基于UG草圖的車門定位夾具模塊化開發(fā)

農(nóng)明滿+傅偉

摘 要：隨著汽車更新?lián)Q代加快，傳統(tǒng)的車門定位夾具開發(fā)面臨著挑戰(zhàn)，文章通過分析介紹車門定位夾具的基本工藝過程和關(guān)鍵控制參數(shù)，并嘗試以西門子公司開發(fā)的UG軟件為載體，利用其草圖模塊功能，對夾具進行模塊化構(gòu)建，并對其進行運動軌跡模擬，在繁重的三維運動分析和簡陋的手工計算中找到一個平衡點，大幅提高開發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：UG；夾具；模塊化；草圖；軌跡模擬

1 概述

隨著人民生活水平的不斷提高，個人可支配收入隨之提高，加上工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，汽車價格在不斷的下滑和細分，汽車逐步由原來體現(xiàn)身份的奢侈品，慢慢轉(zhuǎn)變成人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?。消費量的提升，給汽車產(chǎn)業(yè)帶來迅猛的發(fā)展。在過去的2016年，中國汽車產(chǎn)量和銷量分別達到了2811.9萬輛和2802.8萬輛，比上年同期分別增長14.5%和13.7%，無論產(chǎn)銷量還是增長率，均已位居全球首位。而隨著人們生活品質(zhì)的提高和認知水平的覺醒，個性化，小批量，多品種是將來的趨勢，這也造成汽車制造技術(shù)面臨越來越苛刻的挑戰(zhàn)。如何開發(fā)更高效、低成本、短交貨期、市場反應(yīng)迅速的制造方式，將是汽車廠商在激烈市場競爭中立足和制勝的法寶，白車身生產(chǎn)是汽車制造過程中的重要一環(huán)，而車門制造，又是牽涉到車門性能及外觀質(zhì)量的一個關(guān)鍵步驟，傳統(tǒng)的車門夾具開發(fā)方式，手工計算較多，加上簡圖不夠直觀且不好關(guān)聯(lián)，而新的計算機開發(fā)模式，開發(fā)資源占用比較高，而且不能重復(fù)使用，因此，我們利用德國西門子公司開發(fā)的UG三維軟件作為載體，開發(fā)了一種新型的方法，以應(yīng)對市場激烈競爭的需求。

2 工藝簡介

在車門制造生產(chǎn)中，一般都需要進行焊接，涂膠，包邊，補焊等工藝步驟，而在實施這些工藝過程中，為了避免車門零件產(chǎn)生偏移導(dǎo)致尺寸波動過大的問題，需要用到定位夾具。夾具拼臺一般由底板，舉升裝置，夾具單元，定位銷單元等幾個部分組成，如圖1所示。有時根據(jù)自動化需要，有可能還會增加一些輸送機構(gòu)如輪帶等。拼臺的基本流程是這樣的：首先，通過操作者人工或機器人把零件放置到夾具拼臺上，舉升機構(gòu)下降到位，零件落到定位區(qū)域內(nèi)，夾具單元夾緊把零件固定，之后通過人工或機器人焊接或涂膠，焊接或涂膠結(jié)束后，夾具單元打開，舉升機構(gòu)把零件舉升脫離夾具單元，通過輸送帶或人工把零件流到下一個工位，從而完成一個工作循環(huán)。從圖中可以看出，夾具單元是拼臺的主要開發(fā)部分，它的好壞，直接影響到零件的制造精度。

通常來說，車門的制造精度主要由間隙，段差這兩個指標來衡量， 要達到精確的匹配以及外觀，當(dāng)然是公差越小越好，但公差越小，其工藝和制造成本就會越高，各個汽車廠基于車型的定位或者自身制造成本的考慮，一般都有自己不同的執(zhí)行標準。一般來說，都是按照雙級公差來控制，第一級尺寸+/-0.75，第二級+/-0.5。也有一些汽車廠根據(jù)車體不同部位以及工藝的難易，實施不同的公差標準，直接可視區(qū)域一般來說比非直視區(qū)域要低一些。

3 夾具單元的模塊化構(gòu)建

常見的夾具單元一般是由氣缸，連桿，鉸鏈，導(dǎo)向桿，壓頭，支撐塊，過渡板，支基等幾部分組成的，如圖2所示，通過控制壓縮空氣進入氣缸不同的氣口，對氣缸活塞桿產(chǎn)生推力或拉力，之后這些推力或拉力通過連桿傳遞到壓頭，由壓頭對車門零件進行夾緊固定或者松開，而鉸鏈又起到控制運動軌跡的作用。不同的鉸鏈可以產(chǎn)生不同的運動軌跡，這樣就能夠適應(yīng)不同的零件狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)因為打開的角度非常大，特別適合在產(chǎn)品零件和焊接涂膠設(shè)備占用較多空間的情況下使用。

設(shè)計過程中，我們要關(guān)注該夾具單元的主要參數(shù)，如旋轉(zhuǎn)點離產(chǎn)品零件的高度，決定了壓頭輸出力的方向，根據(jù)夾緊型面的不同，我們可以設(shè)置不同的旋轉(zhuǎn)點高度。以便更好的貼合產(chǎn)品型面。氣缸缸徑及壓縮空氣的壓強，則決定了驅(qū)動力的大小。而連桿兩端力臂的配比，則決定了壓頭的夾緊力大小，通過設(shè)置合適的力臂配比，以獲得良好的夾緊定位效果。

鑒于夾具單元的部件基本都是由板料焊接或組合而成的，利用這一個特點，為適應(yīng)快速迭代開發(fā)的需要，我們可以通過德國西門子公司開發(fā)的UG軟件，利用其中的草圖功能，來構(gòu)建草圖，這樣就可以進行快速修改定型。實行模塊化設(shè)計。如圖3所示，方案設(shè)計時，首先構(gòu)建總體的的草圖，把各個部件的基本形狀勾勒出來，把常用的特征用定值來固定其位置及形狀，之后通過一些參數(shù)來驅(qū)動特征的改變和運動的可能，比如氣缸缸徑CYL，不同的缸徑對應(yīng)不同的安裝點，另外還有預(yù)留氣缸行程e，根據(jù)不同的缸徑定義不同的預(yù)留行程，氣缸伸出行程extrude，隨時分析氣缸的可達情況，壓頭高度h1，根據(jù)產(chǎn)品零件夾持表面來定義其高度，驅(qū)動力臂x，輸出力臂L1分別確定力的大小和安裝位置等，只要定義好每一個參數(shù)的功能，我們就可以通過微軟公司開發(fā)的office excel辦公軟件，批量輸入數(shù)值，并通過導(dǎo)入功能，把excel表格里面的參數(shù)批量導(dǎo)入到UG草圖里面，實行一次性的修改。方案草圖出來并得到分析確定后，就可以根據(jù)需要，通過鏈接方案草圖，進行3D建模來構(gòu)建下屬各個部件，之后再進行一些簡單的鉆孔或倒角之類的簡易修整操作。就可以快速的構(gòu)建新的一套3D分總成。針對產(chǎn)品零件的不同表面，這些夾具單元多個組合在一起，結(jié)構(gòu)類似但各有不同，類似搭積木一般，實行模塊化設(shè)計和制造，大幅降低開發(fā)周期，滿足產(chǎn)品生產(chǎn)需求。

4 夾具單元的夾緊力核算

在設(shè)計過程中，為了保證具有良好的夾緊定位能力，其夾緊力必須滿足最低的壓力要求，根據(jù)不同的板材，可能會有不同的壓力要求。常見0.75mm以下厚度的板料，其推薦的最低壓力為445N，根據(jù)夾具單元的基本結(jié)構(gòu)，我們可以簡化為基本的杠桿，通過簡單的杠桿原理來進行核算，結(jié)合焊接設(shè)備和涂膠設(shè)備及其運動空間，選擇最合適的力臂連桿以及氣缸缸徑。如圖3所示，氣缸缸徑50mm，壓縮空氣壓強0.5Mpa，根據(jù)F1=PA，F(xiàn)1？鄢L1=F2？鄢L2，代入設(shè)計數(shù)據(jù)，則壓緊力F2=P？鄢A？鄢L1/L2=0.5？鄢106？鄢3.14？鄢（0.05？鄢0.05）2？鄢65/137=1862 N，按氣缸廠商推薦的氣缸效率0.6來計算，則實際的壓緊力為1862？鄢0.6=1117N，可以滿足要求，同時 ，我們也可以反求該結(jié)構(gòu)的最長力臂L2，以上面這個單元為例，在L1，F(xiàn)1均保持不變的前提下，則其最大力臂L2=F1？鄢L1/F2min=0.5？鄢106？鄢3.14？鄢（0.05？鄢0.05）2？鄢65？鄢0.6/445=343mm，說明只要在343mm以下的長度，均可以滿足夾緊力的需求，這樣就比較容易實現(xiàn)模塊化設(shè)計，加快設(shè)計和制造的進度。如機構(gòu)的夾緊力不滿足，可以通過加長L1力臂或者增大缸徑來解決，從而也可以形成新的系列來實施標準化設(shè)計。

5 夾具單元的運動軌跡規(guī)劃

有些地方受到工藝焊鉗夾持，打開以及移動和角度的影響，另外，還可能受到車門零件升降進出的限制，為了避免后期可能出現(xiàn)的干涉情況，我們必須對夾具單元的運動軌跡進行分析模擬。傳統(tǒng)的手工簡圖分析，雖然比較簡潔快捷，但因為不夠直觀，容易遺漏一些細節(jié)，而且對一些稍微復(fù)雜聯(lián)動的機構(gòu)，手工簡圖往往難以分析。另一方面，德國西門子開發(fā)的UG三維軟件，功能強大，其運動仿真模塊特別適合進行運動分析，結(jié)果清晰明了，但其需要進行三維設(shè)計完成后，進入運動仿真模擬環(huán)境，通過定義運動連桿LINK以及運動副JOINT，以及驅(qū)動力的輸入，才能進行運動仿真 ，由于整個夾具拼臺3D數(shù)據(jù)量巨大，往往導(dǎo)致占用電腦資源過多，分析時間比較長，此外如果分析結(jié)論不佳，則還需修改三維數(shù)模，之后再進行一次繁重的計算分析，效率非常的低。鑒于以上兩種方法各有不足，某公司開發(fā)了一種新的方法。通過UG軟件中的草圖功能來模擬運動軌跡。

一般來說，除了旋轉(zhuǎn)軸，夾緊單元部件基本都是有板件焊接或組合而成，根據(jù)這一特點，我們可以利用上面所述的方案草圖，通過參數(shù)的控制，來實現(xiàn)運動軌跡的分析，如圖5所示，所有運動都跟氣缸行程有關(guān)，則我們就可以通過改變氣缸的伸縮量extrude這個參數(shù)，利用UG軟件草圖模塊中的動態(tài)尺寸，定義其步頻和步長，實時動態(tài)的觀察整個夾具單元的運動狀況，從而及早發(fā)現(xiàn)干涉。減少后期的整改。

6 結(jié)束語

結(jié)合夾具單元的設(shè)計分析過程，我們可以看出，利用UG軟件強大草圖功能，我們能夠構(gòu)建和模擬分析各種不同的夾具單元，并以此組合成許多車身生產(chǎn)設(shè)備，該方法能夠以較少的資源占用，具備了快速的方案分析以及模塊化設(shè)計開發(fā)能力，并使得車身生產(chǎn)線的開發(fā)周期能夠得到大幅的縮短，利于快速成線，作為一種開發(fā)方式的參考，已經(jīng)在某公司得到了一定規(guī)模的應(yīng)用，并形成了自身的開發(fā)標準，產(chǎn)生了良好的社會經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]聞邦椿.機械設(shè)計手冊第5版（第二卷）[M].機械工業(yè)出版社，2010.