一组契合坐标系的夹具设计

　　摘要：在焊接过程中，传统夹具虽然基本可以达到车架焊接要求，但定位程序烦琐，效率低下。此套夹具以焊接平台为基础，以空间框架为升降移动平台，以V形块为定位器，以螺纹连接为紧固方式。同时，在空间框架及相关连杆上标上刻度，实现坐标系的建立。为了解决运用现有夹具定位钢管车架弯管及斜面管困难的问题，设计了一种可调节角度的夹具，简化弯管及斜面管的定位，尤其是其空间角度的确定。本作品创新点在于提出将坐标系运用于实际的操作中，并根据实际需要设计出一组能够很好契合坐标系的夹具组，配套使用可以大幅减小焊接定位的难度，提高效率，降低生产成本，提高经济效益。

　　关键词：焊接定位； 可调节； 空间夹具； 简单便捷；

　　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;

目录

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

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

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

　　1.2 国内外同类研究水平------------------------------------------------4

　　2 定位技术研究-----------------------------------------------------------5

　　3 定位技术实现---------------------------------------------------------7

　　4 焊接夹具----------------------------------------------------------------8

　　4.1 空间框架--------------------------------------------------------------9

　　4.2 连杆------------------------------------------------------------------10

　　4.3 各类夹具定位器----------------------------------------------------11

　　5 结语--------------------------------------------------------------------12

　　文内图表

　　图1 框架连杆装配细节图

　　图2 V形槽角铁装配示意图

　　图3 定位块b,c,d装配图

　　参考文献--------------------------------------------------------------13

引言

　　在焊接巴哈赛车车架过程中，发现用传统夹具虽然基本可以达到车架焊接要求，但结构复杂，定位程序烦琐，效率低下，且精度难以保证，这不仅浪费了材料，更浪费了时间，且焊接产品的质量难以保证。

　　近些年来，数字化的设备加工功能的扩大化，给今后夹具的快速定位、快速装夹提出了更高的要求。夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展性功能强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，经济效益就越高。德国demmeler公司的孔系列组合焊接夹具，仅用品种很少的配套元件即能组装成多种多样的焊接夹具。元件的功能强，使得夹具的通用性好，元件少而精，配套的费用低，经济实用才有推广应用的价值。成组技术作为一门综合性的生产技术科学是计算机辅助设计、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助制造（CAM）和柔性制造系统等方面的技术基础。随着应用推广和科研工作的持续开展，成组技术对提高机械工业的制造技术和生产管理水平将日益发挥其重要的作用。

　　为了提高焊接定位的效率及精度，可采用建立在空间直角坐标系上的工具进行定位，并设计一套品种少、组合多、配合巴哈赛车车架焊接的夹具，这样将节省大量的时间和成本，提高焊接产品的质量。此套夹具以焊接平台为基础，以空间框架为升降移动平台，以V形块为定位器，以螺纹连接为紧固方式，统一采用规格为M12×1.25的公制细牙螺纹。此类定位方法和工具还可推广到其他部件的焊接。

　　1 定位方法研究

　　1.1 研究方法

　　（1）文献研究法：通过查阅相关文献完善对该定位测量工具的形状设计与配合方式，学习国外的优秀夹具的构思与设计思路，对初步方案进行改善优化。

　　（2）建立模型法：利用catia等建模软件对定位工具进行建模，并不断分析改进，在多工况使用的前提下不能将其单独形状设计的过于复杂从而加大加工难度。

　　（3）实验法：制作出小比例3D打印模型后，进行实际操作检验，验证模型能否达到最初设计要求所需的便捷与精度。

　　1.2 国内外同类研究水平

　　当前国内外用于焊接定位钢管车架的夹具主要分为两种，一种是铝制框架式的，一种就是笨重的铸钢积木式的（即目前WUTB巴哈车队所使用的）。其中第一种轻便，但是定位变形较大，夹紧方式不可靠，精度不够；第二种精度较高，夹紧可靠，但是过于笨重，使用程序繁杂，定位时间成本较高，且此种夹具价格昂贵。另外，两类家具主要用于定位水平或垂直的钢管，对于存在空间角的弯管或斜面管则显得无能为力，通用性不够。

　　而设计的夹具在结合了两者的优点的基础上，引入了坐标系。以V形块为定位方式，相比于第一种定位夹具的定位方式更可靠，相比于第二种则使用方式更简便。以带刻度的空间框架作为基础，兼具坐标系及升降平台两大作用，将测量与定位合为一体，一步到位，既节省了时间又保证了精度。另外设计了可调节角度的V形块，可用于定位存在空间角的弯管或斜面管，提高了夹具的通用性。

　　另外，为了生产降低成本，在保证夹具强度刚度的同时简化了夹具结构，节约了材料，降低了成本。

　　2 定位技术研究

　　由于传统夹具虽然基本可以达到车架焊接要求，但结构复杂，定位程序烦琐，效率低下，且精度难以保证。因此，本次设计的夹具应该从减小定位难度，提高定位速度及精度入手。为此，本作品可将坐标系与夹具相配合，将固定与测量融为一体，一步到位，在提高定位速度的同时，提高定位精度。另外，为了解决运用现有夹具定位钢管车架弯管及斜面管困难的问题，可通过设计一种可调节角度的夹具，简化弯管及斜面管的定位，尤其是其空间角度的确定。为了解决以上问题，查询了许多焊接夹具设计的资料，最终选择以V形块作为定位器，并通过三维建模软件设计了一套以焊接平台为基础，以空间框架为升降移动平台，以V形块为定位器，以螺纹连接为紧固方式的夹具。另外在空间框架及相关连杆上标上刻度，实现坐标系的建立。并通过仿真分析，对模型结构不断优化，完成了夹具的设计。

　　3 定位技术实现

　　（1）建立一个与夹具相配合的坐标装置。经多次思考研究，采用空间可调整框架作为坐标装置，在框架个别连接杆上标上刻度，将定位与测量结合，快捷准确。

　　（2）设计固定弯管与斜面管的夹具。为实现其定位，采用V形块作为定位器，辅以可调整夹角的连杆装置，通过两点定线，三点定面原则，实现弯管与斜面的定位。

　　4 焊接夹具

　　此焊接平台规格为2 000 mm×3 000 mm,厚50 mm,高1 150 mm,以100 mm×100 mm的规律分布着螺纹通孔。夹具，空间框架可通过螺栓固定在焊接平台上。

　　4.1 空间框架

　　此框架为620 mm×620 mm×1 000 mm的长方体镂空模型，其两底边分别有两个相距300 mm的螺纹孔，可配合螺栓固定在焊接平台上。连杆可通过螺纹紧固利用与框架之间的摩擦力夹紧框架竖杆，实现固定。为了快速定位，框架上可标注尺寸刻度，实现粗定位。

　　4.2 连杆

　　此连杆长为648 mm,两端两凸台之间的凹槽可与框架的竖杆配合，再通过两端的左侧凸台上的螺纹孔紧固在框架上。连杆与连杆之间也可实现相同方式的配合紧固。在实际运用过程中，主要是x方向连杆固定在框架上，y方向连杆固定在x方向连杆上，x方向连杆可上下移动调整高度，实现升降平台的搭建。而各类夹具定位器可通过类似的配合方式紧固在连杆上。另外，在连杆上标上刻度以实现固定测量一体化。

　　4.3 各类夹具定位器

　　由于定位的是圆柱表面，故选用90°V形块作为定位器。为了定位不同位置的钢管，故各V形块结构有所差别。以下为具体介绍。

　　4.3.1 底部夹具

　　由于底部钢管直接与焊接平台接触，故选用如图所示的V形槽角铁。该角铁可通过螺栓穿过矩形槽将角铁固定在规则分布螺纹孔的焊接平台上，然后将钢管穿过V形槽，限制z向自由度，通过斜面的螺纹孔的螺栓限制钢管的x,y自由度。

　　4.3.2 悬空横杆夹具

　　V形块a:可通过螺栓固定在y方向连杆上，横向钢管穿过固定的两个V形块的V形槽，限制其y方向的自由度，再通过槽顶部的螺纹孔，限制钢管x,z方向的自由度。可通过调节x向连杆高度确定z坐标，再通过调节y向连杆确定x坐标，通过调节V形块1确定y坐标。

　　4.3.3 悬空斜杆的固定

　　悬空斜杆的固定是本次设计过程中的难点之一。为了更好地适应定位情况，调节定位角度，拟采用定位器b,c,d.其中定位器b与V形块一样的方式定位于y方向连杆，然后定位块b,c,d可通过螺纹孔相互连接，其中b,c之间角度在xz面内可调，而c,d之间角度在yz面内可调，从而使定位块d的v形槽与悬空斜杆准确配合，实现加紧定位。

　　图1 框架连杆装配细节图  

　　图2 V形槽角铁装配示意图  

　　图3 定位块b,c,d装配图  

　　5 结语

　　本项目将坐标系与新式夹具相结合，提出一种能够提高定位的精度并且大幅降低使用难度的夹具使用方案，从而提高定位工作的效率，形成更加成熟的夹具使用方法及工艺。

　　目前本作品主要针对钢管车架进行设计，适用于钢管车架的焊接定位。主要市场是参加BSC,FSC等大赛的各高校车队以及其他使用圆形钢管车架的汽车。另外稍加修改，也可适用于其他框架式部件的焊接定位。将坐标装置与夹具相配合的方法推广到其他小批量生产的框架式部件的焊接定位，相比于传统方法，在快速准确方面有很大优势，将减少部件生产时间，降低生产成本，提高经济效益。因此，本作品及作品设计思路发展前景广阔。

　　参考文献
　　[1]王纯祥。焊接工装夹具设计及应用[M].北京：化学工业出版社，2011.
　　[2]王金财，王博，张鹏，等。组合夹具设计与组装技术[M].北京：机械工业出版社，2015.
　　[3]田培棠，石晓辉，米林。夹具结构设计手册[M].北京：国防工业出版社，2011.
　　[4]陈宏钧。机械工人切削技术手册[M].北京：机械工业出版社，2015.
　　[5]黄文，沈光烈。重型汽车车架结构设计[J].广西工学院学报，2005（S3）：16-19.
　　[6] 郑雷。高性能轻质材料及其复合构件的加工技术研究[D].南京：南京理工大学，2007.