王林照

摘要： 本文主要阐述了客车产业领域内焊接夹具模块化设计的成因，并提出了客车顶模块化设计焊接夹具设计总体思路以及能够适用于多种型号客车骨架焊装的模块化焊接夹具系统设计具体方案，能够实现X、Y、Z三个方向上的定位调节满足多种型号客车骨架组焊定位夹紧要求，提高设备生产效率。

Abstract： This paper mainly expounds the causes of modular design in the bus industry， and puts forward the overall idea of modular design and the specific scheme of modular welding clamp system suitable for bus skeleton welding， X， Y and Z can meet the requirements of bus skeleton welding and improve the equipment production efficiency.

关键词： 模块化;焊接夹具;客车

Key words： modularity;welding clamps;bus

中图分类号：U46                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0088-03

0  引言

焊接夹具是一种按照一定技术标准将将焊接工件准确定位和牢固夹紧的工艺装置，在制造业领域内应用广泛。现阶段我国客运产业各样发展迅速，客车种类和型号逐渐增多，这就要求车身骨架加工要在保证生产质量的前提下，最大化的降低生产成本。而目前现有焊接夹具多是针对车身特殊位置的专用焊接夹具，多品种、小批量生产模式下的生产成本高居不下。为此，本文基于模块化设计思想研究模块化焊接夹具，以提高车身骨架焊接夹紧工艺的经济效益。

1  焊接夹具模块化设计概述

1.1 焊接夹具的概念

焊接夹具是以“防止焊接变形，保证焊件尺寸大小”为使用目的的专用夹具。而且相较于普通夹具而言，专用夹具不仅可以保证零部件的加工精度，同时操作便捷。

1.2 模块化设计

模块化设计主要是指以功能模块为系统框架进行系统设计的一种设计方案。模块化设计下，系统功能模块具有相对独立性和互换性，一方面不同功能模块在整个系统中相对独立，能够脱离其他模块等单独工作。另一方面相同设计参数的功能模块可以互换，完成同类型产品的更新换代和升级。

1.3 焊接夹具模块化设计的成因

客车是我国重要的客运交通工具，按照用途可以划分为长途、公交、旅游等，而不同种类客型号繁多，结构各异，其焊接夹具结构也存在较大差异。客车主要包括六大骨架，分别是前围骨架、后围骨架、顶盖骨架、左右侧围骨架、地板骨架和全承载车架结构[1]。而不同骨架按照不同的结构特点又卡划分为半球型、近似大平面型和立体排布型。再加上随着我国客运行业的不断发展和工业科技的进步，客车制造产业也在不断完善。在此背景下，客车产业的发展给客车焊装也带来了一定挑战。现阶段我国绝大部分客车焊接夹具都是传统的单片焊接夹具，即按照图纸设计出对应客车车身结构的专用焊接夹具。但随着客车车身骨架愈加复杂，如果使用简易的焊接夹具进行生产，则很难保证客车骨架焊接质量，影响客车使用寿命[2]。但如果按照每款车身结构制作对应的专用焊接夹具，不仅需要耗费大量成本，还会影响整体的生产进度，得不偿失。而模块化焊接夹具本质上属于一种柔性化焊接夹具，其相互独立的功能模块不仅可以满足客车骨架生产多样化、差异性需求，同时也能降低投入成本，提高生产经济效益。

2  客车顶模块化设计焊接夹具设计总体思路

相较于客车其他部位，客车车顶焊接夹具模块化设计相对简单。其主要原因在于不同型号、种类的客车车顶长度和横梁间距变化较大，而车顶弧度和宽度变化不大。本文基于模块化设计思想设计客车頂焊接夹具系统，该系统由基础支撑部件、可换模块和可调整定位块组成。

2.1 基础支撑部件

基础支撑件可以结合车顶骨架特点设计成不同高度和长度的框架结构。框架一侧铺设平面导轨，实现X方向上的定位调节，另一侧安装金属滑轮，用于调节安装在平面导轨上的横梁宽度，以匹配不同长度的车身结构。通常情况下，可以安装伺服电机，用于控制横梁调节，相较于人工调节更加方便。而且横梁尺寸设计宜在150mm-200mm之间，且采用销轴定位，横梁两端需要钻孔。

2.2 可换模块

可换模块是T型槽结构。而且为保证制造成本，可以使用三块板材组合连接方式，通过在最上侧铺设宽板材，最下侧铺设一块板材，中间铺设窄板材，以形成简单的T型槽结构[3]。可换模块的两端需要打孔，通过销轴固定在横梁上。而且为提高可换模块的使用性能，还应在最下侧板材的T型缝隙中挖出一排长孔，用于清理焊接工艺期间产生的飞溅物。

2.3 可调整定位块

定位块是焊接夹具定位的主要工具，主要材质是Q345，由定位卡和靠山两部分组成[4]。其中定位卡可以定位不同规格的工件，开头大小依据定位工件进行设计。同时定位卡上会设置两处U型导槽，通过螺栓锁紧在靠山上，以上下调节高度是，实现Z方向上的定位调节，并且需要在定位卡下部增加支撑，以避免定位卡下移。而靠山则为标准的L形设计，可以利用T性螺栓装配在模块的槽内，从而实现Y方向上的定位调节。与此同时，靠山与定位卡间还应通过螺栓螺母机构进行连接，螺栓螺母需焊接在靠山的竖直面上，从而托住定位卡，避免定位卡移动[5]。

3  客车焊接夹具顶模块化设计具体方案

3.1 横梁定位夹紧模块

横梁定位夹紧模块由X、Y和Z向的定位夹紧模块构成，共同作用实现横梁三个方向上的定位夹紧。其工作流程如下：当车身结构相同时，首先X和Y向定位夹紧装置会先向后移动3mm，将新车车身结构横梁至于定位夹紧模块上。其次X向、X向和Y向定位夹紧装置依次对横梁进行三个方向上的定位微调并完整定位夹紧作业。而当车身结构变化时，横梁定位夹紧模块复位到原点，再调整架构到对应的X、Y和Z向定位位置。

其中X向定位夹紧装置由横梁侧端接触部分及支撑板、横梁下端接触部分、压力传感器及支撑板、连接板、直线模组和带刹车步进电机组成。当车身结构相同时，X向定位需要将横梁吊运到对应模块上，一侧横梁侧端接触部分与横梁接触，并在直线模组的驱动下，另一侧横梁侧端接触部分与横梁接触。此时压力传感器会检测到两个压力变化信息，发送指令给步进电机，使其停转，锁止定位位置。当车身结构变化时，步进电机会驱动X向定位装置沿X方向移动，移动至原点和相应的定位位置。

Z向定位装置主要由直线轴承、涡轮丝杆举升机、伺服电机、支撑板、膜片联轴器和连接平台等组成。当车身结构相同时，Z向定位需要将横梁吊运到对应模块上，以横梁轴端面定位线为基准线进行找正定位，同时采取划线找正法进行定位检查，直到其符合横梁Z向定位要求。当车身结构不同时，伺服电机驱动涡轮丝杆举升机沿Z方向进行移动，直到其到达指定定位位置。

Y向定位夹紧装置主要由直线模组、压力传感器、带刹车步进电机和压力传感器支撑板组成。当车身结构相同时，Y向定位加紧装置工作流程与X向定位加紧装置工作流程大体一致，均是通过检测到压力传感器信号以控制步进电机停转，实现定位位置锁止。当车身结构变化时，同样是由步进电机驱动直线模组沿Y方向进行移动。

3.2 侧梁定位夹紧模块

侧梁定位夹紧模块主要由定位调整夹紧模块、三轴平台Z向动力模块和三轴平台模块组成。

定位调整夹紧模块由Z向定位装置、X、Y向定位夹紧装置、Z向手动操作装置、侧梁压板和连接平台组成，主要用于实现同种车身结构侧梁的定位调整和夹紧。其中Z向定位装置由侧梁压板和Z向定位装置两部分构成，侧梁压板可以通过螺母结构实现对侧梁的Z向夹紧，而Z向定位装置能够实现侧梁Z向定位和锁止。X向定位夹紧装置由压力传感器和支撑板两部分构成。Y向定位夹紧装置由螺旋锥齿轮转向箱、直线模组、电机及转向箱支撑座、带刹车步进电机和压力传感器及其支撑板和连接板构成。Z向手动操作装置可以手动操作Z向定位锁止和电机停转，保证侧梁定位夹紧模块工作的安全性、稳定性。连接平台能够为上述定位夹紧模块各组成部分提供支撑和固定位置。当车身结构相同时，首先将车辆吊运到夹紧模块指定位置，并进行Z向定位检查、Z向定位微调和Z向定位锁止。其次待Y向定位夹紧装置压力传感器检测到两个读数变化时，装置Y向移动停止，并进行Y向定位检查、Y向定位微调和Y向定位锁止。最后，采取相同方法进行X向的夹紧装置控制。期间可以采取划线找正法、定位基准法进行三个方向上的定位检查。与此同时，侧梁定位微调需要经过Z向定位微调、Y向定位微调和X向定位微调三个基本步骤。Z向定位微调时需要对两处位置单独进行微调，依据拐尺刻线和Z向定位线之间的距离确定按钮次数（按动上升/下降按钮，侧梁Z向定位装置会向该测移动0.1mm。待一处Z向定位微调结束，步进电机制动器重新切换到制动状态，实现Z向定位位置锁止，再进行另一处定位微调。Y向定位微调时依据侧梁距离Y向中心距离按确定钮微调按钮次数（按动左/右侧微调按钮，侧梁会向该侧移动0.5mm），再确定Y向定位位置。X向定位微调时，依据定位线与定位拐尺间距离确定按钮次数（按动左/右侧微調按钮，侧梁会向该侧移动0.1mm），再确定X向定位位置。微调结束后，即可将侧梁压板压紧侧梁，并对侧梁和横梁进行定位尺寸检查。如符合定位技术要求，则微调结束，如不符合，则需松开侧梁压板继续进行微调，直至其符合要求。

三轴平台Z向动力模块由膜片联轴器、T螺旋伞齿轮转向箱、步进电机和传动杆组成。其中膜片联轴器能够准确传递电机和举升机间的转动角度，T螺旋伞齿轮转向箱能够将步进电机的转动输出转化为平动输出，步进电机提供Z平台运作动力，传动杆能够在Z向平台间传递动力。当车身结构变化时，步进电机驱动T螺旋伞齿轮转向箱，经过第一级、第二级T螺旋伞齿轮换向箱换向使动力模块的四个输出轴端同步转动，带动Z向平台同步升降。

三轴平台模块由Z向平台、Y向平台和X向平台组成。其中Z向平台由支撑架、直线轴承和涡轮丝杆举升机组成，支撑架可以为Z平台部件提供支撑，直线轴承能够为Z平台Z向移动提供导向并承载侧梁调整时的Y向和X向的力，涡轮丝杆举升机能够实现Z向平台Z向移动和自锁。Y向和X向平台结合相同，均由直线模组、支撑板、膜片联轴器、带刹车步进电机和圆导轨组成，直线模组能够转换电机转动输入与Y向和X向平台的平动输出，支撑板提供辅助支撑作用，膜片联轴器能够准确传递电机转动角度，带刹车步进电机为平台工作提供动力，圆导轨为平台移动提供导向。

3.3 垂向减震器座定位夹紧模块

垂向减震器座定位夹紧模块由垂向减震器座Z向定位装置和垂向减震器座压板两部分组成，前者能够在车身结构变化是实现垂向减震器座Z向调整和Z向定位微调，后者能够夹紧垂向减震器座。当车身结构相同时，首先将垂向减震器座装配在垂向减震器座Z向定位装置上，并采取划线找正法调整垂向减震器座，确保Z向定位装置上的X向、Y向定位孔对齐，实现垂向减震器座的X向、Y向定位。其次检查垂向减震器座Z向定位是否符合技术要求，如符合，表示Z向定位结束。如不符合，则需要按动微调按钮进行微调（按动上升/下降按钮，垂向减震器座会向该侧移动0.1mm），直至其符合Z向定位要求。而且为保证模块化柔性焊接系统工作的稳定性，可以采用放置垫片的方式进行手动调节，避免因电动系统出现故障而影响系统连续作业。再次调整垂向减震器座压板，使之夹紧垂向减震器，同时检查夹紧垂向减震器座Z向定位及其到系统Y向中心距离是否满足技术要求。如满足，则表示该处垂向减震器座定位夹紧作业完成，待其他三处垂向减震器座定位夹紧作业结束后即可实现垂向减震器座定位锁止。如不满足，则需要松开垂向减震器座压板，继续进行微调，直至其满足要求。当车身结构变化时，垂向减震器座定位夹紧模块的X向、Y向定位无需调整，其会自动跟随测量定位夹紧模块调整，本环节只需要调整垂向减震器座Z向定位装置移动到指定位置即可。

3.4 空气弹簧支撑梁定位夹紧模块

空气弹簧支撑梁定位夹紧模块由空气弹簧支撑梁夹紧装置、空簧孔定位销、连接板、空气弹簧支撑梁支撑板和侧梁辅助支撑组成。其中空气弹簧支撑梁夹紧装置用于夹紧空气弹簧支撑梁定位后夹紧作业，空簧孔定位销用于空气弹簧支撑梁和X向和Y向固定，连接板用于确定模块各装置位置，侧梁辅助支撑能够为侧梁安装提供Z向辅助支撑作用和导向。当车身结构相同时，首先将空气弹簧支撑梁放置于空气弹簧支撑梁支撑板上，同时对齐两部分上的定位孔，具体可采取划线找正法进行对齐。其次进行空气弹簧支撑梁的X向、Y向定位。检查空气弹簧支撑梁上是否存在空簧孔，如果不存在，则表示行空气弹簧支撑梁的X向、Y向定位结束。如果存在，则调整该空簧孔定位销伸出，固定空气弹簧支梁撑，限制空气弹簧支撑梁在X向和Y向上的移动。最后检查空气弹簧支撑梁Z向定位是否满足技术要求。如满足，则表示空气弹簧支撑梁定位结束。如不满足，则需对空气弹簧支撑梁进行Z向定位微调（按动上升/下降按钮，Z向定位装置会向该侧移动0.1mm。待一处空气弹簧支撑梁Z向定位装置微调结束后，步进电机制动器重新切换到制动状态，实现Z向定位位置锁止，再进行另一处定位微调。待两处空气弹簧支撑梁Z向定位装置微调完成后，利用空气弹簧支撑梁夹紧装置夹紧空气弹簧支撑梁，检查其Z向定位是否符合要求，如符合，则表示定位结束。如不符合，则松开夹紧装置继续微调。当车身结构变化时，空气弹簧支撑梁夹紧定位模块无需调整。

3.5 平台模块设计

平台模块由空气弹簧支撑梁定位夹紧模块支撑单元、整体支撑平台、横梁定位夹紧模块支撑单元、侧面护板、防护板、中心标尺等结构组成。其中空气弹簧支撑梁定位夹紧模块支撑单元、横梁定位夹紧模块支撑单元和整体支撑平台可以为空气弹簧支撑梁定位夹紧模块和横梁定位夹紧模块提供高度和载荷支撑。侧面护板能够为侧梁定位夹紧模块提供安全防护，避免工人作业时被划伤。防护板同样可以为工人提供安全防护，避免其不慎掉落至侧梁定位夹紧模块工作区域。中心标尺能够为系统各模块化焊接夹具定位提供基准。

3.6 模块化焊接夹具组焊工艺流程

①横梁定位夹紧。首先将横梁吊运装置放置于夹紧模块的Z向支撑上。其次进行Z向找正夹紧定位。最后进行X和Y方向上的找正定位夹紧。

②侧梁定位夹紧。首先以空气弹簧支撑梁定位夹紧模块的支撑板为辅助之城进行侧梁吊运。其次将横梁伸出轴端与侧梁轴孔进行装配。再次，进行Z向找正定位。从次进行X和Y方向上的找正定位夹紧。最后进行Z方向的夹紧，并检查侧梁高度是否符合技术要求。

③垂向减震器座定位夹紧。首先预装垂向减震器，检查垂向减震器是否与车身骨架匹配，是否存在尺寸误差。如果存在误差，则需要进行打磨修正。如果不存在，則直接进行后续操作。其次，将垂向减震器装配在垂向减震器座定位夹紧模块的Z向支撑端。再次按照定位孔进行X和Y方向上的找正定位和Z方向的定位调整。最后对Y方向上的定位尺寸进行检查。如果不符合技术要求则需要手动调整。

④空气弹簧支撑梁定位夹紧。首先调整空气弹簧支撑梁定位夹紧模块的Z向支撑部分，将其调整到基准高度。其次将空气弹簧支撑梁装配到对应的Z向支撑部分。再次以定位孔作为基准孔进行X和Y向的找正定位。最后进行Z向的定位检查，如果不符合技术要求，则需手动进行Z向定位调整，再进行夹紧操作。

⑤车身骨架连接处电焊。焊接横梁、侧梁、垂向减震器座、空气弹簧支撑梁连接处，同时将各模块的夹紧装置复位，将完成组焊工序的部件吊离工作台。

4  结论

模块化焊接夹具的推广应用是推动新形势下制造业转型升级发展的有效途径。本文主要基于模块化设计思想从横梁定位夹紧模块、侧梁定位夹紧模块、垂向减震器座定位夹紧模块、空气弹簧支撑梁定位夹紧模块和平台模块设计等几部分阐述了客车模块化焊接夹紧系统设计的具体方案，在保证焊接夹紧质量的前提下提高设备生产效率和降低生产成本。

参考文献：

[1]宋彩艳，宁祎，韩莉莉，等.焊装夹具及其柔性化在工业制造中的应用综述[J].现代制造技术与装备，2017（9）：3.

[2]曲春旭，张俊华，张长法，等.基于平台的汽车焊装夹具模块化设计[J].烟台大学学报：自然科学与工程版，2021，34（1）：8.

[3]侯宝辉，宋艺，王云浩，等.曲线焊缝汽车钢板激光焊接专用夹具的设计和应用[J].上海金属，2019，41（6）：6.

[4]毛卫国，赵炳婕，李斌.模块化汽车焊接夹具设计与开发[J]. 汽车零部件，2020（1）：3.

[5]王强，王永恒，陈建，等.快速柔性化车身焊接夹具平台设计研究[J].制造技术与机床，2020（1）：6.