文 献 综 述
矿山机电11-1 孙祥 1107250120
The design of automotive body-in-white welding fixture locating datum
汽车白车身焊装夹具定位基准的设计
摘要：
汽车工业是当代最重要的工业，也是我国国民经济的支柱产业。而汽车车身是汽车的重要组成部分，也是汽车其它零部件的基础，其制造质量对整车的质量和汽车的市场竞争力起重要作用。本文首先分析了白车身的结构及其焊装流程，重点研究白车身焊装夹具的结构、特点和基准设计等。
关键词：焊装夹具；基准设计
The design of automotive body-in-white welding fixture locating datum
Abstract：
The automotive industry is of the most important industry, the pillar industry of China's national economy. Auto body is an important part of the car, but also in other parts of the car based on the quality of its manufacturing plays an important role on vehicle quality and market competitiveness of the car. This paper first analyzes the body-in-white structure and its welding process, focusing on the structure, characteristics and baseline body-in-white welding fixture design.
Keywords: body-in-white; welding lines; welding fixture; benchmark design
1.汽车白车身
白车身一般指车身生产流程中在完成车身焊装但未进行涂装工艺的白皮车身，包括车身制
件和车门等．结构为形状复杂的空间薄壁壳体。白车身的焊装是车身制造的关键环节，在四大工艺中起着承上启下的作用[1]。
1.1 白车身具备以下特点[2]：
(1)白车身是由具有复杂形状的薄板冲压件组成，所以它的比较形状复杂。
(2)白车身及部分总成件体积较大。
(3)组成白车身的薄板冲压件多由0.8～1.2mm的薄钢扳组成。
(4)白车身直接体现整车外观，所以对尺寸形状精度和表面质量都有很高的要求。
1.2 白车身分类及特点
汽车自车身按车身的承载形式，可分为非承载式车身、承载式车身和半承载式车身三大类[3]。
(1)非承载式车身
非承载式车身的汽车具有刚性车架，车身悬置于车架上，大部分负载由车架承担，车身本体的承载相对来说较少。此种结构车身变形小，平稳性和安全性好．但整体质量大，质心高。不适应高速行驶，多用于货车、客车及专用汽车等。
(2)承载式车身
承载式车身没有刚性车架，通过本体结构承载各种载荷。车身在发动机舱、前围、侧围、地板等关键部位加强结构，提高本体的刚性。车身本体具有较好的抗弯、抗扭性能，且质量较轻，质心较低，具有高速行驶的稳定性。但因车身本体一体式，刚度较大，所以行驶时噪音和振动会较大。
(3)半承载式车身
半承载式车身是介于非承载式车身和承载式车身之间的过渡型车身结构。它的车身本体与车架用焊接或螺栓刚性连接，加强了车身底架，并起到一部分车架的作用。
2.白车身焊装线
2.1 焊装线的构成
焊装线是以焊接工位为基本单位，完成白车身装配任务的生产线。焊装线一般由焊装夹具、输送系统、焊接设备和检测设备等按照一定工艺流程和布局形式组成。
焊接夹具是用于车身零部件正确定位和央紧的工装，是焊装线的基本组成单位。焊接设备主要是完成车身各工位零部件的焊接，包括焊钳，焊，焊机等。汽车车身零部件常用的焊接方式有点焊、凸焊、弧焊和激光焊等。焊装线的输送系统主要是完成焊装工件等的搬运功能。步进式输送系统(又称往复杆)是汽车车身焊装总成线及各分总成线上广泛采用的输送装置，如车身总成线、左右侧围总成线和车门总成线等，可方便灵活地实现工位问工件的输送。
2.2 焊装线的分类
根据车身焊装流程和焊装设备的布局排列，焊装线可分为直线型和环型焊装线。直线型焊装线在国内外汽车车身制造中普遍使用，适合于专用焊机的配备。对于直线型焊装线，各工位之间的输送方式一般采用手工吊具、自动抓具和往复杆输送等。环型焊装线的主线一般呈环形，输送车身的滑橇或随行夹具在车身焊装完毕后，又返回到起始工位。
3.焊装夹具
由于车身零件大都是薄壁板件，其刚性很差，所以在焊装过程中必须使用多点定位夹紧的专用焊装夹具，以保证各零件在焊接处的贴合和相互位置，从而保证车身焊接质量和整个车身的装配精度。
3.1 焊装夹具的结构
汽车焊接夹具通常由夹具基板、定位装置、夹紧装置、及辅助系统等几太部分组成
(1)夹具基板
夹具基扳是焊接夹具的基础元件，用于安装其它夹具组件，上表面加工有坐标刻度线或基准孔，用于夹具基准状况的检测。
(2)定位装置
焊装夹具的定位装置，是保证板件装夹在正确位置和装配件焊装精度的基本组件，包括定位销、定位块、挡块等定位元件和安装定位元件的支座、L块等，其中定位销有圆销和菱形销两种，运动形式有静止、平移和摆动等方式。
(3)夹紧装置
夹紧装置是为了保证板件正确的与定位元件接触，并保证板件在焊接过程中不发生移动。夹紧装置包括气缸、夹臂、夹紧块及安装这些元件的支座、连接板等。汽车焊装夹具的夹紧机构以手动快速加紧和气动夹紧机构为主。
（4）辅助机构
旋转机构解决了焊机少的缺陷，当焊点处于位于某些焊钳无法伸入的位置，或者焊接时操作位姿不好，可以用翻转机构。在一套夹具中当定位销较多时，或者板件强度较差，为了焊接后装配件便于从夹具中取出，通常在夹具上增加顶升机构。
3.2 焊装夹具的特点[4]:
（1）由于汽车车身板件形状复杂、柔性易变形，所以焊接夹具的定位方式复杂。
（2）由于车身零件大多是三维空间曲面的冲压件，型面复杂，所以焊接夹具的定位元件复杂。
（3）设计应考虑焊接件的可装卸性，避免央具与零部件之间、零部件与焊接设备之间的干涉。
（4）焊装过程中，焊接件受到焊接热和力的影响，易变形，应考虑外力和热的影响。
（5）焊装夹具专用性较强，重复利用性低。
4.焊装夹具的设计
焊装夹具的设计主要分为几个阶段：功能分析，概念设计，结构设计，附属装置设计和优化设计[9]。
（1）功能分析 在设计焊接夹具之前，应首先了解生产纲领、工艺需要、产品结构特征及生产线布置方式，作好充分的工艺调研，参照国内外先进的夹具结构，并结合实际情况初步确定夹具的功能和方案[5]。
（2）概念设计 根据零部件的结构形式和装配要求，选择合适的定位基准点，确定夹具的定位和夹紧方式，并初步确定整个夹具的结构形式。
（3）结构设计 在焊装夹具概念设计后，对焊装夹具的整个设计任务进行分解，明确各个组成部分的种类和结构，完成夹具的定位结构、夹紧机构、夹具基板和附属机构的设计，以及整个夹具的基准，同时根据焊装线和操作便利性，确定夹具的高度。
（4）附属装置设计 主体机构确定后，便可确定辅助装置。如水、电、气回路，气、液动元件以及覆盖件外部焊点所需保护铜板等。
（5）优化设计 在焊装夹具的基本设计完成后，考虑焊装夹具对零件焊装误差的影响，根据工艺方案，以及零部件的空间结构、组合关系、焊装顺序和焊点方案，分析焊装夹具的定位位置和结构是否合理有效，并对整个焊装夹具的结构进行分析，检查不合理的地方，以此对夹具设计进行修改，得到符合要求的设计方案，保证焊装过程的顺利和准确性。
5．焊装定位基准的设计
夹具在定位基准设计方面已经形成了比较系统的原理和方法，如封闭性理论和螺旋理论等。
(1)形闭合与力闭合
夹具是用于对工件进行定位和夹紧的装备，其设计的中心问题就是选择合适的定位数量并确定它们的最佳位置，以实现工件的正确定位和约束。“形闭合’’是工件仅依靠接触区域几何形状便可完全约束；如果还必须依赖摩擦才能完全约束，则称为“力闭合”。
(2)螺旋理论
“螺旋理论"最初由Ball提出，之后，文献[6]讨论了各夹具定位接触阻止工件相互螺旋运动的能力，提出了一种用于夹具设计的工件运动约束方法。文献[7]利用小螺旋模型考虑了夹具定位误差对工件几何精度的影响。E．C．Demeter[8]在夹具约束分析中研究了表面接触和摩擦问题。
5.1 N-2-1理论
根据“N．2．1"定位原理：薄板件的焊装定位基准设计时，通常要求第一基准面上的定位点多于3个，即N>3，而第二、第三基准面分别只需要2个和1个定位[9]。原理的主要内容如下：
(1)第一基准面上所需的定位点数N(N≥3)
薄板件在其表面的法向变形，是薄板件加工过程中最主要的尺寸问题，甚至薄板件仅在重力作用下，就会产生较大的变形。
(2)第二、第三基准面所需的定位点为2个和1个
在板件的第二、第三基准面上分别需要设置2个和1个定位点，限制薄板件的运动，对板件进行约束。但应该避免在这两个基准面上设置过多的定位，因为工程实际中，各种力通常不会作用在这两个基准面方向上，以避免弯曲或翘曲。
(3)禁止在正反两侧同时设置定位点
避免在板件的正反两侧同时设置定位点，因为甚至极小的几何误差都可能造成较大的影响，导致薄板件相对巨大的挠度和不稳定或翘曲，影响定位和制造质量。
5.2 焊装定位基准的主要类型与样式
按照零件面、孔、边的几何特征，定位基准可以划分为基准面、基准孔和基准段等；按零件上几何元素的功能，定位基准可以划分为主基推和辅助基准等。
基准面为车身工件的表面，分平面和曲面两种形式，定位元件的定位面与基准面的形状相对应。基准面为曲面时，夹具制造困难，并造成较大的误差，因此，优先选择平面作为主要定位基准面。基准孔与定位销配合使用，实现产品的精确定位。基准孔主要有圆孔和长孔两种形式，特殊情况下使用方孔和螺孔。与基准孔对应的定位销也有圆销和菱形销两种。
5.3 焊装定位基准的分析方法与设计步骤
在焊装定位基准设计时，主要从两方面进行考虑[10]：
（1）根据零件的配合及功能设定基准
在零件配合或功能上需要的位置设定基准，是设计基准的首要考虑因素。首先，冲压制造后板件出现误差是难以避免的，为使其影响最小化，并减小零件之间的累计公差，确保接合面与功能面的精度，在这些位置设置基准。
（2）在最稳定的位置设定基准
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