單 俊，熊震宇，顧網(wǎng)平，薛 誠(chéng)

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063）

0 前言

汽車(chē)的先進(jìn)性和發(fā)展水平的高低已作為顯示一個(gè)國(guó)家進(jìn)入發(fā)達(dá)國(guó)家行列的重要標(biāo)志[1]。焊接技術(shù)是汽車(chē)生產(chǎn)最重要的生產(chǎn)技術(shù)之一，其中焊接夾具是保證汽車(chē)質(zhì)量的重要因素。

國(guó)內(nèi)外對(duì)焊接夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為廣泛的研究。采用不定性分析方法估算夾具定位的幾何偏差，并通過(guò)蒙特-卡洛模擬法對(duì)夾具進(jìn)行改善，是目前焊接夾具定位優(yōu)化的新發(fā)展[2]。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的日益完善，計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)方法已成為主流[3]，克服了傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)存在的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)更改困難的缺點(diǎn)，為焊接夾具設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)[4-5]。集方案設(shè)計(jì)、三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)分析于一體的設(shè)計(jì)方法將提高設(shè)計(jì)效率，減少失誤和節(jié)約成本，為企業(yè)帶來(lái)更多效益[6]，綜合使用這些工具是這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向之一。

針對(duì)T系列后簧后座工件，設(shè)計(jì)了適用于焊接機(jī)器人的氣動(dòng)夾具。綜合采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，有效分析夾緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征和夾緊部件的應(yīng)力分布，為焊接夾具的驗(yàn)證優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，獲得符合設(shè)計(jì)要求的焊接夾具，有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 焊接工件

焊接工件由第六橫梁連接板、后簧后支座軸管和后簧后支座組成。其中第六橫梁連接板分為左右件，只需要分析其中一個(gè)即可。如圖1b所示，將焊接工件放置在一個(gè)夾具上焊接，軸管與支座的焊接位置不夠理想。在整個(gè)焊接過(guò)程，首先將后簧后支座置于后簧后支座軸管之上進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖1a），再將已焊接好的支座和軸管置于第六橫梁連接板之上進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖1b）。

圖1 焊后工件三維圖

2 焊接夾具設(shè)計(jì)

（1）基準(zhǔn)面的選擇（夾具體的確定）。

根據(jù)工件、定位元件、夾緊裝置及其輔助機(jī)構(gòu)在夾具體上的配置，大體確定夾具的外形尺寸；再根據(jù)強(qiáng)度和剛度要求選擇斷面的結(jié)構(gòu)形狀和壁厚尺寸。

夾具壁厚20 mm，長(zhǎng)度1000 mm，寬度550 mm，材料為Q235。由于夾具質(zhì)量過(guò)大，在夾具體的四角安裝吊耳，并通過(guò)螺栓與工作臺(tái)相連接。工作臺(tái)采用兩個(gè)定向輪和兩個(gè)萬(wàn)向輪。

（2）定位器的選擇和設(shè)計(jì)。

定位器是保證焊件在夾具中獲得正確裝配位置的零件和部件。針對(duì)T系列后簧后座焊接工件，不必設(shè)六個(gè)定位支撐點(diǎn)來(lái)確定其位置。根據(jù)各工件之間確定的位置關(guān)系，利用先裝好的工件作為后裝配工件某一基面上的定位支撐點(diǎn)，有利于減少定位器的數(shù)量。

具體定位方式：將后簧后支座軸管置于半圓槽內(nèi)進(jìn)行定位，并將后簧后支座置于軸管上方，通過(guò)左右擋塊將其定位。最后將焊好的支座和軸管放置在第六橫梁連接板上，通過(guò)兩銷(xiāo)一面定位。

（3）夾緊機(jī)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)。

在夾具上被定好位置的工件必須進(jìn)行夾緊，否則無(wú)法維持其準(zhǔn)確位置。夾緊力應(yīng)能克服操作過(guò)程中產(chǎn)生的各種力，如工件的重力、慣性、因控制焊接變形而產(chǎn)生的拘束力等。

采用氣缸夾緊機(jī)構(gòu)，給予工件豎直向下的夾緊力即可。在此只介紹用于夾緊第六橫梁連接板和焊好支座的夾緊臂與氣缸的選擇和設(shè)計(jì)。

a.夾緊臂的設(shè)計(jì)。

夾緊臂是給焊接工件施加夾緊力，要求具有一定的剛度，且變形小。在夾緊臂的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意方便裝卸工件，必須保證夾緊臂有一定的開(kāi)啟角度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)A≤100 mm時(shí)，B取25 mm；當(dāng)100 mm≤A≤150 mm時(shí)，B取30 mm；當(dāng)150 mm≤A≤200 mm時(shí)，B取35 mm；當(dāng)夾緊臂上有定位銷(xiāo)時(shí)，為便于固定支座，尺寸B可酌情而定，如圖2所示。夾緊臂的A設(shè)計(jì)為100～150 mm，故B為30 mm，夾緊臂采用45號(hào)鋼。此外可以過(guò)使用內(nèi)六角螺栓將夾緊臂與定位塊相連，來(lái)調(diào)整夾緊臂的工作范圍。

圖2 夾緊臂尺寸示意

b.氣缸的選擇。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選擇的氣缸類(lèi)型為雙作用單活塞汽缸，并結(jié)合杠桿進(jìn)行夾緊。杠桿比設(shè)計(jì)為2。在汽車(chē)焊接生產(chǎn)中，對(duì)于車(chē)架零件因其板厚較大，需要的夾緊力Fr≈50 kg。氣缸直徑D為

取 η=0.8，g=9.8 N/kg，p=0.5 MPa。計(jì)算D=55.87 mm，查表修正D=63 mm，活塞桿直徑為16 mm，選擇型號(hào)為CK1B63的氣缸。實(shí)際的氣缸輸出力1246 N，實(shí)際夾緊力623 N。

c.氣缸的安裝方式。

選用單懸耳式安裝方式，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)為一節(jié)旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)結(jié)構(gòu)——擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)[7]，如圖3所示。

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)原理

夾緊氣缸活塞桿的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)夾緊臂繞B點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)氣缸繞連接板上的旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。AC1B是氣缸壓緊狀態(tài)即活塞桿伸出時(shí)的狀態(tài)，AC2B是氣缸打開(kāi)狀態(tài)即活塞桿縮回時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)氣缸縮回時(shí)，AC2沿活塞桿方向的距離為定值97 mm，則AC2=103.12mm為固定值。AC1取決于氣缸的行程S，假設(shè)氣缸的工作行程為S，且氣缸夾緊時(shí)需預(yù)留10 mm的行程來(lái)保證氣缸的輸出力。由于夾緊臂繞B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，所以BC1=BC2，∠C1BC2為夾緊臂的打開(kāi)角。夾緊臂打開(kāi)以后，其與工件間隙沿搬運(yùn)方向的投影長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為45 mm。設(shè)定A、B之間的水平、垂直間距為X、Y，其中X=60 mm-35 mm=25mm。故S、Y可以通過(guò)式（2）求解。

解得 Y=113.07 mm，S=2Y-184=42 mm，查表修正為50 mm，氣缸型號(hào)為CK1B63-50。

（4）標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)中多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)件，為了縮短設(shè)計(jì)周期，可以使用參數(shù)化設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。參數(shù)化設(shè)計(jì)是使用參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)形狀相似、尺寸不同的一組零件進(jìn)行尺寸約定，實(shí)現(xiàn)利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)圖形，達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。下面以?xún)?nèi)六角螺栓為例，具體步驟：將標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸用彼此相關(guān)的表達(dá)式表示，如表1所示，生成模板；利用UG部族件功能生成零件庫(kù)。

表1 添加表達(dá)式

3 夾緊臂的有限元強(qiáng)度校核

夾緊臂由于多處打孔、受力復(fù)雜且理論校核不容易計(jì)算出準(zhǔn)確值，有必要對(duì)其在夾緊時(shí)的受力狀態(tài)進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核。在此只介紹用于夾緊第六橫梁連接板與焊好支座的夾緊臂的計(jì)算。

（1）近似理論計(jì)算。

夾緊臂的重力遠(yuǎn)小于夾緊臂所受的力，故計(jì)算時(shí)不考慮重力。夾緊臂的簡(jiǎn)化受力圖和相應(yīng)的剪力、彎矩如圖4所示。

圖4 夾緊臂受力示意

計(jì)算兩個(gè)危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力為25.17 MPa。

（2）夾緊臂有限元強(qiáng)度校核。

建立夾緊臂三維模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行相應(yīng)處理，分割其受力面，并賦予其材料屬性。有限元網(wǎng)格的劃分對(duì)分析結(jié)果有決定性的作用，有限元分析結(jié)果會(huì)因劃分網(wǎng)格的大小不同而有所差異。劃分的網(wǎng)格越小，得出的結(jié)果越精確。但是劃分的網(wǎng)格尺寸越小，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)本身的要求也會(huì)相應(yīng)提高，受課題研究所用計(jì)算機(jī)條件的限制，當(dāng)網(wǎng)格大小細(xì)分到一定尺寸時(shí)，就會(huì)超出系統(tǒng)的計(jì)算量。再根據(jù)夾緊臂的結(jié)構(gòu)和工作原理，可以添加相關(guān)載荷，即邊界條件。處理過(guò)程如圖5所示。

圖5 有限元分析過(guò)程

通過(guò)多次劃分網(wǎng)格，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為2.7 mm時(shí)就超出了計(jì)算機(jī)的計(jì)算范圍。故分別選取網(wǎng)格尺寸為2.8 mm，2.9 mm，3 mm，3.1 mm，3.2 mm，3.3 mm，表2列出了UG有限元分析的應(yīng)力值。由表2可知，劃分不同大小網(wǎng)格獲得的值不完全相同，但差別也不大，而且網(wǎng)格越小，得到的最大應(yīng)力值有增大的趨勢(shì)，所以相對(duì)的誤差也就越小。從計(jì)算結(jié)果得σmax=45.12 MPa，如圖 6 所示。

表2 不同網(wǎng)格大小劃分的有限元分析結(jié)果

圖6 夾緊臂的有限元仿真結(jié)果

由于近似的理論計(jì)算忽略了小孔，而有限元分析的結(jié)果表明小孔內(nèi)表面所受應(yīng)力值最高，所以有限元的結(jié)果較為合理。比較材料的強(qiáng)度，夾緊臂不但強(qiáng)度足夠，而且不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，符合實(shí)際使用要求。

4 運(yùn)動(dòng)仿真

在氣缸動(dòng)作過(guò)程中會(huì)左右搖擺，有可能與夾具發(fā)生干涉，且焊好后的工件有可能取不出。利用UG運(yùn)動(dòng)仿真功能對(duì)夾具動(dòng)作進(jìn)行仿真，驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的合理性。UG軟件模型運(yùn)動(dòng)仿真的步驟為：建立運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境→定義連桿→定義運(yùn)動(dòng)副和連接器等→添加驅(qū)動(dòng)→仿真解算→仿真結(jié)果的輸出與后處理。

夾具夾緊打開(kāi)和工件取出的狀態(tài)如圖7所示。

運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程未發(fā)生干涉現(xiàn)象，證明了設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)“T系列后簧后座”，設(shè)計(jì)了適用于焊接機(jī)器人的氣動(dòng)夾具。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)器人焊接夾具進(jìn)行快速設(shè)計(jì)和驗(yàn)證優(yōu)化，獲得了符合實(shí)際生產(chǎn)要求的焊接夾具。

圖7 夾具運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

（2）設(shè)計(jì)了氣動(dòng)焊接夾具，提高了實(shí)際生產(chǎn)效率，符合企業(yè)的使用要求。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的綜合應(yīng)用，為焊接夾具設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，并縮短了設(shè)計(jì)周期，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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