【开题报告】中立柱内加强板分总成焊接工装夹具设计.doc

毕业设计（论文）开题报告题目 中立柱内加强板分总成焊接工装夹具设计专 业 名 称 焊接技术与工程班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 熊震宇填 表 日 期 2013 年 4 月 2 日目 录1 选题依据及课题意义12 国内外研究概况及发展趋势12.1 车身焊装简介12.2 车身定位特点32.3 国内外汽车焊装夹具设计研究现状42.3.1柔性夹具52.3.2焊装零件的快速设计及标准化52.3.3焊装零件数据库及参数化设计52.3.2气缸的分析计算72.3.5夹具的运动模拟仿真及有限元分析72.3.6夹具的精度及误差分析72.3.7夹具的控制82.4 发展趋势83 研究内容及实验方案83.1 研究内容83.2 实验方案104 目标、主要特色及工作进度104.1 目标104.2 特色104.3 工作进度10参考文献111选题依据及课题意义汽车制造业是全球性重要的支柱产业，中国汽车工业也进入了一个快速制造，群雄逐鹿的时代，随着人民生活水平的日益提高，在未来五至十年将是SUV（多功能运动型）车型的市场。汽车制造业是一个国家工业发展水平和科学技术发展水平的标志，其预研、生产、销售、售后，与国民经济许多部门息息相关，对社会经济建设和科学技术发展起重要的推动作用。近几年来，汽车市场逐步向个性化趋势发展，人们不再看好大众化的汽车车型，竞相追逐个性化、多功能车型。因此，小批量、多车型在市场倍受青睐。使得汽车产品的更新换代步伐不断加快，汽车新产品的研发和制造周期越来越短。这给我国汽车制造企业带来了新的挑战和机遇，同时也对企业竞争力提出了更高的要求。为了提高自身竞争能力，企业应当能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应并及时地对自身的生产做出合理的调整与重新规划来降低成本，提高生产产品质量，尽快的让符合消费者要求的汽车产品投放市场1。汽车制造分为发动机、车身、地盘、车内装饰及电子系统几个部分。而汽车车身焊接工装夹具是整个车身制造的核心，它包括合件、分总成和车身总成的夹具，焊接工装夹具的精度高于冲压件的精度，是保证车身精度和质量的重要环节，其主要作用是确保汽车车身焊接件形状、尺寸、精度符合产品图纸技术要求，焊装夹具的设计制造精度、速度和自动化程度直接影响汽车的生产效率、规模和质量。汽车车身制造的效率高、数量多、夹具使用频繁，所以在焊接工装夹具设计过程中，要保证一些定位元件，如销、定位面的可更换性，或者设计调整垫片来保证夹具的精度。另外基于UG平台的三维模型设计能够有效地减少夹具设计的周期，大大提高了效率，减少了成本，而且利用UG的动态模拟与仿真可以有效地检查机构运动是否干涉，利用工程分析模块可以准确的重要部位进行强度、应力分析。这些都提高了焊接夹具的可靠性。2国内外研究概况及发展趋势2.1车身焊装简介汽车车身焊装生产线是汽车白车身全部成型工位的总称，汽车焊装总成主焊线分为：车身骨架、地板、前围、后围、侧围和顶盖焊接总成；每个部分总成又由组成该部分的若干零件的焊装支线和工位组成。每个工位由许多定位夹紧夹具、自动焊接装置、检测装置以及供电供气供水装置组成。线间、工位间通过搬送机、机器人等搬送设备实现上下料和零部件的传送，以保证生产线内各工位工作的连贯性。把车身冲压件在一定工艺装备中定形、定位并夹紧，组合成车身组件、合件、分总成及总成，同时利用焊接的方法使其结合成整体的过程称为焊装过程。该过程中所使用的夹具称为焊装夹具，焊装夹具包括焊接装置、装配装置、以及引导焊枪与工件的导向装置；焊装夹具能将工件迅速精确的定位并在所定位的位置上进行焊接装配，是焊装生产线上的关键的工艺设备。图1 汽车分总成焊装夹具夹具的制造按系统规划重排、重复利用、更新模块或零部件的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造能力的新型制造方式。可重构制造系统是基于现有的或可获得的新设备和其它组元的新一代制造系统。焊装夹具结构可重构化设计是将焊装夹具中普遍具有不同功能的元件，如定位块、压块、连接板、转臂、支架等抽出来，预先设计成通用的一系列标准化元部件，在重构设计时，设计者根据需要调用这些元部件任意组合构成一套夹具。对焊装夹具零部件进行标准化、通用化、系列化是该设计方法的关键。夹具重构设计主要靠设计者的设计经验和组合水平。从汽车焊装夹具的结构上来讲，焊装夹具设计主要有分体式定位夹紧与整体式定位夹紧两种设计理念。分体式设计是将焊接夹具中普遍具有不同功能的元部件，如定位块支架、压紧块支架、导向座、工作台、工作台支承架等抽出来，预先设计成通用的标准化系列元部件；在设计时，设计者根据需要，调用这些元部件进行装配组合构成一套夹具。整体式设计不用把这些零部件拆分，直接整体设计整体制造。用于较高的加工精度条件下，加工出整体式的定位夹紧结构不需要或需要很少的调整就能达到生产精度要求，国外一些先进的汽车制造公司所用的汽车焊装夹具就是采用的整体式结构。分体式结构中的定位夹紧部件可更换、调整以用于不同的焊接场合，而整体式结构在这方面的灵活性就要差很多，也不适合我国汽车的加工生产现状。因此，焊装夹具的设计主要还是采取分体式定位夹紧的设计理念2。汽车焊装夹具有很多种类，分类方式也各不相同，从夹具的工作范围分类包括通用夹具和专用夹具；从夹具本身构造分类包括移动式夹具、固定式夹具和悬挂式夹具；从用途分类包括装配用夹具、焊接用夹具、装配焊接夹具、检验用夹具和其他夹具；从动力源分类包括混合式夹具、真空夹具、磁力夹具、液压夹具、气动夹具和手动夹具。图2 汽车焊装夹具的分类2.2车身定位特点白车身都是由一些薄板冲压件的零件、合件、分总成最后焊接总成。焊接件为薄板冲压件时，其刚性较差，容易变形，如果仍然按刚体的六点定位原理，即3-2-1定位，工件就可能因自重或夹紧力的作用，定位部位发生变形而影像定位精度。此外，薄板焊接主要产生波浪变形，为了防止变形，通常采用比较多的辅助定位点和辅助夹紧点以及过多的依赖于冲压件外形定位。因此薄板焊接工装与普通夹具有显著的差别，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和制造尺寸偏差较大的特征，在第一基面上的定位点数目N允许大于3，即采用N-2-1定位原理3。上海交通大学根据N-2-1定位原理，针对汽车车身覆盖件的焊接夹具设计，提出夹具优化设计的算法，即利用有限元分析和非线性规划方法找到最优的“N”定位点，以使薄板冲压件的总体变形最小。汽车焊装夹具与一般的焊装夹具一样，其基本机构也是由定位件、夹紧件和夹具体等组成，定位夹紧的工作原理也是一样的。但由于汽车焊接结构件本身形状的特殊性，气焊装有如下特点。1)汽车焊装构件是一个外形复杂的空间曲面结构件，并且大多是由薄板冲压件构成，其刚性小、易变形，装焊是要按其外形定位，因此定位元件的布置亦具有空间位置特点，定位元件一般由几个零件所组成的定位器。2)汽车构件的窗口、洞口和孔较多，因而常选用这些部位作为组合定位面。车身焊装夹具大都以冲压件的曲面外型、在曲面上经过整形的平台、拉延和压弯成型的台阶、经过修边的窗口和外部边缘、装配用孔和工艺孔定位，这就在很大程度上决定了它的定位元件形状比较特殊，很少能用标准元件。3)汽车生产批量大，分散装配程度高，为了保证互换性，要求保证同一构件的组合件、部件直至总成的装配定位基准的一致性，并与设计基准尽量重合。4)由于汽车生产效率高，多采用快速夹紧器，如手动铰链-杠杆夹紧器、气动夹紧器和气动杠杆夹紧器。5)汽车焊装夹具以专用夹具为主，随行夹具与机械化、自动化程度高的汽车焊装生产线相匹配。6)汽车车身焊接一般采用电阻点焊和CO2气体保护焊，焊装夹具要与焊接方法相适应，保证焊接的可达性和夹具的敞开性4。2.3国内外汽车焊装夹具设计研究现状国内外汽车焊接工装夹具设计到现在已经发展到了短周期，快速设计制造的阶段了，设计过程中主要研究柔性组合工装夹具；焊装零件的快速设计及标准化；焊装夹具的精度及误差控制；气缸的计算及程序化设计；基于软件的夹具数据库管理及参数化设计；基于软件的夹具设计、运动仿真及有限元分析法；以及夹具的控制。焊装夹具设计对整个车身的质量起着非常重要的作用。2.3.1柔性夹具在汽车柔性组合夹具设计上，吴玉光等分析了组合夹具设计的几何原理，并根据3个定位销和工件轮廓边界的几何关系，提出将工件装卸运动分为平移装卸运动和旋转装卸运动两种运动形式，并提出定位销可见锥概念和定位销转动支点概念，进行定位方案的装卸可行性分析和定位质量分析。根据对3个定位销的反作用力之间的几何和力学分析，进一步提出瞬心三角形概念和同向边概念，并利用这些概念进行工件的可夹紧性分析，确定工件边界的可行夹紧边范围5。唐介正总结了柔性气动夹具的减小焊接过程中产生的拘束应力；动力来源方便，压缩空气本身具有弹性，能满足柔性焊接的要求；简化了夹具结构等优点6。2006年S. Arzanpour等用一种专用软件系统来对三维柔性夹具进行开发和测试，以优化重新配置过程并获得了实际进展7。2.3.2焊装零件的快速设计及标准化在柔性组合夹具的研究基础上，要实现焊装生产线快速成型，则要实现焊装零件的快速设计及标准化。郝静华在工装夹具的零部件设计中分析形状误差和位置误差对工装夹具、零部件使用的影响，提出正确选择形位公差和合理确定公差值直接影响工装夹具的制造精度、被加工件的使用要求及被加工件的工艺要求8。杨伟提出了零件夹具设计的经济型、柔性化、精确性、重复性、耐用性等方法原则9。刘跃庆等摘通过对汽车车身焊接夹具零件设计的一般规律进行探讨，提出了在焊接夹具设计中所应该遵循的基础条件。因为汽车车身焊接夹具的设计与冲压件、工序件结构及精度关系密切相关10。2.3.3焊装零件数据库及参数化设计汽车焊接工装的快速制造及零件的标准化，就要建立企业自己的夹具设计数据库，并对相关标准零件进行参数化设计，就会大大缩短夹具设计周期。参数化技术是当前CAD技术重要的研究领域之一，它是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动，其中进行驱动所需的几何信息和拓扑信息由计算机自动提取。在设计过程中，系统自动地捕获用户的设计意图，并把各个设计对象以及对象之间的关系记录下来，当用户修改图纸中的设计参数时，系统能自动地更新图纸，使图纸中反映的用户设计意图和设计对象之间的关系依旧可以维持。参数化设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受尺寸驱动的影响，所以也称为参数化尺寸驱动。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，极大的改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出的应用价值，能否实现参数化目前已成为评价CAD系统优劣的重要技术指标。因此，对参数化设计方法的理论与应用技术进行研究有着重要的现实意义和实用价值。张荣生介绍夹具单元的参数化在汽车焊装夹具设计中的运用，用参数化的设计建立夹具单元的模块化，以降低设计强度，缩短设计时间，提高设计效率。建立焊装夹具的模块化库，有利于夹具设计结构、设计经验的积累，从而为设计更好更高水平的焊装夹具提供支持11。王华侨根据组合夹具元部件的构成特点，采用参数化造型的方法对夹具元部件进行了三维造型，以VisualFoxpro6.0为数据库平台，研究和开发了夹具元部件的数据库管理系统，在UG环境下可直接对库中的夹具元部件进行添加、删除、修改等操作12。赵静在整理大量的已有焊装夹具设计数据的基础上，对它们进行分析、归纳、总结。在此基础上进行了参数化处理，并提取具零部件结构特征参数、属性信息，构建了参数化夹具图形库。提出并建立焊装夹具工程数据库结构，焊装夹具工程数据库主要包括图形库和数据库。图形库储存零部件的图形文件，数据库中记录零部件的非几何信息。图形库和数据库是相互映射的关系，数据库中的每一条记录对应着图形库中的一个零部件13。刘政在整理大量的已有焊装夹具设计数据的基础上，通过对数据的分析、归纳、总结，完成了对焊装夹具零件和案例的分类与编码；构建了汽车焊装夹具零件与案例的数据库；并实现了这些数据库的管理，功能包括：检索、添加和删除。研究了系统的推理机制，在构建汽车焊装夹具案例库、零件库和规则库的基础上，通过向量匹配算法，研究实现了基于案例和零件的汽车焊装夹具推理设计。最后，基于CATIA软件平台，以VB程序语言初步实现汽车焊装夹具参数化设计系统各功能模块的开发；最终实现汽车焊装夹具的单工位设计1。王开宇对焊接夹具管理系统优化过程中遇到的一些实际问题以及具体解决方法进行了详细论述。最后对焊接夹具管理系统优化方案实施后所达到的效果和取得的经济效益进行了深入分析，提出了夹具管理优化方案14。2.3.2气缸的分析计算对汽车焊接工装的定位、支撑、连接零件进行参数化等设计后，就要设计夹紧机构，汽车焊接工装常用夹紧机构为气动。在对气缸的分析计算方面，2005年熊晓萍分析汽车车身焊接夹具三种典型运动机构的特点及其适用范围,分析了自锁原理并提出夹具展开角度的算法15。2006年徐巧提出了对焊接夹具气缸动作的程序化设计16。2008年王绍杰针对汽车工厂设计中压缩空气耗量确定问题提出了一种便捷实用的设计思路17。2.3.5夹具的运动模拟仿真及有限元分析夹具设计完成后，需要对其进行必要的校核检验，如对机构的模拟运动仿真来检查机构是否干涉，有限元分析应力，疲劳等。目前在世界著名汽车企业中，计算机辅助技术在车身造型和车身开发及整车性能测试中得到广泛应用，并取得了突破性的进展，使得整车开发周期大大缩短。对汽车焊装线设备，尤其是保证焊装质量的工装夹具而言，3D-CAD/CAE/CAM设计技术和仿真技术倍受国际上汽车科技界的注目。UG NX自带的机构运动分析模块MOTION提供机构仿真分析和文档生成功能，可在UG环境定义机构，包括铰链、连杆、弹簧、阻尼、初始运动条件、添加阻力等，然后直接在UG中进行分析，仿真机构运动。2001年，王政介绍了运用ARX技术实现焊接接夹具装配三维动态模拟18。机械设计中的一项重要工作是利用有限元分析软件计算零部件的强度和刚度，李力分析零部件在一定载荷作用下产生的应力和应变，从而预知所设计的零部件是否满足要求，保证设计的可靠性，并达到优化设计的目的。他以某石油机械产品的关键部件为例，介绍了利用UG的有限元分析功能对机械结构进行优化设计的方法19。2012年郭贼等介绍在焊接工装夹具设计过程中基于有限元分析法的工装设计方式，在工装需要时进行受力校核20，对夹具的关键部位进行应力应变等强度分析。2.3.6夹具的精度及误差分析夹具各个部分的设计，最后组装完整必须控制误差，保证夹具的精度。或者能对夹具的定位尺寸进行三维空间坐标调整。2000年，刘青指出汽车车身的装焊质量直接决定产品质量及整车性能。分析了汽车装焊的内在规律，并指出要保证良好的车身装焊质量，应从产品开发设计、工装的设计和制造、工艺的制定到工装的使用和维护、现场技术问题的处理、工人的操作以及零组件的尺寸保证等一系列环节和过程进行综合的控制21。2007年,彭志虹针对精度要求高的焊接零件，为了控制变形，设计出合理的焊接夹具，确保了焊后尺寸精度要求，为以后此类零件的加工提供工艺依据22。M. Vural, H.F. Muzafferoglu指出焊接工装夹具能有效的控制焊接变形23。2.3.7夹具的控制夹具设计完成最后一步就是夹具的自动控制，2000年李志春就提出了车身总成的焊接工装夹具PLC全自动控制。手工上料、手工焊接都可以通过PLC的时间继电器来控制动作之间的时间，而且这个时间是可以任意调节的24。目前汽车行业大部分都是用自己的压缩空气站作为气源，通过电磁阀来控制夹具。2.4发展趋势目前，汽车焊装夹具设计设计的内容比较分散，以后的夹具设计会在一套完整的思路下来保证夹具的可靠性。另外，汽车焊装夹具的设计很多都是依靠设计者的经验，有些部件、位置、尺寸缺乏科学的计算和论证（如工作面的选择与夹紧位置的选择）。3研究内容及实验方案3.1研究内容本文主要研究设计一套汽车车身左中立柱内加强板分总成焊接工装夹具，其中包括研究N-2-1定位原理在薄板冲压件定位的合理准确应用，合理的设计应用焊装夹具标准件，设计简单合理的支撑单元和快速有效地夹紧机构。并设计合理的空间位置，包括夹具的张开角度，焊钳的放入与取出，定位件的更换调整。利用基于UG平台的模拟仿真模块，来检查焊装夹具是否干涉，并且选择合适的气缸，对整个机构的关键部位进行强度分析。3.2实验方案1）根据汽车薄板冲压件零件及合件的形状特点，设计定位基准，利用N-2-1定位原理进行合理定位。2）根据空间布局与企业效率，设计合理的自动化程度高的夹紧机构。3）进行空间布局尺寸计算，利用焊接夹具标准件，设计夹具。并用UG软合件一合件二合件三图3 中立柱内加强板图4 合件一 图5 合件二 图6 合件三件进行三维建模。4）将设计的夹具进行装配，并利用UG软件的模拟仿真模块来检查整个机构是否干涉。5）对整个机构的关键部位进行强度刚度的校核，并对方案进行设计优化。6）绘制2D图纸并标注尺寸。4目标、主要特色及工作进度4.1目标采用UG三维实体建模，设计中立柱内加强板分总成的焊接工装，合理简单，经济适用，自动化程度较高，满足企业实际生产。4.2特色1）采用UG平台的三维实体建模的设计手段，大大宿短了夹具设计的周期，提高了效率。对设计产品的模拟仿真以及有限元分析，节约了成本，提高了质量。2）夹具的夹紧机构均为气动，自动化程度高，给企业营造了良好的工作环境，节省了人力。3）设计使定位件，定位面方便装配和拆换，操作方便，延长夹具的使用寿命。4.3工作进度检索文献，翻译外文资料一篇，完成开题报告 2013.3.18-2013.4.5利用UG软件对工件进行三维建模 2013.4.6-2013.4.20提出设计方案，选择气缸，夹紧器、定位件的三维建模 2013.4.21-2013.5.11完成工件和夹紧装置的装配 2013.5.12-2013.6.3通过三维仿真，优化焊接夹具；进行焊接工艺实验 2013.5.11-2013.5.21撰写毕业论文、答辩 2013.6.3-2013.6.21参考文献1 刘政. 汽车焊装夹具参数化设计系统研究D. 大连: 大连交通大学, 2010.3 陈焕明. 焊接工装设计基础M. 北京: 航空工业出版社. 2004.4 王纯祥. 焊接工装夹具设计及应用M. 北京: 化学工艺出版社. 2011.5 吴玉光, 高曙明. 组合夹具设计的几何原理J. 机械工程学报, 2002, 38(1): 118-122.6 唐介正. 柔性气动焊接夹具J. 航天工艺, 1986, (6): 7-11.7 S. Arzanpour, J. Fung, J.K. Mills and W.L Cleghorn. Flexible fixture design with applications to assembly of sheet metalJ. Assembly Automation, 2006, 26(2): 143-153.8 郝静华. 工装夹具设计中零部件的形位公差的确定J. 工具技术. 2010.9 杨伟. 新型焊接工装夹具J. 现代制造, 2004, (11):62-64.10 刘跃庆, 马忆远. 保证车身焊装夹具设计的基础条件J. 工装设计. 2005, (2):34-37.11 张荣生, 钟志良, 金辉, 等. 汽车焊装夹具的参数化设计J. 焊接技术, 2012, 41(12): 41-44.12 王华侨. 计算机辅助夹具设计CAD系统的研究与实现D. 武汉: 华中科技大学, 2003.413 赵静. 汽车车身焊装夹具工程数据库的研究与开发D. 烟台: 烟台大学, 2004.14 王开宇. 一汽大众奥迪车型焊接夹具管理系统优化方案研究D. 吉林: 吉林大学, 2006.15 熊晓萍. 汽车车身焊接夹具运动机构浅析J. 现代制造工程, 2005, (01): 80-81.16 徐巧. 焊接夹具气缸的程序化设计J. 机械工艺师, 2000, (06): 40.17 王绍杰. 气动焊接夹具压缩空气耗量计算方法研究J. 现代商贸工业, 2008, 20(5): 32118 王政, 高全学, 乔及森, 等. 焊接夹具三维动态模拟的研究J. 甘肃工业大学学报, 2001, 27(4): 5-7.19 李力, 张科, 程新平, 等. 利用 UG 有限元优化设计机械结构J. CAD/CAM与制造业信息化, 2004, 1: 99-101.20 郭贼, 李鹏, 陈亮. 基于有限元分析法的焊接夹具设计J. 金属加工, 2012, (10): 28-30.21 刘青. 汽车车身装焊误差产生的原因分析及控制J. 汽车技术, 2000, (8): 21-23.22 彭志虹, 舒勇东, 魏民华, 等. 巧用焊接夹具保证焊接精度J. 机械工人, 2007, (12): 4023 M. Vural, H.F. Muzafferoglu, U.C. Tapici. 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