轿车前门内板焊装夹具设计【含12张CAD图纸、毕业论文】
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SY-025-BY-2
毕业设计（论文）任务书
学生姓名
系部
汽车与交通工程学院
专业、班级
指导教师姓名
职称
教授
从事
专业
车辆工程
是否外聘
□是√否
题目名称
轿车前门内板焊装夹具设计
一、设计（论文）目的、意义
汽车制造水平对汽车工业的发展起着至关重要的作用，就我国目前我国的汽车生产水平而言，除了从国外引进的一部分先进技术和工装设备外，整体水平还很低。其中较为突出的是在汽车装焊工艺方面自动化程度比较低。汽车焊装夹具可以保证和提高汽车产品质量，提高劳动生产率，改善劳动生产条件，降低产品制造成本，提高装焊自动化程度。因此汽车焊装夹具设计水平的提高成为一个提高汽车制造业水平的有效途径，受到国内外汽车行业的广泛关注。合理的设计焊装夹具是保证焊接质量、提高劳动生产率、减轻工人劳动强度、降低车身制造成本的根本途径。
二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）
设计内容：
1.选题的背景、目的及意义；
2.焊装夹具设计方法步骤研究；
3.轿车前门内板焊装工艺分析；
4.焊装夹具的夹紧位置及定位方式；
5.焊装夹具结构设计；
6.CAD绘制夹具图纸；
7.撰写设计说明书。
技术要求：
1.设计轿车前门内板焊装夹具；
2.要求：保证加工质量，设计标准化、系列化；
3.生产纲领：成批生产。
三、设计（论文）完成后应提交的成果
CAD绘制轿车前门内板焊装夹具装配图、零件图折合0号图纸3张以上，设计说明书15000字以上。
四、设计（论文）进度安排
（1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告 第1～2周（2.28～3.11）
（2）整理资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、轿车前门焊装工艺分析 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理论联系实际、分析问题、解决问题，分析焊装夹具的夹紧位置及定位方式，焊装夹具结构设计，CAD绘制夹具装配草图等部分设计内容，中期检查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）评阅教师评阅、学生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）毕业设计预答辩 第14周（5.30～6.3）
（7）毕业设计修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）毕业设计答辩 第17周（6.20～6.24）
五、主要参考资料
1.杨握铨.汽车装焊技术及夹具设计.北京理工大学出版社
2.韩根云.汽车车身焊接夹具的设计.新技术新工艺
3.王政，刘萍，焊接工装夹具及变位机械图册.北京：机械工业出版社
4.黄天泽，黄金陵主编，汽车车身结构与设计.北京：机械工业出版社
5.陈家起，罗虹，张伟编，汽车车身制造工艺学.重庆：重庆大学出版社
6.盛步云等，虚拟制造系统中汽车覆盖件焊接夹具设计方法.武汉：武汉汽车工业大学学报
7.网络资源，超星数字图书馆
8.近几年相关专业CNKI网络期刊等
六、备注
指导教师签字：
年 月 日
教研室主任签字：
年 月 日
本科学生毕业设计
轿车前门内板焊装夹具设计
系部名称：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
职 称：
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of Automobile’s Front Door Inner Panel Welding-Installation Fixtures
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目: 轿车前门内板焊装夹具设计
院 系 名 称: 汽车与交通工程学院
专 业 班 级:
学 生 姓 名:
导 师 姓 名:
开 题 时 间:
指导委员会审查意见：
签字： 年 月 日
SY-025-BY-3
毕业设计（论文）开题报告
学生姓名
系部
汽车与交通工程学院
专业、班级
指导教师姓名
职称
教授
从事
专业
车辆工程
是否外聘
□是√否
题目名称
轿车前门内板焊装夹具设计
一、课题研究现状、选题目的和意义
1.课题研究现状
(1)汽车工业的发展现状
随着国民经济的蓬勃发展，汽车已一跃成为当前极为重要的交通工具。从全世界范围来看，目前还找不出一个无汽车的现代化社会的先例。改革开放以来，我国的汽车工业得到较快的发展，产量，品种，型号日益增多。但由于我国的汽车工业起步较晚，集团化程度不高，其产量，质量与发达国家相比还存在较大的差距，因此面临着国际汽车发展浪潮的机遇和压力。
汽车生产制造水平对汽车工业的发展起着至关重要的作用，而汽车产量和质量的提高又涉及到众多的方面，包括原材料，工艺，工装设备和管理水平等等。就我国目前汽车生产水平而言，除某些生产厂或合资厂从国外引进一部分先进技术和工装设备外，不少生产厂生产制造水平很低。较为突出的是在汽车大型覆盖件的冲压工艺及模具，汽车装焊设备及夹具和胎具，汽车涂装等生产技术方面还很落后，它直接影响着生产规模，生产效率和生产质量。尤其是汽车装焊工艺方面自动化程度很低，专业人才紧缺。汽车工业在带动其他各行各业的发展中，已日益显示出极为重要支柱产业的作用。汽车制造水平对汽车工业的发展起着至关重要的作用，就我国目前的汽车生产水平而言，除了从国外引进的一部分先进技术和工装设备外，整体水平还很低，其中较为突出的是在汽车装焊工艺方面自动化程度比较低。
（2）汽车焊装夹具在汽车车身制造中的发展
汽车车身是汽车的重要组成部分，是整个汽车零部件的载体，它的重量和制造成本占整车的 40％～60％，它通常是由 300～500 多个具有复杂空间曲面的薄板冲压。通过装焊、铆接和机械联接等方法而构成一个完整的车体。其中焊接是最主要的联接方法，它直接影响着车身质量、生产率和经济性。在生产线上有 200 个左右的装配工作站进行大批量、快节奏的焊装生产。焊装夹具(welding fixture) 就是为保证焊件尺寸，提高装配效率，防止焊接变形所采用的工艺装备。汽车焊装结构生产中装配和焊接是两个重要的生产环节，完成这两个环节的工艺过程离不开装配夹具和焊装夹具。焊装夹具的种类繁多，因而提高装配精度焊接质量是车身制造的核心工作。在装焊过程中，特别是对于具有基准孔的部分，应使用专用夹具或样板来确定车身的形状、尺寸和相互位置，以保证装配精度。一个完整的轿车装夹定位点达 1700～2500 个，焊点多达 3000～4000 个。其中夹具的定位部分需用车身产品的 CAD 数模进行数控加工，使冲压件在装配时很好地与夹具定位面相吻合，以利于焊后的车身符合主模型。因此装焊的质量主要取决于冲压件的精度、夹具精度以及操作的正确与否。
轿车车身装配的典型特征之一是柔性薄板冲压件多工位焊装。冲压件偏差和焊装夹具是影响车身尺寸质量的主要因素。在焊装过程中，由于薄板刚性差、易变形，为了保证零部件之间正确的相对位置和焊接间隙，必须通过焊装夹具将其固定。为保证白车身装配尺寸的准确性，最重要的手段就是正确的工装定位。汽车焊装夹具与其他夹具相比，定位单元型面复杂，精度要求高，设计制造难度大。另外，由于汽车零件尺寸大，定位单元无法做成整体结构，一般采用独立的定位板，安装在整体底板上。在夹具使用过程中，如果发生偏移，磨损等现象，将导致零部件扭曲变形，出现定位偏差，引起焊接间隙的变动，最终导致装配尺寸误差和构件受力状态的恶化，直接影响到白车身的质量。焊装夹具的功能是为了实现车身零件的正确匹配，工程上通常从装配精度、缩短制造周期和可调整性等方面来评价汽车焊装夹具设计的好坏。
（3）国内外汽车焊装夹具的发展现状
围绕着提高产品装配精度这个主题，国内外关于焊装夹具设计的研究主要集中在工件定位的问题上，即选择最优定位点数并确定他们的最佳位置，以实现工件正确的约束定位。另外在此基础上应考虑更多的实际因素，例如焊接偏差、工具磨损等，作为新的约束条件来进行更深一步的研究；焊装夹具可以按照不同的方式来进行分类，按照设计内容包括硬件和软件的设计，其中硬件包括定位件、夹紧机构、导向装置和夹具体。软件包括安装调试手册、调整图等；如果按照设计流程来分，又可以分为概念设计阶段、结构设计阶段和详细优化设计阶段。在汽车焊接流水线上，真正用于焊接操作的工作量仅占 30%～40%，而 60%～70%的工作是辅助和装夹。焊装夹具的技术水平往往代表着车身制造工艺水平，在现代制造业中, 夹具已成为保证产品质量、实行全面质量管理的重要手段, 在新产品的研制过程中, 夹具对缩短研制周期起着重要作用。夹具的标准化、精密化和柔性化是夹具发展的主要趋势, 也是实现产品更新换代和老产品改造的需要。
目前，在汽车制造业中，车身制造质量最好的是日本，其次是德国和美国，与他们相比，我国在这方面存在着较大差距，而工装设计制造水平不高是其中重要的原因。因此提高工装设计与制造水平特别是焊装夹具设计与制造水平是急需解决的问题。
2.选题目的和意义
汽车焊装夹具多用于焊接薄板，对于薄板冲压件，夹紧力作用点要作用在支承点上，只有对刚性很好的工件才允许作用在几个支承点所组成的平面内，以免夹紧力使工件弯曲或脱离定位基准。夹紧力主要用于保持工件装配的相对位置，克服工件的弹性变形，使其与定位支承或导电电极贴合，对于 1.2mm 厚度以下的钢板，贴合间隙不大于 0.8mm，每个夹紧点的夹紧力一般在 300-750N 范围内；对于 1.5-2.5mm 之间的冲压件，贴合间隙不大于 1.5mm,每个夹紧点的夹紧力在500-3000N 范围内。因装夹是在焊装夹具上完成的，所以夹具在整个焊接流程中起着重要作用。在焊接过程中，合理的夹具结构，有利于合理安排流水线生产，便于平衡工位时间，降低非生产用时。对具有多种车型的企业，如能科学地考虑共用或混合型夹具，还有利于建造混合型流水线，提高生产效率。
汽车焊装夹具是对车身冲压零件进行装配焊接的专用工艺装置，是汽车制造过程中直接影响产量、质量的关键设备。合理的设计焊装夹具是保证焊接质量、提高劳动生产率、减轻工人劳动强度、降低车身制造成本的根本途径。汽车焊装夹具可以保证和提高汽车产品质量，提高劳动生产率，提高装焊自动化程度。因此汽车焊装夹具设计水平的提高成为一个提高汽车制造业水平的有效途径，受到国内外汽车行业的的广泛关注。保证焊件质量，生产效率高，使用安全可靠，制造成本低等这些要求，在夹具设计时应尽可能的促其实现，实际上这些要求已经成为评定夹具设计优劣的标准。总而言之，汽车装焊夹具在汽车制造技术中处着举足轻重的地位，因此设计出合理而先进的焊装夹具对汽车工业的发展有着实际的意义。
二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题
1.设计（论文）的基本内容
(1)选题的背景、目的及意义；(2)焊装夹具设计方法步骤研究；(3)轿车前门内板焊装工艺分析；(4)焊装夹具的夹紧位置及定位方式；(5)焊装夹具结构设计；(6)CAD绘制夹具图纸。
2.拟解决的主要问题
(1)焊接工艺的分析；
(2)工件定位夹紧方式的确定；
(3)夹具单元的布置方案。
三、技术路线（研究方法）
分析任务书和设计资料
轿车前门内板焊装工艺分析
夹具设计的技术条件
车门的材料
装配焊接夹具的设计要求
焊点布置原则
结构开敞性
装配焊接夹具的分类
焊接接头型式
精度合理性
夹具的设计基准
完成设计说明书
定位元件及夹紧元件
基板
旋转及翻转机构
完成装配图和零件图
四、进度安排
（1）知识准备、调研、收集资料、完成开题报告 第1～2周（2.28～3.11）
（2）整理资料、提出问题、撰写设计说明书草稿、轿车前门焊装工艺分析 第3～5周（3.14～4.1）
（3）理论联系实际、分析问题、解决问题，分析焊装夹具的夹紧位置及定位方式，焊装夹具结构设计，CAD绘制夹具装配草图等部分设计内容，中期检查 第6～8周（4.4～4.22）
（4）改进完成设计，改进完成设计说明书，指导教师审核，学生修改 第9～12周(4.25～5.20)
（5）评阅教师评阅、学生修改 第13周（5.23～5.27）
（6）毕业设计预答辩 第14周（5.30～6.3）
（7）毕业设计修改 第15～16周（6.6～6.17）
（8）毕业设计答辩 第17周（6.20～6.24）
五、参考文献
[1]杨握铨.汽车装焊技术及夹具设计.北京理工大学出版社，1996.
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[3]王政，刘萍.焊接工装夹具及变位机械图册.北京：机械工业出版社，2006.
[4]黄天泽.黄金陵主编，汽车车身结构与设计.北京：机械工业出版社，2005.
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[6]成大先主编.机械设计手册，第五版，第一卷，北京：化学工业出版社，2008.
[7]闻邦椿主编.机械设计手册，第五版，第一卷，北京：机械工业出版社，2010.
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[14]徐杰，雷刚.轿车车门焊点布置优化设计及仿真分析[A].重庆工学院学报，2009，23（11）.
[15]林忠钦.汽车车身制造质量控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
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[16]汪文芳.轿车车身尺寸控制与夹具工艺设计分析[硕士学位论文].武汉;武汉理工大学，2010.
[17]佟静.RPS 理论在车门上的应用[硕士学位论文].吉林;吉林大学，2003.
[2] 王毅，杨建国等.可重构新型汽车车身焊接夹具设计 [J] .机械设计与制造，2008，(9) _2.
[20]Ceglarek, D., W. Huang, S. Zhou, Y. Ding, R. Kumar, and Y. Zhou., "Time-Based Competition in Multistage Manufacturing: Stream-of-Variation Analysis (SOVA) Methodology—Review." InternationalJournal of Flexible Manufacturing Systems ,2004 ,16: 11～44.
六、备注
指导教师意见：
签字： 年 月 日
附 录
附录A 英文文献
On Welding-Installation Fixtures Design of Sheet Stamping
Abstract: Due to forming error and compliance of stamp-ing, the fixture design of sheet stamping assembly is different from the fixture design of common machining component. In recent years, the new principles and algorithms of fixture design of sheet stamping have been developed. In the paper, the concept of shape closure and force closure, screw theory were firstly introduced. Secondly, the deterministic locating and total fixturing conditions were derived. Thirdly, an “N-2-1”locating principle and optimal design method for sheet stamping were described. Finally, the varia-tional method of robust fixture configuration design for 3-D workpieces was discussed. It can be predicated that the locating error can be reduced by this method.
Key Words: Fixture; Sheet Stamping; Optimal Design; Ro-Bust Design
Due to its high productivity and material utilization, stamping is widely used in automobiles, aircraft, and various household appliances manufacturing industry. The welding assembly of stamping becomes the key process of those products manufacturing, because welding fixture not only affects the performance of productivity, but also is directly related to the quality of the product. Statistics from the U.S. auto industry show that 72% of the body manufacturing errors are from the position error of welding fixture, so how to effectively reduce and control the positioning error is essential to improve the welding quality. Sheet stamping assembly is significantly different from general machining, which not only meets the common requirements of precise positioning, but also gives full consideration to the easy deformation of sheet metal parts and stamping manufacturing characteristics of large deviations to adapt the products’ quality requirements. Over the last decade, many scholars working in the design of sheet stamping assembly have proposed design theories and methods of some new sheet stamping assembly, and achieved remarkable results. At first, this paper introduces the research progress of fixture design, and then systematically elaborates the N-2-1 locating principle of fixture and the methods of optimal design and robust design, finally makes the conclusion.
Manufacturing process (such as machining, welding, assembly and testing, etc.), the fixture is used in three-dimensional positioning and clamping device. The central problem of fixture design is to choose the optimal positioning points and determine their best position to achieve the determine constraints positioning of work piece. If the work piece can be full restriction depending on the geometry of contact area will, we called it "shape closed"; If it also have to be fully bound with friction, we called it "force closure." Generally, shape closure stresses dynamic analysis, but force closure focuses on the work piece of static stability. In 1885, Reuleaux first studied the mechanism of two-dimensional objects’ shape closure, and proved that the formation of two-dimensional objects’ shape closure need four anchor points [2]. After that Somoff proved the formation of three-dimensional objects’ shape closure need seven anchor points. In 1978, Lakshminarayana [3] further proved the formation of three-dimensional objects’ shape closure need at least seven anchor points in the perspective of static equilibrium using algebraic theory In 1988, Nguyen researched the mechanism of the machine hand’s force closure [4], and in 1989 Asada and Kitagawa [5] researched the machine hand’s shape closure which used for convex and concave parts Generally six positioning principles requires clamping force to make work piece fully constrained, so usually it is force closure.
Over the last decade, the "spiral theory” widely used in fixture design, which describes the three-dimensional motion as translating along one direction and rotating around this axis. Originally spiral theory proposed by Ball [6], and developed by literature [7] and [8]. According to spiral theory, literature [9] studied seven different types of finger contact, and suggested using finger-like shape to completely fix objects. Literature [10] using the extended spiral theory analyzed that rigid body’s full or part restriction exist frictional clamp. Literature [11] proposed mathematical theory of fixture’s automatic layout for prismatic work pieces. Literature [12] discussed the ability of different fixtures position contact preventing work pieces from spiral movement, and proposed a restrict method of work piece movement for the fixture design. Using small spiral model literature [13] discussed the positioning errors of fixture impact work pieces’ geometry accuracy. Literature [14] researched surface contact and friction problems in the analysis of fixture restriction. Considering dynamic constraints, completely clamping, and tool path errors, literature [15] developed fixture design and analysis software. It can be said that spiral theory of fixture design has been used for determining position, full clamping, contact type, and friction problems and achieved remarkable results.
Lots of literatures focus on the fixture design of rigid pieces, but the fixture design of flexible sheet pieces is rarely involved, especially considering the deformation of the work piece under processing loads is almost none. In fact, as in the aviation industry and the automotive industry, the deformation of sheet may result in serious bias. For easily deformed sheet, positioning fixture not only has basic functions that limiting rigid body motion, but also must be able to limit excessive deformation of the work piece. The research that earlier considering the rigidity of work pieces or fixture positing cell will be found in the literature [16] based on the experimental results they studied fixture stiffness and wear’s effects on the size accuracy. Literature [17] proposed a finite element model of the fixture system for flexible positioning fixture, and the power in process of processing can be seen as the force acting on the node. Based on this model, you can calculate the deformation of the work piece, the clamping force, stress distribution and friction between the work piece and fixture positioning unit’s contact points can be calculated by Coulomb's law. Although by considering the deformation of the work piece and the finite element analysis this area have been promoted, but it has neither proposed any specific positing principle, nor proposed positioning scheme for flexible sheet. In addition, this model does not combine the finite element analysis results of the work piece with the fixture design; it is more than the analysis of the work piece other than fixture design. Literature [18] proposed a analysis method of sheet fixture positing, they studied the fixture positioning system using the case and flat three-point and four-point to posit, so the fixture layout must make the stress in the work pieces below the yield stress. However, this method does not solve the essential problem of sheet fixture, because reducing deformation is the key to the positioning of sheet. Based on literature [17], literature [19] continued further study, that using the finite element modeling to choose fixture layout makes the deformation minimum in the first base-level. To determine the optimal fixture layout, using quasi-Newton optimization algorithm makes the deformation squares on the finite element mesh of the key nodes minimum. Design variables are the three anchor points on the first base required by "3-2-1" principle.
Sheet stamping assembly fixtures are widely used in automobiles, aircraft and household appliances industries, whose design quality directly affects the entire product manufacturing deviations. Due to sheet metal stamping’s characteristic of flexibility and manufacturing variations, the principle of traditional fixture design can not meet the design requirements, although the research of fixture design is already quite mature and the positioning principle of rigid part and the "spiral theory" has been in-depth study. "N-2-1" Location principle, for the characteristic of easy deformation on the horizontal of Sheet Metal Stamping, presents that when the number of anchor points is more than 3 in the first base surface, position effect depends not only on the number of anchor points, but also on the arrangement of the anchor points. Apart from that, it proposes the finite element analysis and the design of nonlinear programming method of the anchor, which provides theoretical basis and design methods for the design of sheet welding fixture. Because of the larger manufacture size deviation of sheet metal parts and the remarkable effect of the choice of anchor position for position deviation, robust fixture design can significantly improve the positioning error. Therefore, during the design of sheet welding fixture, implementing the "N-2-1" location principle and robust design method is extremely important. It has been proved to have a multiplier effect.
References
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[5] Chang M, Gossard D C. Computational Method forDiagnosis of Variation-related Assembly Problems [ J ]. International Journal of Production Research,1998,36 (11):2985-2995.
[6] Liu Y, Hu S. Assembly Fixture Fault Diagnosis Using Designated Component Analysis [ J].ASME Journal of Manufacturing Science and Engine ering,2005,127(2): 358-368.
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[11] Li B, Yang J, Ding H. A Rapid Location and State Memory Fixture System for Arbitrarily Part[J].Journal of Donghua University,2000,17(3):27-31.
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[13] Wang Y, Li B, Yang J. Investigation on Dimensional Error Compensation for Single Sheet Metal Assembly Station[C]. Proceedings of ICMEM, Wuxi, China,2007:699-703.
[14] Cai W, Hu S, Yuan J. Deformable Sheet Metal Fixturing: Principles, Algorithms, and Simulations[J].ASME Journalof Manufacturing Science and Engineering,1996,118(3): 318-324. 367Journal of Donghua University (Eng. Ed.) Vol.26, No.4(2009)
附录B 文献翻译
薄板冲压件焊装夹具设计方法
摘 要:由于薄板冲压件的易变形性和制造误差特征,薄板焊装夹具设计显著区别于普通机械加工工件定位夹具。本文首先介绍了夹具设计的形闭合与力闭合概念、螺旋理论的发展,给出了确切定位和完全夹紧条件;然后,重点阐述了面向薄板冲压件焊装夹具设计的“N-2-1”定位原理和夹具的优化设计方法;最后分析了夹具的稳健性设计方法。可以预料,采用该方法可有效地减少和控制定位误差的影响。
关键词:夹具;薄板冲压件;优化设计;稳健设计
冲压加工以其较高的生产率和材料利用率,广泛应用于汽车、飞机和各种家用电器制造工业,冲压件的焊接装配成为上述产品制造的关键工序,焊装夹具的性能不仅影响到生产率,而且直接关系到产品的质量。美国汽车工业的统计表明[1],72%的车身制造误差源于焊装夹具定位误差,因此如何有效地减少和控制定位误差的影响,对提高焊装质量至关重要。薄板焊装夹具与通用的机加工夹具存在显著的差别,它不仅要满足精确定位的共性要求,还要充分考虑薄板冲压件的易变形性和冲压制造偏差较大的特征,以适应于产品的高质量要求。近十几年来,许多学者在薄板焊装夹具的设计上开展了大量工作,提出了一些新型的薄板冲压件焊装夹具的设计理论和方法,取得了显著效果。本文首先介绍夹具设计方法的研究进展,然后系统地阐述夹具的N-2-1定位原理、优化设计及鲁棒性设计方法,最后给出本文的结论。
制造过程(如加工、焊接、装配和检测等)中,夹具是用于在三维空间定位和夹紧工件的设备。夹具设计的中心问题就是选择最优定位点数并确定它们的最佳位置,以实现工件的确定约束定位。如果工件依靠接触区域几何形状便可完全约束,称为“形闭合”;如果还必须借助摩擦才能完全约束,则称为“力闭合”。通常形状闭合强调动态分析,而力闭合则研究工件的静态稳定。1885年,Reuleaux首先研究了二维工件的形闭合机制,证明了形成二维物体的形闭合必需四个定位点[2]。之后,Somoff证明三维物体的形闭合需要七个定位点,1978年,Lakshminarayana[3]从静态平衡角度利用代数理论进一步证明了三维工件的形闭合至少需要七个点。1988年,Nguyen研究了机器手力闭合机制[4],而Asada和Kitagawa[5]于1989年研究了用于凸形和凹形工件的机器手的形闭合。通常的六点定位原理一般地需要夹紧力将工件完全约束,因此常常是力闭合。
近十几年来,“螺旋理论”广泛流行于夹具设计中,螺旋理论将三维工件的三维空间运动描述为沿某一方向的平移和绕这一轴线的转动。最初由Ball[6]提出,并得到文献[7]和文献[8]的发展。根据螺旋理论,文献[9]研究了七种不同类型的指状接触,并建议用指状外形去完全固定夹紧物体。文献[10]利用扩展的螺旋理论就刚体的全部或局部约束分析了有摩擦夹紧。文献[11]提出了用于棱柱形工件的加工夹具自动布置的数学理论。文献[12]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[13]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。文献[14]在夹具约束分析中研究了表面接触和摩擦问题。文献[15]开发出了考虑动态约束、完全夹紧和刀具路径偏差的夹具设计和分析软件。可以说,夹具设计的螺旋理论已经用于处理确定定位和完全夹紧问题、定位质量、接触类型和摩擦等问题,并取得了明显成绩。
大量的文献集中论述了刚性件的夹具设计,但关于薄板柔性件的夹具设计研究很少涉及,特别是考虑加工载荷作用下工件变形的夹具设计的研究几乎没有。实际上,象在航空工业和汽车工业,薄板变形可能导致严重的尺寸偏差。对于易变形薄板,定位夹具除了具备限制零件刚体运动的基本功能外,还必须能够限制过多的工件变形。较早考虑工件或夹具定位单元刚性的研究见于文献 [16],他们根据实验结果研究了夹具刚度和磨损对尺寸精度的影响。文献[17]提出了一种用于柔性定位夹具的夹具系统分析的有限元模型,加工过程中的加工力可看作是作用于节点的力。基于该模型,可以计算出工件变形、夹紧力和应力分布,可运用库仑摩擦定律去计算工件与夹具定位单元间接触处的摩擦力。虽然通过考虑工件变形和有限元分析推动了这一领域,但它既没有提出任何一种具体的定位原理,也没有为具有柔性的薄板提出一种定位方案。此外,这种模型并没有将工件的有限元分析结果同夹具设计规范联系起来,它更多的是工件的分析而不是夹具设计。文献[18]提出了一种薄板夹具定位分析的方法,他们研究了用于平板和壳体的三点和四点夹具定位系统,夹具布置必须使得工件中的应力低于材料的屈服应力。然而,这种方法并没有解决薄板夹具的本质问题,因为减小变形是薄板件定位的关键所在。文献[19]在文献 [17]的基础上进行了更深入的研究,利用有限元建模选择使得工件在第一基准面法向的变形最小的夹具定位布置。为确定最佳夹具定位布置,利用拟牛顿优化算法使有限元网格上的关键节点的变形的平方和最小。设计变量是“3-2-1”定位原理所要求的第一基准面上的三个定位点。
薄板冲压件焊装夹具广泛应用于汽车、飞机及家用电器等工业,焊装夹具的设计质量直接影响到整个产品的制造偏差。由于薄板冲压件的柔性和制造偏差特征,传统的夹具设计原理不能满足薄板冲压件的设计要求,尽管夹具设计研究已经相当成熟,刚性零件的定位原理和“螺旋理论”得到了深入研究。“N-2-1”定位原理针对薄板冲压件在横向上的易变形特征,提出了在第一基面上的定位点数目大于3,定位效果不仅取决于定位点的数目,而且取决于定位点的布置形式,并提出了采用有限元分析与非线性规划的定位点设计方法。为薄板冲压件焊装夹具的设计提供了理论基础和设计方法。由于薄板冲压件的制造尺寸偏差较大,定位点位置的选择对定位偏差的影响更明显,夹具的稳健设计可显著地改善定位误差。因此,在薄板焊装夹具设计过程中,贯彻“N-2-1”定位原理和稳健性设计方法是极为重要的,实践证明,可以收到事半功倍的效果。
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