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一組契合坐標系的夾具設計

添加時間:2020/06/10 來源:武漢理工大學汽車工程學院 作者:黎奉常,付豪,艾天樂
本作品創新點在于提出將坐標系運用于實際的操作中,并根據實際需要設計出一組能夠很好契合坐標系的夾具組,配套使用可以大幅減小焊接定位的難度,提高效率,降低生產成本,提高經濟效益。
以下為本篇論文正文:

  摘要:在焊接過程中,傳統夾具雖然基本可以達到車架焊接要求,但定位程序煩瑣,效率低下。此套夾具以焊接平臺為基礎,以空間框架為升降移動平臺,以V形塊為定位器,以螺紋連接為緊固方式。同時,在空間框架及相關連桿上標上刻度,實現坐標系的建立。為了解決運用現有夾具定位鋼管車架彎管及斜面管困難的問題,設計了一種可調節角度的夾具,簡化彎管及斜面管的定位,尤其是其空間角度的確定。本作品創新點在于提出將坐標系運用于實際的操作中,并根據實際需要設計出一組能夠很好契合坐標系的夾具組,配套使用可以大幅減小焊接定位的難度,提高效率,降低生產成本,提高經濟效益。

  關鍵詞:焊接定位; 可調節; 空間夾具; 簡單便捷;

夾具

  Abstract: in the welding process, the traditional fixture can basically meet the requirements of frame welding, but the positioning procedure is cumbersome and inefficient. The fixture is based on the welding platform, the space frame as the lifting and moving platform, the V-shaped block as the positioner, and the screw connection as the fastening way. At the same time, the scale is marked on the space frame and related connecting rod to realize the establishment of coordinate system. In order to solve the problem of using the existing fixture to locate the elbow and inclined pipe of steel tube frame, an adjustable angle fixture is designed to simplify the positioning of elbow and inclined pipe, especially the determination of its spatial angle. The innovation of this work is to apply the coordinate system to the actual operation, and design a group of clamps that can fit the coordinate system well according to the actual needs. The matching use can greatly reduce the difficulty of welding positioning, improve efficiency, reduce production costs and improve economic benefits.

  Keywords: welding positioning; adjustable; space fixture; simple and convenient;

目錄

  引言-----------------------------------------------------------------------1

  1 定位方法研究---------------------------------------------------------2

  1.1 研究方法---------------------------------------------------------------3

  1.2 國內外同類研究水平------------------------------------------------4

  2 定位技術研究-----------------------------------------------------------5

  3 定位技術實現---------------------------------------------------------7

  4 焊接夾具----------------------------------------------------------------8

  4.1 空間框架--------------------------------------------------------------9

  4.2 連桿------------------------------------------------------------------10

  4.3 各類夾具定位器----------------------------------------------------11

  5 結語--------------------------------------------------------------------12

  文內圖表

  圖1 框架連桿裝配細節圖

  圖2 V形槽角鐵裝配示意圖

  圖3 定位塊b,c,d裝配圖

  參考文獻--------------------------------------------------------------13

引言

  在焊接巴哈賽車車架過程中,發現用傳統夾具雖然基本可以達到車架焊接要求,但結構復雜,定位程序煩瑣,效率低下,且精度難以保證,這不僅浪費了材料,更浪費了時間,且焊接產品的質量難以保證。

  近些年來,數字化的設備加工功能的擴大化,給今后夾具的快速定位、快速裝夾提出了更高的要求。夾具系統的可重組性、可重構性及可擴展性功能強,應用范圍廣,通用性好,夾具利用率高,經濟效益就越高。德國demmeler公司的孔系列組合焊接夾具,僅用品種很少的配套元件即能組裝成多種多樣的焊接夾具。元件的功能強,使得夾具的通用性好,元件少而精,配套的費用低,經濟實用才有推廣應用的價值。成組技術作為一門綜合性的生產技術科學是計算機輔助設計、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助制造(CAM)和柔性制造系統等方面的技術基礎。隨著應用推廣和科研工作的持續開展,成組技術對提高機械工業的制造技術和生產管理水平將日益發揮其重要的作用。

  為了提高焊接定位的效率及精度,可采用建立在空間直角坐標系上的工具進行定位,并設計一套品種少、組合多、配合巴哈賽車車架焊接的夾具,這樣將節省大量的時間和成本,提高焊接產品的質量。此套夾具以焊接平臺為基礎,以空間框架為升降移動平臺,以V形塊為定位器,以螺紋連接為緊固方式,統一采用規格為M12×1.25的公制細牙螺紋。此類定位方法和工具還可推廣到其他部件的焊接。

  1 定位方法研究

  1.1 研究方法

 。1)文獻研究法:通過查閱相關文獻完善對該定位測量工具的形狀設計與配合方式,學習國外的優秀夾具的構思與設計思路,對初步方案進行改善優化。

 。2)建立模型法:利用catia等建模軟件對定位工具進行建模,并不斷分析改進,在多工況使用的前提下不能將其單獨形狀設計的過于復雜從而加大加工難度。

 。3)實驗法:制作出小比例3D打印模型后,進行實際操作檢驗,驗證模型能否達到最初設計要求所需的便捷與精度。

  1.2 國內外同類研究水平

  當前國內外用于焊接定位鋼管車架的夾具主要分為兩種,一種是鋁制框架式的,一種就是笨重的鑄鋼積木式的(即目前WUTB巴哈車隊所使用的)。其中第一種輕便,但是定位變形較大,夾緊方式不可靠,精度不夠;第二種精度較高,夾緊可靠,但是過于笨重,使用程序繁雜,定位時間成本較高,且此種夾具價格昂貴。另外,兩類家具主要用于定位水平或垂直的鋼管,對于存在空間角的彎管或斜面管則顯得無能為力,通用性不夠。

  而設計的夾具在結合了兩者的優點的基礎上,引入了坐標系。以V形塊為定位方式,相比于第一種定位夾具的定位方式更可靠,相比于第二種則使用方式更簡便。以帶刻度的空間框架作為基礎,兼具坐標系及升降平臺兩大作用,將測量與定位合為一體,一步到位,既節省了時間又保證了精度。另外設計了可調節角度的V形塊,可用于定位存在空間角的彎管或斜面管,提高了夾具的通用性。

  另外,為了生產降低成本,在保證夾具強度剛度的同時簡化了夾具結構,節約了材料,降低了成本。

  2 定位技術研究

  由于傳統夾具雖然基本可以達到車架焊接要求,但結構復雜,定位程序煩瑣,效率低下,且精度難以保證。因此,本次設計的夾具應該從減小定位難度,提高定位速度及精度入手。為此,本作品可將坐標系與夾具相配合,將固定與測量融為一體,一步到位,在提高定位速度的同時,提高定位精度。另外,為了解決運用現有夾具定位鋼管車架彎管及斜面管困難的問題,可通過設計一種可調節角度的夾具,簡化彎管及斜面管的定位,尤其是其空間角度的確定。為了解決以上問題,查詢了許多焊接夾具設計的資料,最終選擇以V形塊作為定位器,并通過三維建模軟件設計了一套以焊接平臺為基礎,以空間框架為升降移動平臺,以V形塊為定位器,以螺紋連接為緊固方式的夾具。另外在空間框架及相關連桿上標上刻度,實現坐標系的建立。并通過仿真分析,對模型結構不斷優化,完成了夾具的設計。

  3 定位技術實現

 。1)建立一個與夾具相配合的坐標裝置。經多次思考研究,采用空間可調整框架作為坐標裝置,在框架個別連接桿上標上刻度,將定位與測量結合,快捷準確。

 。2)設計固定彎管與斜面管的夾具。為實現其定位,采用V形塊作為定位器,輔以可調整夾角的連桿裝置,通過兩點定線,三點定面原則,實現彎管與斜面的定位。

  4 焊接夾具

  此焊接平臺規格為2 000 mm×3 000 mm,厚50 mm,高1 150 mm,以100 mm×100 mm的規律分布著螺紋通孔。夾具,空間框架可通過螺栓固定在焊接平臺上。

  4.1 空間框架

  此框架為620 mm×620 mm×1 000 mm的長方體鏤空模型,其兩底邊分別有兩個相距300 mm的螺紋孔,可配合螺栓固定在焊接平臺上。連桿可通過螺紋緊固利用與框架之間的摩擦力夾緊框架豎桿,實現固定。為了快速定位,框架上可標注尺寸刻度,實現粗定位。

  4.2 連桿

  此連桿長為648 mm,兩端兩凸臺之間的凹槽可與框架的豎桿配合,再通過兩端的左側凸臺上的螺紋孔緊固在框架上。連桿與連桿之間也可實現相同方式的配合緊固。在實際運用過程中,主要是x方向連桿固定在框架上,y方向連桿固定在x方向連桿上,x方向連桿可上下移動調整高度,實現升降平臺的搭建。而各類夾具定位器可通過類似的配合方式緊固在連桿上。另外,在連桿上標上刻度以實現固定測量一體化。

  4.3 各類夾具定位器

  由于定位的是圓柱表面,故選用90°V形塊作為定位器。為了定位不同位置的鋼管,故各V形塊結構有所差別。以下為具體介紹。

  4.3.1 底部夾具

  由于底部鋼管直接與焊接平臺接觸,故選用如圖所示的V形槽角鐵。該角鐵可通過螺栓穿過矩形槽將角鐵固定在規則分布螺紋孔的焊接平臺上,然后將鋼管穿過V形槽,限制z向自由度,通過斜面的螺紋孔的螺栓限制鋼管的x,y自由度。

  4.3.2 懸空橫桿夾具

  V形塊a:可通過螺栓固定在y方向連桿上,橫向鋼管穿過固定的兩個V形塊的V形槽,限制其y方向的自由度,再通過槽頂部的螺紋孔,限制鋼管x,z方向的自由度?赏ㄟ^調節x向連桿高度確定z坐標,再通過調節y向連桿確定x坐標,通過調節V形塊1確定y坐標。

  4.3.3 懸空斜桿的固定

  懸空斜桿的固定是本次設計過程中的難點之一。為了更好地適應定位情況,調節定位角度,擬采用定位器b,c,d.其中定位器b與V形塊一樣的方式定位于y方向連桿,然后定位塊b,c,d可通過螺紋孔相互連接,其中b,c之間角度在xz面內可調,而c,d之間角度在yz面內可調,從而使定位塊d的v形槽與懸空斜桿準確配合,實現加緊定位。

  圖1 框架連桿裝配細節圖  

  圖2 V形槽角鐵裝配示意圖  

  圖3 定位塊b,c,d裝配圖  

  5 結語

  本項目將坐標系與新式夾具相結合,提出一種能夠提高定位的精度并且大幅降低使用難度的夾具使用方案,從而提高定位工作的效率,形成更加成熟的夾具使用方法及工藝。

  目前本作品主要針對鋼管車架進行設計,適用于鋼管車架的焊接定位。主要市場是參加BSC,FSC等大賽的各高校車隊以及其他使用圓形鋼管車架的汽車。另外稍加修改,也可適用于其他框架式部件的焊接定位。將坐標裝置與夾具相配合的方法推廣到其他小批量生產的框架式部件的焊接定位,相比于傳統方法,在快速準確方面有很大優勢,將減少部件生產時間,降低生產成本,提高經濟效益。因此,本作品及作品設計思路發展前景廣闊。

  參考文獻
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