焊接夾具的三維建模

1、.#；第10章 焊接夾具的三維建模焊接夾具是焊裝工藝的重要組成部分，它在焊接過程中確保零件形狀、尺寸、精度符合產品圖紙技術要求，同時焊接夾具的自動化程度還是影響零件生產批量的關鍵因素。l 選擇對象l 復制圖形對象l 調整圖形大小l 倒角與圓角l 夾點編輯的使用本章向讀者介紹汽車車身制造過程中的焊接夾具基于UG軟件的設計思路和三維裝配建模的一般方法。重點知識 自頂向下零件設計方法 從底向上標準件的裝配方法 裝配排列的使用練習案例 氣動焊接夾具的加工件設計 氣動焊接夾具的標準件裝配 氣動焊接夾具的裝配排列銷軸軸10.1 焊接夾具概述焊裝夾具是在生產產品時的一種輔助手段，它是將工件迅速準確地定位并固

2、定于所定位置，包括引導焊槍或工件的導向裝置在內的用于裝配和焊接的工藝裝備的總稱。10.1.1 焊接夾具的分類焊接夾具種類繁多，按夾緊的動力源不同可分為： 1. 手動夾具它是以人力為動力源，通過手柄或腳踏板，靠人工操作的夾具。它結構簡單，具有自鎖和擴力性能，但工作效率低，勞動強度大，一般在單件和小批量生產中應用較多。2. 氣動夾具它是以壓縮空氣為傳力介質，推動氣缸動作以實現夾緊的夾具。它結構簡單，使用方便，價格低廉，容易實現焊裝過程的機械化和自動化，在焊裝夾具中使用最廣泛。3. 液壓夾具它是以壓力油為傳力介質，推動液壓缸動作以實現夾緊的夾具，與氣動夾具相比，它主要用于夾緊速度有要求以及夾緊力要求

3、很大的場合。4. 磁力夾具它主要是利用永久磁鐵夾緊焊件的夾具。其夾緊力小，磁力會逐漸減弱。主要用于車身上小零件的上料，由于空間尺寸限制不易設置夾緊結構。5. 真空夾具它是利用真空泵使夾具內腔形成真空，借助大氣壓力將焊件壓緊的夾具，它主要用于夾緊容易引起變形的薄板件，尤其是車身頂蓋等焊件在空中運輸過程中常利用真空吸盤來夾緊。6. 混合式夾具在一些大型復雜的夾具上，夾緊機構的結構形式有多種，而且還使用多種動力源，有手動加氣動的，氣動加磁鐵的等等。這種多動力源夾具，稱做混合式夾具。10.1.2 焊接夾具的功用1. 提高了產品裝配精度，優(yōu)化產品質量采用焊裝夾具可以精確地對零件進行定位并牢固的夾緊，保證

4、裝配件的相對位置，減少了由于人工劃線的誤差帶來的定位不精確。同時焊裝夾具在焊接過程中使零件的變形受到一定的限制，可以大大減少焊接變形，使焊后零件的結構尺寸容易達到圖紙要求。2. 縮短焊接時間，能夠批量生產，減少加工費，降低產品成本。采用了焊接夾具，零件由定位元件定位，不用劃線，不用測量就能得到準確的裝配位置，加快了裝配作業(yè)的進程。另外在焊裝夾具上備有擴力機構牢固夾緊，可減輕工人的體力勞動，提高裝配效率。夾具可強行夾固焊件或預先給予反變形，能控制和消除焊接變形，提高焊接質量，減少或取消焊后矯正變形或修補工藝缺陷的工序，使整個產品的生產周期縮短。雖然制作焊接夾具增加了產品成本，但焊裝夾具的使用減少

5、了裝配和焊接工時的消耗，提高了產量，易形成大批量生產，從而減少加工費，使產品總成本降低。3. 增加了產品的均勻性，能得到具有互換性的產品采用焊裝夾具后，由于保證了裝配精度，控制了焊接變形，使焊接質量穩(wěn)定，所以可提高焊件的互換性能。4. 減輕了工人勞動強度，使不熟練工人操作也成為可能如果不使用夾具，在裝配定位焊時，要求工人在生產節(jié)拍時間內劃線來保證裝配焊接零件的相互位置是不可能的。在焊接時，裝配鉗工要始終扶持住工件，保證其位置在焊接過程中不發(fā)生變動，這項工作也非常困難和疲勞。焊裝夾具的使用降低了對工人的技能要求，也減輕了工人的勞動強度。10.1.3 焊接夾具的定位原理在進行裝配焊接作業(yè)時，首選應

6、使焊件在夾具中得到確定的位置，并在裝配、焊接過程中一直將其保持在原來的位置上。我們把焊件按圖紙要求得到確定位置的過程稱為定位；把焊件在裝配焊接作業(yè)中一直保持在確定位置上的過程稱為夾緊。由力學可知，在空間處于自由狀態(tài)的剛體，具有六種活動的可能性，即六個自由度（DOFS），夾具定位的目的就是約束這6個自由度中的部分或全部，這樣物體的位置和方位就能夠唯一的被確定，所以自由度也是決定物體空間位置的獨立參數。10.1.4 焊接夾具的設計要求1. 焊裝夾具必須保證焊件焊后能獲得正確的幾何形狀和尺寸，尤其是保證車身上門窗等孔洞的尺寸和形狀。在裝配時，夾具必須使被裝配的元件獲得正確的位置和可靠的夾緊，并且在焊

7、接時能阻止焊件產生變形。2. 焊裝夾具應動作迅速，操作方便。操作位置要處于工人容易接近、最宜操作的部位。特別是手動夾具，其操作力不能過大，操作頻率不能過高，操作高度應設在工人最易用力的部位。當夾具處于夾緊狀態(tài)時，應能自鎖。3. 焊裝夾具的設置應便于施工，有足夠的裝配、焊接空間，不能影響焊接操作和焊工觀察，不妨礙焊件的裝卸。所有的定位元件和夾緊機構應與焊點保持適當距離，或布置在焊件的下方或側面。夾緊機構的執(zhí)行元件應能夠伸縮或轉位。4. 夾緊可靠，剛性適當。夾緊時不破壞焊件的定位位置和幾何形狀，以及焊件的表面質量。夾緊力適當，使夾緊后既不使焊件松動滑移，又不使焊件的拘束度過大而產生較大的應力。5.

8、 為了保證使用安全，應設置必要的安全互鎖保護裝置。6. 用于大型零件焊接的夾具，要有足夠的強度和剛度，特別是夾具體的剛度，對結構的形狀精度、尺寸精度影響較大。7. 在同一個夾具上，定位元件和夾緊機構的結構形式不宜過多，并且盡量只選用一種動力源。8. 焊裝夾具本身應具有較好的制造工藝性和較高的機械效率，盡量使制作時投資少，成本低。9. 盡量選用已通用化、標準化的夾緊機構及標準的零部件來設計制造焊裝夾具。上述這些原則是設計車身焊裝夾具時所必須考慮的，但具體到焊裝夾具的結構上卻是差異甚大，有的焊裝夾具只有一個簡單的框架，有的則相當復雜。一般來說，應根據生產批量的大小和產品結構的特點并結合本廠的生產條

9、件（例如車間面積、起重設備、水電氣供應情況和技術水平等）來選擇焊裝夾具的類型，設計夾具。10.2 焊接夾具方案設計由于汽車產品的形式和種類繁多，在焊接過程中使用的夾具種類和要求也不一樣，因而各種夾具在構造上有著很大的差別。目前，汽車焊接夾具還沒有統一的規(guī)格和標準化，均屬于非標設計與制造的工藝裝備，是根據具體車型的結構特點、生產條件和實際需要來進行設計與制造的，但其功用要求以及基本結構的組成上還是具有共性。10.2.1 車身焊接夾具的結構特點由于車身形狀復雜，大多是曲面結構，剛性差，易變形，因而車身焊接夾具在結構上有別于其他夾具，其主要特點如下：1. 車身焊接夾具設計采用過定位原則因為車身零件一

10、般為彈性體，剛性差，易變形。尤其是當零件尺寸較大時，剛性更差，這些零件在其自身重量作用下都難以保證其準確的形狀，單純采用六點定位原則定位，無法保證其位置和形狀，因而需要采用工件表面或型面過定位的方式定位，即在焊點附近均需設置定位面，增加其剛性，其定位點的數量和位置會影響夾具的功能和焊件的質量。車身焊裝夾具的六點定位原理加過定位原則是區(qū)別于其他夾具的最主要特點。2. 車身焊接夾具定位面的形狀復雜，精度要求高，設計制造難度大。因為車身沖壓件大多為空間曲面，這就要求夾具定位元件的工作表面必須與車身上相應的定位表面形狀保持一致，這樣才能在裝焊過程中保證車身的外形。因而定位件的定位表面大多是型面，而且其

11、布置亦具有空間位置特點。在夾具中定位的表面往往是取車身各重要部位的斷面，因而焊裝夾具定位件的工作表面只有用仿形或數控設備加工，才能使其獲得準確的形狀。3. 焊接夾具結構應盡量小巧，具有良好的開放性。由于整個焊裝過程是把許多個小零件按順序逐個在夾具上定位和夾緊，待定位焊接完后形成一個整體，這時從夾具中取出的是已經連成整體的車身焊接件，其形狀復雜，尺寸增大，重量增加，從焊裝夾具上卸下的難度也增加。因此焊裝夾具的結構應使工件裝卸方便，使工人操作方便，焊槍容易接近工作處，同時又要防止各相鄰夾具之間發(fā)生干涉。4. 定位基準的選擇。由于車身焊裝夾具主要用來保證車身各零件的相對位置精度和整體車身結構的形狀精

12、度，其定位基準盡量采用產品圖紙上已有的孔，或者在設計時已考慮工藝的需要而事先確定的定位孔或定位面。原則上優(yōu)先選擇平面，盡量避免選擇曲面，降低其制造難度和成本。由于生產批量大，分散裝配程度高，為了保證互換性，要求同一構件的組合件、分總成，直至總成的裝配基準一致，并與設計基準重合。10.2.2 車身焊接夾具的結構組成雖然車身焊接夾具型式多種多樣，但其組成結構基本類似，通常由支架、定位板、壓板和夾緊器組成，如圖10-1所示為氣動夾具的一般結構。1. 定位板 它是夾具的核心零件。其位置和形狀是由工件相應位置的形狀尺寸決定，它是焊裝夾具中直接與工件表面接觸的部件，它的形狀尺寸精度直接影響了車身的焊接質量

13、和裝配精度，其定位面直接由工件型面的設計數值采用NC加工而成。2. 壓板 它是夾具中的運動部件，通過它的運動實現對工件的夾緊和松開，保證焊接過程中工件位置不發(fā)生變動，其型面與工件表面的吻合程度以及夾緊力的大小影響了焊接時的貼合間隙。工件壓板定位板連接支架夾緊氣缸圖10-1 焊接夾具的典型結構3. 連接支架 它通過圓柱銷與定位板連接，使其成為一個機構整體固定在裝焊臺的基座面上，其制造精度直接影響夾具的準確性。4. 夾緊氣缸 它是夾具的動力源，為夾具機構提供驅動力實現壓板的運動。由于氣動方式結構簡單、使用方便可靠、易實現機械化和自動化，現代夾具設計中主要選用氣動夾緊方式。10.2.3 車身焊接夾具

14、的設計依據車身焊接夾具的定位夾緊方案不僅要滿足合理可靠的定位以保證焊接質量，還要使整個焊接過程順利進行，最終保證設備滿足生產節(jié)拍的要求。1. 車身零件數模 焊接夾具的定位夾緊型面是以各個定位位置處的車身零件形狀決定的，所以設計前必須要有車身零件的3D數模，并將它轉化為UG格式裝配在一起。設計時根據工藝書要求將要定位夾緊處的零件型面截取出來。2. 焊點布置 焊接夾具設置的目的是為了保證焊接過程順利進行，提高焊接質量和焊接生產率，所以必須明確焊點的位置，設計夾具的結構必須考慮到焊點的實施過程，保留足夠空間讓焊鉗順利進出進行焊接。3. 夾具工藝方案 夾具的工藝方案確定了零件在焊接裝配過程中的定位基準

15、，包括定位位置和定位夾緊型面，它是進行焊接夾具設計的指導性文件。10.3 加工件的三維設計加工件是設計者根據設計方案自行設計并且需要專門繪二維圖進行加工的零件。設計時通常是在裝配模式下運用自頂向下的設計方法。結果文檔 Result/10/jig1.prt動畫文檔 AVI/10/jig1-1.avi知識要點 練習自頂向下設計的方法【實例10-1】 氣動焊接夾具加工件的三維設計如圖10-2所示為一汽車車架的子裝配圖，它是由8個車身零件焊接而成的小總成。12345687 圖10-2 汽車車架的焊接結構為了保證焊接質量，需要設置16套氣動夾具進行定位夾緊。夾具布置如圖10-3所示?，F在以2930X/2

16、946X處的夾具為例說明它的設計過程，該位置夾具的定位夾緊方式工藝給定如圖10-4所示。圖10-4 2930X/2946X處夾具定位夾緊方式圖10-3 汽車車架焊接夾具布置圖操作步驟1 啟動軟件UG/NX5，新建裝配文件weldjig_asm.prt，單位公制，目錄為Example10，如圖10-5所示，系統自動進入添加組件對話框。圖10-5 新建裝配文件weldjig_asm.prt2 選取光盤中的部件文件Example10zhuangpei.prt，向裝配模型中添加組件。操作過程如圖10-6所示。圖10-6 添加已存組件zhuangpei.prt3 進入“建?！杯h(huán)境，以weldjig_as

17、m.prt為工作部件，創(chuàng)建新組件，命名為jig1.prt。操作過程如圖10-7所示。圖10-7 新建空組件jig1.prt4 轉換jig1.prt為工作部件，建立車身零件在夾具定位2930X處的截面曲線，該截面曲線放置在81層，顯示為雙點劃細線、綠色。操作過程如圖10-8所示。截取的斷面線圖10-8 截取車身零件2930X處的斷面線 技巧提示截面曲線也可以在建立后修改屬性，選擇【編輯】/【對象顯示】命令，或單擊【實用工具】工具條上的圖標按鈕，出現類似與“對象首選項”對話框進行對象屬性的修改。5 轉換jig1.prt為顯示部件，移動工作坐標系到斷面線附近的整數值。操作過程如圖10-9所示。圖10

18、-9 移動工作坐標6 在當前YC-ZC平面開始建立第一個草圖，草圖建在21層。操作過程如圖10-10所示。圖10-10 在YC-ZC平面建立第一個草圖7 在同一平面開始建立第二個草圖，草圖建在21層。操作過程如圖10-11所示。圖10-11 在YC-ZC平面建立第二個草圖8 在同一平面開始建立第三個草圖，草圖建在21層。操作過程如圖10-12所示。圖10-12 在YC-ZC平面建立第三個草圖9 建立帶有草圖的加工件locator1.prt。操作過程如圖10-13所示。加入草圖圖10-13 新建加工件locator1.prt10 建立帶有草圖的加工件clamp1.prt。操作過程如圖10-14所

19、示。加入草圖圖10-14 新建加工件clamp1.prt11 轉換locator1.prt為工作部件，完成它的實體建模，實體建模特征放在1層。操作過程如圖10-15所示。設置層和工作部件設置對象屬性選擇拉伸操作設置拉伸參數拉伸結果選擇邊倒圓操作設置倒圓參數選擇倒斜角操作設置倒角參數建模結果圖10-15 加工件locator1.prt的實體建模12 轉換clamp1.prt為工作部件，完成它的實體建模，實體建模特征放在1層。操作過程如圖10-16所示。設置工作部件設置對象屬性選擇拉伸操作第一次拉伸設置拉伸參數第二次拉伸第三次拉伸拉伸結果選擇邊倒圓操作設置倒圓參數選擇倒斜角操作第一次倒角第二次倒角

20、第四次倒角建模結果圖10-16 加工件clamp1.prt的實體建模13 轉換locator1.prt為工作部件，鏈接斷面線。操作過程如圖10-17所示。圖10-17 加工件locator1.prt鏈接斷面線14 轉換locator1.prt為顯示部件，進行型面剪切。操作過程如圖10-18所示。圖10-18 加工件locator1.prt進行型面剪切 技巧提示1【直紋面】中選擇曲線使用【選擇工具條】中的“單條曲線”；2【直紋面】中選擇的兩組曲線必須方向一致。15 轉換clamp1.prt為工作部件，鏈接斷面線。操作過程如圖10-19所示。圖10-19 加工件clamp1.prt鏈接斷面線16

21、轉換clamp1.prt為顯示部件，進行型面剪切和偏置。操作過程如圖10-20所示。圖10-20 加工件clamp1.prt進行型面剪切和偏置17 轉換weldjig_asm.prt為顯示部件，保存文件。結果文檔 Result/10/jig2.prt動畫文檔 AVI/10/jig2-1.avi知識要點 練習自頂向下設計的方法舉一反三10-1 創(chuàng)建2310X/2326X處夾具在附盤上“Example10”中的weldjig_asm.prt文件中，建立新裝配文件jig2.prt，截取10-21左圖中2310X/2326X處的斷面線，其定位夾緊方式如右圖所示。設計其加工件locator2.prt和c

22、lamp2.prt。2310X/2326X圖10-21 創(chuàng)建2310X/2326X處夾具 要點提示1. 打開裝配文件weldjig_asm.prt，在其中新建文件jig2.prt為工作部件，截出車架裝配件在2310X/2326X處的斷面線。2. 根據截出的斷面線按照定位夾緊方式設計草圖。3. 將草圖分離為加工件。4. 對各個加工件進行實體建模。5. 修剪、偏置加工件的型面。10.4 標準件的裝配標準件是設計過程中設計者選用的零件，包括國標件、外購件、企業(yè)標準件等，一般它們不需要專門設計，從專門的標準件庫調用，采用從底向上的裝配方法。上例的氣動夾具只是加工件設計結束，還需要裝配支架、銷軸、夾緊氣

23、缸和國標件。其中支架和銷軸是企業(yè)標準件，夾緊氣缸是外購件，選用SMC公式的CK1A型氣缸。這些零件都已經建好了3D數據庫。下面介紹一下氣動夾具中常用企業(yè)標準件和外購件的建模特點以及裝配過程。1 支架支架結構如圖10-22所示，它的高度是個系列化參數，有300、350、400、450、500一共5個系列，是通過UGNX5中的部件家族來實現的。其用于部件族的命名表達式列表如圖10-23所示，部件族的工作表如圖10-24所示。 圖10-22 支架 圖10-23 表達式列表 圖10-24 支架部件族工作表2 銷軸銷軸結構如圖10-25所示，它的直徑是個系列化參數，也是通過UGNX5中的部件家族來實現的

24、。部件族的工作表如圖10-24所示。長度L為特征參數，通過表達式修改。 圖10-25 銷軸 圖10-26 銷軸部件族工作表圖3 夾緊氣缸夾緊氣缸CK1A63-100Y的結構如圖10-27所示，63為缸徑，100為氣缸滿行程，實際使用時不用到滿行程，一般預留5mm行程余量。氣缸行程是通過配對約束中的一個距離量參數來控制的，如圖10-28所示：距離表達式的值=氣缸行程-100。圖10-27 夾緊氣缸圖10-28 夾緊氣缸行程控制參數結果文檔 Result/10/jig1.prt動畫文檔 AVI/10/jig1-1.avi知識要點 練習使用配對話框進行零件從底向上設計的方法【實例10-2】 氣動焊接

25、夾具標準件的裝配操作步驟1 在jig1.prt裝配件中繼續(xù)操作。2 確定jig1.prt為工作部件，裝配企業(yè)標準件支架，操作過程如圖10-29所示。圖10-29 裝配企業(yè)標準件支架3 裝配企業(yè)標準件銷軸，操作過程如圖10-30所示。圖10-30 裝配企業(yè)標準件銷軸4 裝配外購件夾緊氣缸，操作過程如圖10-31所示。圖10-31 裝配外購件夾緊氣缸 技巧提示裝配約束時使用“配對約束”對話框中的“預覽”按鈕，若配對結果不合要求，使用“備選解”按鈕進行切換。 5 將部件族成員重命名在設計目錄中，操作過程如圖10-32所示。圖10-32 部件族成員重命名 技巧提示部件族成員在初始裝配時創(chuàng)建，文件名服從

26、工作表中的文件名，目錄服從“部件族”對話框中“族保存目錄”列表框中的目錄。我們需要將它重命名在我們的設計目錄中。 結果文檔 Result/10/jig2.prt動畫文檔 AVI/10/jig2-1.avi知識要點 練習使用配對條件對話框功能進行零件從底向上設計的方法舉一反三10-2 2310X/2326X處夾具添加標準件繼續(xù)操作例“舉一反三10-1”，在設計好加工件的jig2.prt中添加支架、銷軸和夾緊氣缸，其中夾緊氣缸也同樣使用CK1A63-100Y。 要點提示1. 支架底面在450Z位置的平臺上，根據其位置選用系列中合適高度的支架，要求盡可能定位板小巧。2. 注意配對約束類型的選擇。3.

27、 注意部件族成員的重命名，否則下次打開裝配找不到組件。10.5 焊接夾具的裝配布置裝配布置允許為部件中的一個或多個組件指定不同的位置，根據需要可以保存多個布置，利用布置可以使用戶在裝配中不同的組件位置之間方便地進行切換。10.5.1 裝配布置綜述裝配布置可以指定為以下三種類別之一：· 激活：激活布置對顯示部件有效；它控制當前顯示部件及其下每一個子裝配使用的布置；激活的布置在裝配布置對話框中的列表框中其名字前用一綠色Ö標記。· 默認：默認布置是用戶裝配組件時的布置，它可以通過裝配布置對話框修改。· 使用：控制子裝配的一個布置。一個子裝配使用的布置是由它的父

28、布置決定的。通過在裝配布置對話框中復制與重命名，可以按需要建立許多附加的布置，但必須有一個激活的布置和一個默認的布置，也可以一個布置同時是激活的和默認的。10.5.2 裝配布置對話框選取【裝配】/【組件】/【布置】命令，或在組件名字處單擊MB3選擇【布置】/【編輯】，彈出【裝配布置】對話框，如圖10-33所示。顯示已有布置用于編輯裝配布置設置布置圖10-33 裝配布置對話框利用該對話框，可以進行裝配布置的建立、刪除、更名、查看、指定布置屬性以及設置布置等操作。· 設置使用布置：設置選擇的布置為使用的布置。· 設置默認布置：設置選擇的布置為默認布置，此時綠色的Ö出現

29、在列表框中選擇的排列前。· 新建：創(chuàng)建一個新的布置并添加到列表框中。· 復制：復制一個已存布置，通過修改它建立一個新的布置。· 刪除：刪除列表框中選中的布置。· 重命名：用于更改選擇布置的名稱。用戶也可以通過單擊高亮度的名字進行重命名。· 信息：查看選擇布置的有關信息，包括選擇的布置是否由任一其他加載的裝配、爆炸視圖等使用?？梢赃x擇多個排列的信息功能。· 屬性：打開所選擇布置的【布置屬性】對話框，如圖10-34所示。重命名布置顯示布置信息圖10-34 裝配布置屬性對話框在該對話框中，選項“忽略所有配對約束”可以控制組件的位置是否由配對

30、約束決定。10.5.3 焊接夾具的裝配布置焊接夾具根據使用可以出現夾緊和打開兩種狀態(tài)，它是通過夾緊氣缸活塞桿的上下兩個不同位置決定的，當活塞桿行程為0時，壓板打開；當活塞桿行程為95mm時，壓板夾緊，即當前設計狀態(tài)。我們通過UGNX5中的裝配布置來定義氣缸及夾具的這兩種狀態(tài)，隨時可以進行狀態(tài)切換。結果文檔 Result/10/jig1.prt動畫文檔 AVI/10/jig1-2.avi知識要點 練習裝配布置的使用方法【實例10-3】 氣動焊接夾具的裝配布置操作步驟1 繼續(xù)使用焊接夾具裝配文件jig1.prt。2 為jig1.prt建立兩個裝配布置OPEN和CLOSE。操作過程如圖10-35所示。圖10-35 建立jig.prt的裝配布置3 修改組件clamp.prt的裝配引用集為MODEL，確認jig1.prt當前裝配布置為OPEN。操作過程如圖10-36所示。圖10-36 修改clamp的裝配引用集4 添加裝配約束。操作過程如圖10-37所示。圖10-37 添加裝配約束5 轉換夾緊氣缸CK1A63-100為工作部件，同樣建立兩個裝配布置OPEN和CLOSE。操作過程如圖10-