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基于UG草图的车门定位夹具模块化开发

  摘 要:随着汽车更新换代加快,传统的车门定位夹具开发面临着挑战,文章通过分析介绍车门定位夹具的基本工艺过程和关键控制参数,并尝试以西门子公司开发的UG软件为载体,利用其草图模块功能,对夹具进行模块化构建,并对其进行运动轨迹模拟,在繁重的三维运动分析和简陋的手工计算中找到一个平衡点,大幅提高开发效率。
  关键词:UG;夹具;模块化;草图;轨迹模拟
  1 概述
  随着人民生活水平的不断提高,个人可支配收入随之提高,加上工业化生产的发展,汽车价格在不断的下滑和细分,汽车逐步由原来体现身份的奢侈品,慢慢转变成人们日常生活的必需品。消费量的提升,给汽车产业带来迅猛的发展。在过去的2016年,中国汽车产量和销量分别达到了2811.9万辆和2802.8万辆,比上年同期分别增长14.5%和13.7%,无论产销量还是增长率,均已位居全球首位。而随着人们生活品质的提高和认知水平的觉醒,个性化,小批量,多品种是将来的趋势,这也造成汽车制造技术面临越来越苛刻的挑战。如何开发更高效、低成本、短交货期、市场反应迅速的制造方式,将是汽车厂商在激烈市场竞争中立足和制胜的法宝,白车身生产是汽车制造过程中的重要一环,而车门制造,又是牵涉到车门性能及外观质量的一个关键步骤,传统的车门夹具开发方式,手工计算较多,加上简图不够直观且不好关联,而新的计算机开发模式,开发资源占用比较高,而且不能重复使用,因此,我们利用德国西门子公司开发的UG三维软件作为载体,开发了一种新型的方法,以应对市场激烈竞争的需求。
  2 工艺简介
  在车门制造生产中,一般都需要进行焊接,涂胶,包边,补焊等工艺步骤,而在实施这些工艺过程中,为了避免车门零件产生偏移导致尺寸波动过大的问题,需要用到定位夹具。夹具拼台一般由底板,举升装置,夹具单元,定位销单元等几个部分组成,如图1所示。有时根据自动化需要,有可能还会增加一些输送机构如轮带等。拼台的基本流程是这样的:首先,通过操作者人工或机器人把零件放置到夹具拼台上,举升机构下降到位,零件落到定位区域内,夹具单元夹紧把零件固定,之后通过人工或机器人焊接或涂胶,焊接或涂胶结束后,夹具单元打开,举升机构把零件举升脱离夹具单元,通过输送带或人工把零件流到下一个工位,从而完成一个工作循环。从图中可以看出,夹具单元是拼台的主要开发部分,它的好坏,直接影响到零件的制造精度。
  通常来说,车门的制造精度主要由间隙,段差这两个指标来衡量, 要达到精确的匹配以及外观,当然是公差越小越好,但公差越小,其工艺和制造成本就会越高,各个汽车厂基于车型的定位或者自身制造成本的考虑,一般都有自己不同的执行标准。一般来说,都是按照双级公差来控制,第一级尺寸+/-0.75,第二级+/-0.5。也有一些汽车厂根据车体不同部位以及工艺的难易,实施不同的公差标准,直接可视区域一般来说比非直视区域要低一些。
  3 夹具单元的模块化构建
  常见的夹具单元一般是由气缸,连杆,铰链,导向杆,压头,支撑块,过渡板,支基等几部分组成的,如图2所示,通过控制压缩空气进入气缸不同的气口,对气缸活塞杆产生推力或拉力,之后这些推力或拉力通过连杆传递到压头,由压头对车门零件进行夹紧固定或者松开,而铰链又起到控制运动轨迹的作用。不同的铰链可以产生不同的运动轨迹,这样就能够适应不同的零件状态。该结构因为打开的角度非常大,特别适合在产品零件和焊接涂胶设备占用较多空间的情况下使用。
  设计过程中,我们要关注该夹具单元的主要参数,如旋转点离产品零件的高度,决定了压头输出力的方向,根据夹紧型面的不同,我们可以设置不同的旋转点高度。以便更好的贴合产品型面。气缸缸径及压缩空气的压强,则决定了驱动力的大小。而连杆两端力臂的配比,则决定了压头的夹紧力大小,通过设置合适的力臂配比,以获得良好的夹紧定位效果。
  鉴于夹具单元的部件基本都是由板料焊接或组合而成的,利用这一个特点,为适应快速迭代开发的需要,我们可以通过德国西门子公司开发的UG软件,利用其中的草图功能,来构建草图,这样就可以进行快速修改定型。实行模块化设计。如图3所示,方案设计时,首先构建总体的的草图,把各个部件的基本形状勾勒出来,把常用的特征用定值来固定其位置及形状,之后通过一些参数来驱动特征的改变和运动的可能,比如气缸缸径CYL,不同的缸径对应不同的安装点,另外还有预留气缸行程e,根据不同的缸径定义不同的预留行程,气缸伸出行程extrude,随时分析气缸的可达情况,压头高度h1,根据产品零件夹持表面来定义其高度,驱动力臂x,输出力臂L1分别确定力的大小和安装位置等,只要定义好每一个参数的功能,我们就可以通过微软公司开发的office excel办公软件,批量输入数值,并通过导入功能,把excel表格里面的参数批量导入到UG草图里面,实行一次性的修改。方案草图出来并得到分析确定后,就可以根据需要,通过链接方案草图,进行3D建模来构建下属各个部件,之后再进行一些简单的钻孔或倒角之类的简易修整操作。就可以快速的构建新的一套3D分总成。针对产品零件的不同表面,这些夹具单元多个组合在一起,结构类似但各有不同,类似搭积木一般,实行模块化设计和制造,大幅降低开发周期,满足产品生产需求。
  4 夹具单元的夹紧力核算
  在设计过程中,为了保证具有良好的夹紧定位能力,其夹紧力必须满足最低的压力要求,根据不同的板材,可能会有不同的压力要求。常见0.75mm以下厚度的板料,其推荐的最低压力为445N,根据夹具单元的基本结构,我们可以简化为基本的杠杆,通过简单的杠杆原理来进行核算,结合焊接设备和涂胶设备及其运动空间,选择最合适的力臂连杆以及气缸缸径。如图3所示,气缸缸径50mm,压缩空气压强0.5Mpa,根据F1=PA,F1?鄢L1=F2?鄢L2,代入设计数据,则压紧力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,按气缸厂商推荐的气缸效率0.6来计算,则实际的压紧力为1862?鄢0.6=1117N,可以满足要求,同时 ,我们也可以反求该结构的最长力臂L2,以上面这个单元为例,在L1,F1均保持不变的前提下,则其最大力臂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,说明只要在343mm以下的长度,均可以满足夹紧力的需求,这样就比较容易实现模块化设计,加快设计和制造的进度。如机构的夹紧力不满足,可以通过加长L1力臂或者增大缸径来解决,从而也可以形成新的系列来实施标准化设计。
  5 夹具单元的运动轨迹规划
  有些地方受到工艺焊钳夹持,打开以及移动和角度的影响,另外,还可能受到车门零件升降进出的限制,为了避免后期可能出现的干涉情况,我们必须对夹具单元的运动轨迹进行分析模拟。传统的手工简图分析,虽然比较简洁快捷,但因为不够直观,容易遗漏一些细节,而且对一些稍微复杂联动的机构,手工简图往往难以分析。另一方面,德国西门子开发的UG三维软件,功能强大,其运动仿真模块特别适合进行运动分析,结果清晰明了,但其需要进行三维设计完成后,进入运动仿真模拟环境,通过定义运动连杆LINK以及运动副JOINT,以及驱动力的输入,才能进行运动仿真 ,由于整个夹具拼台3D数据量巨大,往往导致占用电脑资源过多,分析时间比较长,此外如果分析结论不佳,则还需修改三维数模,之后再进行一次繁重的计算分析,效率非常的低。鉴于以上两种方法各有不足,某公司开发了一种新的方法。通过UG软件中的草图功能来模拟运动轨迹。
  一般来说,除了旋转轴,夹紧单元部件基本都是有板件焊接或组合而成,根据这一特点,我们可以利用上面所述的方案草图,通过参数的控制,来实现运动轨迹的分析,如图5所示,所有运动都跟气缸行程有关,则我们就可以通过改变气缸的伸缩量extrude这个参数,利用UG软件草图模块中的动态尺寸,定义其步频和步长,实时动态的观察整个夹具单元的运动状况,从而及早发现干涉。减少后期的整改。
  6 结束语
  结合夹具单元的设计分析过程,我们可以看出,利用UG软件强大草图功能,我们能够构建和模拟分析各种不同的夹具单元,并以此组合成许多车身生产设备,该方法能够以较少的资源占用,具备了快速的方案分析以及模块化设计开发能力,并使得车身生产线的开发周期能够得到大幅的缩短,利于快速成线,作为一种�_发方式的参考,已经在某公司得到了一定规模的应用,并形成了自身的开发标准,产生了良好的社会经济效益。
  参考文献
  [1]闻邦椿.机械设计手册第5版(第二卷)[M].机械工业出版社,2010.


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