第10章 焊接夹具的三维建模33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l 选择对象l 复制图形对象l 调整图形大小l 倒角与圆角l 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销轴轴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1. 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2. 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3. 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4. 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：1. 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2. 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3. 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4. 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1. 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2. 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。
工件压板定位板连接支架夹紧气缸图10-1 焊接夹具的典型结构3. 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4. 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1. 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2. 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3. 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结果文档 Result/10/jig1.prt动画文档 AVI/10/jig1-1.avi知识要点 练习自顶向下设计的方法【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12345687 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10-4 2930X/2946X处夹具定位夹紧方式图10-3 汽车车架焊接夹具布置图操作步骤[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。