定夾具的定位基準(zhǔn)，它和車身的設(shè)計坐標(biāo)是一致的。選定基準(zhǔn)后根據(jù)作業(yè)高度初步確定夾具底座的高度，即夾具固定位置的高度；其次要求確定本工位焊裝操作的各個焊點，初步選定焊鉗；下一步是確定本工位每一個工件的定位點的選取和定位方式，這是方案設(shè)計的關(guān)鍵，必須清楚地把握各薄板件的空間形狀、上件順序，合理設(shè)計各單元夾具的安放位置及大體結(jié)構(gòu)，以保證準(zhǔn)確、合理、方便、迅速的實現(xiàn)焊裝過程；最后得出整個工位的總體方案草圖。
4.1.1前期準(zhǔn)備
在設(shè)計汽車焊裝線之前，首先應(yīng)分析設(shè)計任務(wù)書，了解生產(chǎn)綱領(lǐng)、汽車鈑金結(jié)構(gòu)特征、工藝需要及生產(chǎn)線的布置方式等，做好充分的工藝分析。根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)及自動化程度要求，考慮最佳綜合成本及焊接工藝性、焊接質(zhì)量和勞動強度，并結(jié)合實際情況確定焊裝夾具的設(shè)計方案，確定底座形式、焊接方式、傳輸方式、夾具形式、自動化程度等。設(shè)計白車身右前輪罩分總成焊裝夾具，其采用普通固定式底座，點焊焊點6個，單車型夾具，手動焊接(PSW)，氣動夾緊，上件數(shù)量2件，生產(chǎn)綱領(lǐng)及節(jié)拍如表4.1。
表4.1 生產(chǎn)綱領(lǐng)及節(jié)拍一覽表
序號
內(nèi)容
備注
1
生產(chǎn)綱領(lǐng)
10萬每年
3班、300天
2
生產(chǎn)節(jié)拍
208秒
門蓋104秒
3
設(shè)備開動率
90%
——
生產(chǎn)節(jié)拍： 秒/臺208秒/臺 (4.1)
右前輪罩分總成夾具屬于右縱梁圖4.1所示中的一部分，在設(shè)計前首先要分析數(shù)模。
右前輪罩分總成8403060由右減震器組件8403080、右前輪罩前連接板組件8403120這兩個部件組成。
左前輪罩分總成
右前輪罩分總成
圖4.1 右縱梁數(shù)模
4.1.2方案設(shè)計
分析設(shè)計基準(zhǔn)書，各焊接部件的工藝卡，進行焊裝夾具的初步方案設(shè)計，確定各部件的定位方式，底座（即BASE）的位置及高度，操作高度等。設(shè)計基準(zhǔn)書規(guī)定一系列設(shè)計的基本要求，比如主體要求（銷方式、定位塊壓塊結(jié)構(gòu)及材料、定位塊壓塊厚度、定位銷結(jié)構(gòu)及材料等）；主使用外構(gòu)件、主使用標(biāo)準(zhǔn)件、二維圖面畫法及公差等。
由于汽車車身形狀復(fù)雜、剛性差、易變形，因此，焊裝夾具在結(jié)構(gòu)上主要有如下特點：a、夾具定位面的形狀復(fù)雜、精度要求高、設(shè)計制造難度大。因為車身沖壓件大多數(shù)是空間曲面，而夾具定位元件的工作表面必須與車身相應(yīng)的定位表面形狀保持一致。在夾具中定位的形面是取車身各重要的部位的斷面。因此夾具定位元件的工作表面采用數(shù)控設(shè)備加工才能使其獲得準(zhǔn)確的形狀。b、夾具結(jié)構(gòu)應(yīng)具有使工人操作方便、容易焊接、工件裝卸方便等特點；同時又要防止各相鄰夾具之間以及夾具與工件之間發(fā)生干涉。c、由于車身外形尺寸大，定位元件由多個定位板構(gòu)成車身表面的空間形狀，夾具的裝配、調(diào)整工作量大。
分析右前輪罩分總成的工藝卡，確定各個部件的定位方式，對右前輪罩分總成而言，有三個部件的工藝卡，右