車身焊裝夾具的設計研討

摘要：首次提出了汽車行業中焊接夾具的分類方法；根據車身薄殼體的特點，在夾具設計中正確利用六點定則，合理選擇定位基準和夾緊著力點，以及如何控制夾具的精度來滿足車身的焊裝尺寸要求。并對多品種生產中使用“RoboGate”系統作了簡要的介紹。

關鍵詞：車身；夾具；定位基準；RoboGate

中圖分類號： U466 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）04-0064-07

Study on Cab Welding Fixture Design

YUAN Zheng-tao，YUAN Bo

（1.Senior Scientists and Technicians Association Expert Committee of DFM，Shiyan 442000，China；

2. Cab Plant of Dongfeng Commercial Vehicle Corporation，Shiyan 442040，China）

Abstract:This paper firstly try to refer to the classify methods of welding fixture in automotive industry. According to the characteristic of shell cab，it should set at six rules correctly and do a reasonable choice on location datum and clamping focus in fixture designing. To meet the welding size of cab，it must know how to control fixture accuracy. And do the general introduction from using“RoboGate”system in multi-species production.

Key words: cab; fixture; location datum；“RoboGate”system

1 焊接裝配夾具概論

焊接裝配夾具設計技術發展得比較晚，國內外相關的專著也較少見。隨著我國汽車工業的發展，焊接技術在汽車生產中的應用越來越多，生產效率和產品質量要求越來越高，焊接裝配夾具及各種機械化、半自動化和自動化的焊接裝配生產線也隨之發展起來。隨著生產的需要，國內較大的汽車廠都有了專門從事焊接裝配夾具設計的專業人員，這門處于機制和焊接專業邊緣的專業技術，正在實踐中得到發展。

在汽車零件的焊接中，除飛輪齒環、輪輞等個別情況是將一個環狀和其他封閉體自身的某道焊縫接起來外，大多數情況都是把幾個不同形狀的工件焊接到一起，組成一個焊接合件，因此，焊接和裝配一般是聯系在一起的，故通常把焊接過程中所用的夾具稱為焊接裝配夾具。所謂焊接裝配夾具，是指在焊接工藝過程中，根據工件結構的要求，用來保證被焊工件的正確相對位置及形狀，并籍以得到牢固的焊接接頭而使用的除焊接設備本身以外的附加裝置，統稱為焊接裝配夾具，并簡稱為焊接夾具。焊接夾具中的消耗件易損件和獨立起導電作用的一些工具，稱為焊接輔具。

1.1 焊接裝配夾具的分類

1.1.1 按汽車零部件結構特點分類

1）薄殼體裝焊夾具：以車身為代表的薄板沖壓件焊接夾具，有它特定的設計、制造方法和結構特點，是設計、制造、調整工作量最大的一部分。

2）薄板箱筒型及特殊組件裝焊夾具：如燃油箱、儲氣筒、液壓變速箱中泵輪總成和渦輪總成等，其夾具結構就又是一種風格。

3）中厚板沖壓件，機加件和剛性較好的其他焊接件裝焊夾具：如傳動軸、焊接橋殼、焊接車架、減震器、車輪、剎車蹄片、變速箱齒輪與軸等焊接用夾具。在結構上也有它的特點，這類夾具除有的需要導電外，結構上與機加夾具比較接近。

1.1.2 按焊接工藝方法和焊接接頭形式綜合分類

1.2 對焊接夾具的一般要求

1）滿足產品結構、工藝和生產綱領要求；有可靠的定位夾緊機構；處于焊接回路內的夾具應有良好的導電通路；能減少焊接變形或能適應變形的需要；對夾具上急劇受熱的部位要進行通水冷卻；要根據生產綱領選擇夾具結構，產量低用簡易結構，高產量用氣動和自動化程度高的夾具。

2）容易制造和便于維修。

3）操作方便和安全：要便于裝卸工件，特別注意防止焊接后工件從夾具中取不出來；能使焊縫處于最佳施焊位置；防止機構壓手和松開打手。

4）結構簡單合理，降低制造成本：大型焊接夾具價格很貴，要充分利用工件的裝配關系，了解焊接件的作用，簡化結構，降低成本。焊接夾具設計中的一個通病，是結構不必要復雜化，很多機構實際上是不需要的。

2 車身焊裝夾具設計研討

2.1 汽車車身的結構特點和一般精度要求

設計夾具時，要了解產品結構，吃透工藝要求。車身一般由外復蓋件、內復蓋件和骨架件組成。復蓋件的板厚一般在0.8～1.2 mm范圍內，骨架件多為1.2～2.5 mm，也就是說它們大都為薄板件，對夾具設計來說，有以下特點。

1）結構形狀復雜，構圖困難

車身都是由薄板沖壓件經過裝配焊接而成的空間殼體。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拉延成型的空間曲面體，結構形狀相當復雜。

2）剛性差、易變形

3）以空間三坐標標注尺寸

車身產品圖以空間三個坐標來標注尺寸，各種車型對坐標原點和坐標間隔的規定略有不同。在設計車身夾具時只要記住，凡是在夾具上要標注坐標尺寸的地方，都必須與產品圖上的坐標體系完全一致。

車身復蓋件圖紙只標注外形的某些限定尺寸，因此在設計夾具時，有時要用到產品設計的主樣板、線圖和主模型。主模型是汽車車身形狀的原始數據，也是制造沖模、焊接夾具、檢驗夾具和輔具以及檢查復蓋件形狀和尺寸的依據。

4）車身的一般精度要求

由于車身門框與車門間有門鎖、密封件，前后風窗要裝玻璃，因此這些部位的裝配精度都比較高，加上市場競爭和用戶對車身外觀要求的提高，特別是轎車車身。現在，載重車駕駛室的裝配精度實際上也是向轎車車身靠近的。其型面與輪廓允差一般控制在±1 mm以內，車門與支柱內外間隙允差為±2 mm，門洞輪廓偏移允差±2 mm，前風窗輪廓偏移允差±2 mm，腰線錯位3 mm以下。實際檢查車身，用車身指定的定位基準，放置在三相坐標儀上進行測量，主要測量點的位置偏移允差一般都應控制在±2 mm以內，對車身精度來說，這個數值具有普遍意義。表面上看，允差數值不小，但對車身制造來說，要求是很嚴的。因為，車身從設計時的線圖—主樣板—主模型—沖模—沖壓件—焊接夾具等，每一個子系統中都有偏差，只有在子系統得到嚴格控制的情況下，最終才能生產出合格產品。

對車身焊接夾具、輔具設計者來說，對產品要求的控制精度應以客戶提供的產品圖紙要求為準。在焊接夾具設計這個子系統中，夾具的定位精度，一般取產品控制精度的1/3～1/5的允差數值。

2.2 六點定位原則在車身焊裝夾具上的應用

六點定則在一般的夾具設計書上都有詳細的講解，此處就不再重復。但在車身焊裝夾具設計時，常有兩種誤解：一是認為六點定則對薄板裝焊夾具不適用；二是看到薄板裝焊夾具有非可調的超定位，而不加分析的認為是定位原則錯誤。

應該肯定六點定則對車身焊裝夾具是適用的，設計時應遵守這個原則，另一方面還需要分析車身沖壓件的特點，只有正確認識其生產特點，同時又正確理解了六點定則，才能正確應用這個原則。

1）薄板沖壓件剛性差，在儲存和運輸時會產生彈性變形。在裝配過程中，為了克服彈性變形，必須用外力使有彈性的工件與夾具的定位件緊緊地靠在一起，與定位件一起形成一個剛性體，然后才能焊接成剛性較強、尺寸合格的空間殼體——車身總成。而剛性體工件在夾具中定位，其超定位的支承可以采用浮動或可調支承去適應，如果對有彈性的工件也把超定位的支承設計成浮動的，那就是在彈性體上裝彈性工件，永遠得不到一個確定的裝配尺寸。

2）車身沖壓件有的長或寬達1～2 m，尺寸允差和形狀允差相對較大，由于定位件與工件的間隙，使大零件的裝配位置變化在邊界部位表現得較明顯。為了糾正裝配中的錯位現象，以使裝配誤差能均衡分布，在大型焊裝夾具的重要部位適當增設工藝定位件，以防止裝配誤差向某一方向集中，沖壓件的精度越低，這種工藝定位越有必要。但這樣做無疑又增加了超定位現象。

3）由于薄板件易變形，所以凡是夾緊力的作用點，都必須有相應的支承塊。由于工件的結構限制，夾緊力的作用點往往又不能直接落到原定位支承點上，這時必須增加支承點。從定位原則看，這種支承是多余的，但對薄板件是必不可少的。超定位會使接觸點不穩定，產生裝配位置上的干涉，應該盡量避免，但并非在任何情況下均不允許出現超定位，只要超定位所產生的不良后果沒有超出工件裝配要求所允許的范圍，超定位是允許存在的，對薄板沖壓件來說，超定位有時是必要的。

現在，有的汽車廠家對車身零部件裝焊過程的定位基準用指導文件的形式做了明文規定，這對基準的統一及質量的提高是有好處的。如圖1所示，根據六點定則制定了六個定位基準，在圖中以實心箭頭表示，它們限制了該件在空間的六個自由度。由于工件大，為防上偏差向前側集中，在上部增加了一個工藝支承點，其裙部剛性差，為防止彈性變形，又增加了兩個工藝支承，就是圖中以空心箭頭所示的部位。這樣在工件被夾緊后，才能與所有定位支承一起形成一個尺寸合格的剛性體，并最終焊接成合格部件。

根據我們自己的實踐以及從國外的指導文件中的例子都能說明，薄板件定位應遵守六點定則，但同時又有它的特點，不同質的矛盾用不同質的方法去解決，這就是理論聯系實際。

2.3 車身分塊和定位基的選擇

載重車駕駛室總成（不包括車門）一般由地板、前圍、后圍、側圍和頂蓋幾大分總成組成；轎車車身多由地板總成，包括發動機倉、行李箱隔板、側圍、頂蓋等分總成組成。在選擇定位基準時，首先要了解該車型是否有車身裝配過程的定位基準指導性文件。如果有，則全過程應按指導文件的規定執行，以保證沖壓件、裝焊夾具、檢驗夾具等基準的統一性；如無指導文件，應根據車身的功能要求和特性按以下原則確定。

1）保證門洞的裝配尺寸

門洞內要裝車門、門鎖等，其裝配尺寸是要求最高的部位，不保證裝配精度就會出現門鎖不上、打不開等情況。如東汽早期車型的駕駛室、門洞由前、后支柱、底板門檻、門上梁等部件組成，結構比較零散，因此在駕駛室總成裝焊時，門洞的定位就比較復雜，如圖2所示，其中符號 為門洞的定位基準，符號為夾緊的著力點。

隨著技術的進步，現在載重車的駕駛室和小轎車的車身都采用了側圍總成。側圍外板都是整體沖壓件，門洞的尺寸精度就由沖壓件決定了。裝焊側圍總成時，只需解決內加強板與側圍外板的相對位置，夾具結構簡單，門洞還更加精準。在總成裝焊時，先用側圍總成底部和底板上預留的工藝孔，在預裝工位上用塑料柱塞把側圍初步固定在底板上，其他分總成裝配直接靠側圍定位，然后送入車身主裝夾具中定位，夾緊并點定成型，再進入后續焊接工位補焊，在后續焊接工位上只有底板定位夾具。

2）保證底板懸置孔位置精度

載重車駕駛室裝焊完成后，要裝到車架上，因此，底板上有懸置孔，該孔一般沖壓在底板加強梁上，裝焊時一定要用懸置孔作定位基準，轎車底板上最重要的是車輪獨立懸掛用孔，因此，底板總成裝焊時要以該孔組定位，保證車輪懸掛位置正確。

3）保證前、后風窗口的裝配尺寸

前、后風窗口一般由外復蓋件和內復蓋件組成。有的是在前、后圍總成上形成，在分裝夾具上要注意解決其定位；有的是窗口在總裝夾具上形成，一般有專門的窗口定位裝置對風窗口精確定位，以保證風窗玻璃的裝配。

抓住了以上主要矛盾，車身裝焊的基準選擇問題就基本解決了。

2.4 定位夾緊方法及其元件的單元組合

2.4.1 關于定位方法的幾個特殊問題

車身焊接夾具大多以沖壓件的曲面外型，在曲面上經過整形的平臺、拉延和壓彎成型的臺階，經過修邊的窗口和外部邊緣，裝配用孔和工藝孔定位，這就在很大程度上決定了它的定位元件形狀比較特殊，很少能用上機加夾具通用的標準定位元件。

焊接夾具上要分別對各被焊工件進行定位，并使其不互相干涉。在設置定位元件時，要充分利用工件裝配的相互依賴關系作為自然的定位支承。有的工件焊接成封閉體，無法設置定位支承，可要求產品設計時預沖凸臺、翻邊作為定位控制點。有的工件僅起加強作用，裝配位置要求不嚴格，可在與之相配的工件上沖出位置標記，只要按標記放在規定位置上焊牢即可，在定位方法上采取這些措施，可大大簡化夾具結構。如車身上有不少電線束卡子，有的夾具上為之設計了很復雜的活動定位裝置，這是對車身零件的作用不了解造成的一種浪費。

車身焊接夾具上，板狀定位件較多，定位板一般用A3鋼板，厚度12～16 mm。定位板的位置除有特殊要求外，最好選在坐標網格線上，因為這些地方一般有主樣板，加工時可借用樣板劃線。定位件按坐標標注位置尺寸，不注公差，但不是沒有要求，另外還有一套精度標準和檢查、驗收管理辦法。

2.4.2 關于工件的夾緊

1）不使用夾緊機構的條件

車身沖壓件裝配后，多使用電阻焊焊接，工件不受扭轉力矩，當工件的重力與點焊時加壓方向一致，焊接壓力足以克服工件的彈性變形，并仍能保持正確的裝配位置，而與定位基準貼合時，可以省去夾緊機構。另外，在固定式點焊機上用焊接樣板定位焊接時，要盡可能用焊工的雙手控制被焊工件，而不用夾緊機構。

2）高效快速、多點聯動夾緊

焊接通常在兩個以上工件間進行，夾緊點一般都比較多，電阻焊是一種高效焊接工藝，為減少裝卸工件的輔助時間，夾緊應采用高效快速裝置和多點聯動夾緊機構。

3）夾緊力作用點的安排

對于薄板沖壓件，夾緊力作用點應作用在支承點上，只有對剛性很好的工件才允許作用在幾個支承點所組成的平面內，以免夾緊力使工件彎曲或脫離定位基準。

4）夾緊力大小的確定

對車身焊接夾具，夾緊力主要用于保持工件裝配的相對位置，克服工件的彈性變形，使其與定位支承或導電電極貼合。對于板狀結構，夾緊力應使裝配件之間或使工件與電極之間的貼合間隙不大于0.8 mm；對于剛性沖壓焊接件，要使其縫隙不大于0.15 mm，才能使焊接不發生困難，避免因夾緊不好而使焊點不牢或工件燒穿。夾緊力的大小與沖壓件的質量、導電塊的調整位置和磨損情況有很大關系，現在還提不出一個夾緊力的計算公式，根據經驗，1.2 mm厚度以下的鋼板沖壓件，每個夾緊點的夾緊力一般選在300～750 N范圍內，鋼板厚度在1.5～2.5 mm之間的沖壓件，每個夾緊點的夾緊力大致可在500～5 000 N范圍內。

5）常用的夾緊機構及夾緊力計算

焊接夾具常用各種手動鉸鏈夾緊器和氣動鉸鏈夾緊器等。

圖3是標準鉸鏈夾緊器的計算示意圖，可按下面的公式計算夾緊力。

式中，Q為手的作用力（一般按80 N考慮）；F為夾緊力；β為摩擦角。備用行程長度S可按下式計算：

S=l（1-cosα）（2）

α角在夾緊時一般應調在5°～10°的范圍內。氣動鉸鏈夾緊機械也可仿上式計算。

2.4.3 定位、夾緊元件的單元組合

焊接夾具的定位夾緊元件設計有兩種模式：一種是非標準的定位、夾緊和其他聯接機械，這種形式結構一般比較緊湊，但設計和制造周期較長；另一種是單元組合式，如圖4、圖5所示。圖4中的定位銷較長是為了能伸進焊鉗。圖5中除定位板和壓板要按工件形狀設計外，其余都由標準件組合，設計、裝配和調整都比較方便。

2.5 夾具結構及精度控制

2.5.1 焊接夾具結構設計簡介

如圖6所示，駕駛室總成裝焊夾具體積龐大，結構也相當復雜，為了便于制造、裝配、檢測和維修，必須對夾具結構進行分解，否則將無法進行測量。圖6中有三個裝配基準，就是底板1、右側板2和左側板3。在它們的平面上都加工有基準槽和坐標線，定位、夾緊組合單元4、5，分別按左右側板和底板1上的基準槽進行裝配。各單元的內部結構和尺寸另有單元組合圖，并按單元檢測合格，最后將三大部分組合起來，成為一套完整的夾具。

2.5.2 焊接夾具的精度控制

1）夾具精度標準由設計單位制訂。圖7是對夾具底板上基準槽的形狀和尺寸要求，槽寬10 mm，深5 mm，圖上標明加工要求，兩槽互相垂直。在槽的兩側每200 mm或400 mm還要刻上坐標網格線，線的形狀各設計單位都有各自的標準。基準槽是夾具精度的唯一測量基準，其他網格線只能作部件裝配時找相對坐標位置用。一般定位銷的位置精度允差±0.2 mm，定位板的形狀允差±0.3 mm。

2）夾具精度檢查表

夾具設計完后，由設計師將夾具全部定位件上要求檢測的數值繪簡圖填入表1中，承制單位必須對表中要求數值逐個進行檢測，并將實測數值填入夾具精度檢查表中，然后按設計單位制訂的精度標準判定是否合格，并進行調整，合格后打定位銷。

3）夾具裝配過程的測量

在夾具裝配中，通常用方箱、高度儀、特制量塊以底板上的基準槽為測量基準進行裝配測量，如圖8所示。

夾具裝配完成后，要用三坐標儀測量夾具精度表中要求的各組數值，合格后交使用單位驗收。

2.6 車身系列化和多品種生產

當今，為滿足人們對汽車的多樣化，特別是車身外部造型結構新穎的要求，廠家不得不頻繁推出新產品。為使產品具有競爭力，就必須要用最少種類的車身沖壓件、最少的生產裝備，生產出質優價廉的汽車，以獲得更好的經濟效益，為此必須實現多品種混流生產。混流生產的先決條件是產品的系列化和實現計算機管理。

2.6.1 使用RoboGate系統

1）“RoboGate”一詞，由Robot和Gate組成，前者是機器人，后者可譯成門框式，就是由機器人和門框式定位夾具組成的柔性生產線。它是意大利Fiat公司首創，直到今天還是車身生產柔性化的中心議題。

2）該系統的組成

現以車身總成焊裝線為例，如圖9、10所示，它由臺車、焊接機器人、門框式定位夾具、車身底板定位托盤和計算機控制系統構成，其中門框式定位夾具是系統的基礎，計算機控制是系統的靈魂。

臺車：是地面行走的無軌車，以電池為動力，沿埋在地下的感應電纜運動。其運行路線由計算機預設程序決定。

底板定位托盤：靠定位銷裝在臺車上，可根據生產的不同車型更換。

門框式定位夾具：它是車身主要尺寸和形狀的定位依據，不同的車身都有一套不同的夾具。

3）該系統的工作過程

在裝配工位，將帶發動機倉的底板總成裝到托盤上，再裝上側圍、頂蓋等分總成，用卡子夾牢。由臺車按不同車型送到不同的門框式定位夾具內。當車身到達后，夾具上的定位夾緊機構從側面伸入車身，控制各洞口尺寸，并進行強力夾緊，以防止變形。再由機器人焊接約50個焊點，形成車身殼體。然后，按計算機的指令，送到各后續焊接工位進行300～400個焊點的補焊，直到車身殼體裝焊完成。

4）該系統的不足之處

該系統的全過程是自動的，結構很復雜，操作工人雖少，但需要較多經過充分培訓的技工維護，弄得不好，故障增多；由于系統復雜，造價比較昂貴。

2.6.2 采用直線往返式傳送裝焊線

為簡化結構，降低造價和維護成本，現采用直線往復傳送裝置的車身焊裝線的情況更多一些。線上也是只有一臺門框式定位夾具，車身殼體的裝配也是在預備工位的托盤中進行，生產過程中和用臺車的RoboGate系統基本是一致的。只是托盤的傳送是往返、升降傳送機構，頂蓋也一般在主裝夾具的后面工位裝焊。

裝配時，用側圍下部預沖的刺頭直接插入地板下預沖的槽孔中，然后將刺頭打彎，使兩者連在一起；或者兩者都預沖有圓孔，裝配時用特制的彈性柱塞將兩者初步聯在一起。

在門框式定位夾具這一工位的焊接上，有用機器人的，也有用掛在夾具框架上的自動焊鉗焊接的，后者更經濟一些。當然，要根據車身結構來決定。

為了實現多品種生產，布線時一般在主裝夾具的前后各留一空工位，并在其中一個工位上預裝有另一個車型的夾具，當換車型時，啟動相關程序，導電電纜、壓縮空氣管路、液壓油管、冷卻水管等自動斷開，原夾具自動移出，新夾具進入裝焊工位，并將電纜等接通，機器人按計算機指令進行調整，完成后就可生產新的車身品種。

3 結束語

根據汽車車身的結構特點，對車身焊接夾具的設計進行了必要的研討。對定位基準的選擇方法、薄板沖壓件的定位特點、超定位的形成等因素進行了分析說明。結論是：有彈性的沖壓件，只有進行正確的定位夾緊后，才能在夾具中形成一個相對的剛性體，并最終焊接成合格的車身殼體。這方面是與機加夾具的設計原理不同的。根據作者本人的設計實踐，給出了一些夾緊力的數據，僅供初學者參考。

文中給出的一些車身精度數據，僅為說明車身是有精度要求的，而且其要求是很嚴的，只有按規定控制了夾具精度才能生產出合格產品。

最后，通過對“RoboGate”系統的介紹，簡單說明了車身焊接生產線的發展趨勢。

參考文獻：

［1］ 東汽車身廠關于夾具底板上基準槽和夾具精度檢查表的有關標準［S］.

［2］ 袁正濤.駕駛室總成隨行夾具立體環行裝焊線的設計與調整［J］.二汽科技，1979，（6）.