一種機械可調式柔性三維定位單元的設計與應用

汪紅 張惠立 李福貴 張正舉

摘 要：新車型研發的樣車階段，白車身焊接定位過程中，每個新車型的車身前、后大梁焊合件定位孔的直徑一致，但基于各個車型定位孔的坐標一般不相同，以前在設計軟工裝定位單元時，對應不同車型需要設計不同的定位夾具。該設計滿足了在不同車型白車身焊接過程中，可以柔性使用同一套定位單元實現不同車型大梁在下車體和總拼焊接過程中的定位夾緊。對樣車試制階段在成本、質量、時間等方面的控制得到了提升。

關鍵詞：樣車試制;白車身焊接定位;機械可調式;柔性三維定位單元

1 背景

在新車型樣車試制過程中，定位夾緊車身大梁焊接的定位單元夾具一般不能重復利用，因為在每個車型中存在X向、Y向、Z向位置的變化。在正式工裝線或樣車試制軟工裝線中已有存在NC柔性三維定位單元機構，此類機構通過數控程序可實現三個方向的位移移動，但是，在樣車試制階段使用該機構成本高，占用空間大。

為提升軟工裝夾具在各個新車型白車身焊接定位過程中的柔性，減少夾具制作成本，提高裝夾效率和質量，現設計一種機械可調式柔性三維定位單元夾具，實現軟工裝定位單元夾具的模塊化通用性，如圖1所示。

2 車身前、后大梁定位及現狀分析

2.1 車身前、后大梁定位策略

本公司的新車型在PPO焊接過程中，零件一般以總成焊合件方式運送到焊接現場，通過下車體、側圍、總拼工位拼焊成白車身。前大梁也是以焊合件總成形式進廠焊接。對于后大梁，后大梁與后地板焊合在一起，以后部下車體焊合件形式進廠，定位策略方式與前大梁類似。

2.2 車身前、后大梁傳統定位單元夾具方式

車身前、后大梁傳統定位單元，通過每個車型的定位策略進行設計，每套定位單元對應匹配于各個車型，由于每個車型結構、尺寸不一致，各個定位點的汽車坐標位置也不一樣，所以不能實現柔性。

3 車身前、后大梁定位單元的優化設計

為提升軟工裝夾具的模塊化、標準化，現設計了一種機械可調式柔性三維定位單元，可同時實現在下車體和總拼焊接的柔性使用。

3.1 機械可調式柔性三維定位單元的裝配結構

如圖1所示是前、后大梁優化設計定位單元夾具的裝配結構示意圖，該定位單元主要由1-X向滑移組件、2-Y向滑移組件、3-支撐柱、4-Z向滑移組件、5-勾銷組件、6-頂出機構、7-夾緊機構、8-連接板裝配組成。

X向滑移組件（1）與Y向滑移組件（2）通過螺栓連接重疊固定，Y向滑移組件底板固定在X向導軌組件上，實現位移一致性;支撐柱（3）連接到Y向導軌組件（2）上;Z向滑移組件（4）固定在支撐柱（3）垂直面，增加支基或過渡板，可以避免Z向滑移組件（4）與Y向滑移組件（2）發生干涉;連接板（8）與Z向滑移組件（4）裝配連接;勾銷組件（5）與頂出機構（6）沿X向布局在連接板（8）上;夾緊機構（7）沿Y向固定在連接板（8）上。

3.2 機械可調式柔性三維定位單元的工作原理

定位單元各組件裝配完成后，作為一個整體，通過X向滑移組件底板固定在基礎拼臺設計位置。

工作原理：通過移動X向滑移組件（1），實現X方向產品零件定位位置與夾具重合;移動Y向滑移組件（2），實現Y方向產品零件定位位置與夾具重合;移動Z向滑移組件（4），實現Z方向產品零件定位位置與夾具重合。X、Y、Z三個方向通過三坐標測量移動到設計位置后，勾銷組件、頂出機構、夾緊機構也移動到定位單元理論開夾狀態。拿取大梁焊合件放到拼臺大梁定位單元勾銷里，關夾時，開啟勾銷組件（5）的氣動開關，使勾銷處于工作狀態，夾緊大梁，實現Z方向零件夾緊;操作夾緊機構（7），手動（軟工裝）夾緊大梁焊合件的Y方向。零件焊完后，開夾時，打開夾緊機構（7），打開勾銷組件（5），開啟頂出機構（6）的氣動開關，頂起零件總成脫離勾銷，方便整個焊接總成的起吊。

3.3 機械可調式柔性三維定位單元的各組件結構分析

3.3.1 X、Y、Z向滑移組件

如圖2所示是X向滑移組件結構示意圖，Y、Z向滑移組件結構類似?，F就以X向滑移組件作結構分析說明。

（1）組成：X向滑移組件由11-X向底板、12-限位塊、13-螺桿、14-導軌、15-螺桿導套組成。

（2）工作原理：在X向滑移組件（1）上，通過導軌（14）滑移塊滑移到理論設計位置，然后借助內六角扳手扭動螺桿（13）扭緊。螺桿（13）裝配在限位塊（12）里，起到支撐固定作用，也避免導軌滑移脫落，螺桿導套（15）保證螺桿各向位移的一致性。Y向滑移組件（2）與Z向滑移組件（4）的位移調節方式類似。

（3）各結構分析

X向底板：底板上等距布局10個100×10012銷孔，可以保證在基礎拼臺上任意位置實現2銷3螺釘固定連接。

限位塊：固定在X向底板的2端，加工一個20的過孔裝配螺桿，對螺桿起支撐固定作用。

導軌：沿X向布局固定在底板上，導軌滑塊連接在Y向滑移組件的底板中間，相向錯位布置螺桿，實現±100mm值調整。

螺桿：2根螺桿加工M12的螺紋，固定在限位塊上，起到對導軌滑移位移的固定。

導套：固定在Y向滑移組件底板上，起到引導固定作用。

3.3.2 支撐柱

支撐柱通過過渡板固定在Y向滑移組件上，通過增高或縮短尺寸來滿足Z向滑移組件能保證±100mm值調整，支撐柱一般按50的倍數進行設計加工。

3.3.3 勾銷組件

勾銷組件直接選用現有標準件，便于采購。

3.3.4 夾緊機構

此機構的結構與軟工裝其它定位單元的夾緊方式一致，在這里是為實現Y向的夾緊。

3.3.5 頂出機構

如圖3所示是頂出機構結構示意圖，現就頂出機構作如下分析

（1）組成：頂出機構由61-L連接板、62-抗扭氣缸、63-頂撐基座、64-頂撐塊組成。

（2）工作原理：先確保勾銷處于打開狀態，再開啟頂出氣缸開關，頂撐塊跟隨頂撐基座一同上升，頂起焊接總成，脫離勾銷，確保了總成的順利起吊。

（3）結構分析：

L連接板：設計為L型，方便與氣缸連接后固定在連接板（8）上。

抗扭氣缸：選用扁平抗扭氣缸，保證了頂出過程的平順進行。

頂撐基座：與氣缸連接，隨氣缸一起運動，基座上再用螺栓固定頂撐塊，便于裝拆。

頂撐塊：采用尼龍加工，型面匹配產品頂出位置，留有5mm間隙，避免與勾銷定位面干涉。不同車型的型面不一致，需要匹配車型加工更換。

4 機械可調式柔性三維定位單元的應用

經過優化設計后，前、后大梁的定位單元夾具可以重復利用在不同車型或同一車型的不同階段。每個車型在下車體焊接時，前、后大梁焊合件定位時共需8個定位孔，也就是說，在下車體可以用8套這種機械可調式柔性三維定位單元進行定位夾緊。以后其它車型可以不需再設計這8套夾具（除個別構件需重新加工外）;總拼下車體定位同理。對定位大梁夾具優化后，可以實現總計14套定位單元的柔性。現場使用情況如圖4所示。

5 總結

對大梁定位單元的優化設計主要體現在三方面：

1.增加了X、Y、Z三向滑移組件。各組件機構可以三維各向獨自直接進行機械移動調整，不存在干涉。可以實現±100mm移動。

2.增加勾銷組件。在軟工裝夾具上加氣動構件，使用勾銷定位夾緊大梁，提升了大梁的定位夾緊精度。

3.增加頂出機構。車身在焊接完成后，在起吊總成時常會出現定位孔與定位銷刮擦情況，這可能會引起總成變形，也不方便吊起。布局4個頂出機構在4套定位單元上，頂撐塊作用于前、后大梁上，把大梁頂出勾銷，再進行起吊總成操作，避免了焊接總成與定位銷的碰撞。

該三維定位單元不但結構緊湊，占用空間小;還可以三向可調，能實現位移大范圍調整，而且精度高;使用氣動裝置提升了裝夾效率、焊接精度;而且此種定位單元可以柔性在不同的車型上，實現重復利用，節約成本。軟工裝定位單元后續還有很多可以進行優化設計，實現軟工裝夾具的模塊化、標準化。

參考文獻：

[1]宋曉琳.汽車車身制造工藝學[M]. 北京：北京理工大學出版社.2006.

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