基于UG草图的车门定位夹具模块化开发

农明满+傅伟

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，作为一种開发方式的参考，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.