中气轿车侧围焊接工位设计与仿真分析

要 侧围焊接是汽车白车身焊接生产线中关键工位之一。本文以中气轿车白车身焊接试制线的设计为背景，对侧围焊接工位的布局、夹具方案设计以及机器人的运动路径规划进行了研究。 基于 件，提出了焊接工位的虚拟设计流程；将产品和焊缝信息导入 统，并创建工艺路线和构建资源库；在此基础上，完成了侧围焊接工位的前期工艺规划。 通过对侧围焊接工位的机器人布置方案进行分 析，确定了该工位的基本布局方案；应用可视化平台与工艺约束相结合的方式，进行机器人的焊接任务分配，降低了任务分配的难度；在此基础上，通过对不同位置焊缝的机器人可行布置区域计算，确定了机器人的摆放位置。 通过对侧围内板的特征分析，总结了其焊接夹 具的设计要求；应用全型面定位方式和电磁力夹紧方式，完成了侧围内板焊接夹具的方案设计与建模；通过仿真分析并优化了夹具结构，使之满足生产环境的要求。 应用符号法对机器人的位姿进行分析，确定了 机器人在不同焊缝端点之间运动的最佳位姿，减少了机器人运动的时间；考虑机器人位姿变化对运动时间的影响，利用分支定界法对其运动路径进行规划，确定了机器人运动的最佳路径；最后通过仿真分析，验证了所规划路径的可行性。 关键词：侧围；焊接工位；路径规划；运动仿真；虚拟设计 he is of in of in In a of of is in IW A of is of is is is by a of of s is of of of is on is by of is by an of is an of to is an is to of a in of by a to by to At a is to is 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 . I 摘 要 . .图索引 . 1 章 绪 论 .题研究的背景和意义 .内外研究和发展现状 .文的主要研究内容 . 2 章 焊接技术与设备介绍 .车身焊接技术 . 点焊 . 激光焊接 .接设备介绍 . 焊接机器人概述 . 焊接头概述 . 焊接夹具概述 .章小结 . 3 章 侧围焊接工位的布局设计 . 11 介 . 11 接工位虚拟设计流程 .接工位前期工艺规划 . 产品结构和焊缝信息的导入 . 工艺路线的创建 . 资源库的构建 .接工位的布局设计 . 布局方案的设计 . 焊接任务的分配 . 机器人位置的摆放 .章小结 . 4 章 侧围焊接工位的夹具方案设计 .气轿车白车身结构特点 .车身焊接工艺流程 .围内板的特征分析 . 侧围内板结构特征分析 . 侧围内板的焊接特征分析 .围内板夹具方案设计与建模 . 夹具的设计要求 . 夹具的定位原理 . 夹具方案设计 .章小结 . 5 章 侧围焊接工位的路径规划 .器人焊接路径规划 . 旅行商问题及分支定界算法的基本思想 . 型建立 . 侧围焊接工位的路径规划 .器人轨迹控制 . 机器人位姿分析 . 机器人动作控制 .器人运动仿真 . 工位的 析 . 侧围焊接工位仿真分析 .章小结 .结与展望 .考文献 . 谢 .录 攻读硕士学位期间发表的学术论文 .图 器人运动范围 . 器人坐标系统 . 枪模型以及 义 . 位虚拟设计流程 . 制管理界面 . 台机器人的布局方案图 . 台机器人的布局方案图 . 器人焊接任务图 . 围焊点位姿图 . 器人工作范围 . 器人定位分析过程 . 真位置区域 . 器人定位分析结果一 . 器人可行的布置区域 ( ) . 器人定位分析结果二 . 器人可行的布置区域 ( ) . 器人定位分析结果三 . 器人可行布置区域 ( ) . 号机器人定位区域 . 围工位机器人布局图 . 车身结构图 . 围总成 . 车身焊接工艺流程图一 . 车身焊接工艺流程图二 . 围内板结构图 . 围内板焊接流程 . 围内板焊缝图 . 围内板截面图 . 围内板焊接要求示意图 . 围内内板定位分析图 . 型面定位夹紧方案示意图 .磁铁和 C 型钳的布置 . 具的操作顺序 . 向装置 . 围内板切割夹具模型图 . 围内板焊接夹具模型图 . 列树 . 索空间图 . 缝分布图 . 1 焊接路径优化结果 . 器人 动轨迹 . 器人反解 . 位 . 器人时序图 . 具仿真分析 .第 1 章 绪 论 题研究的背景和意义 近年来，伴随着国家一系列的经济刺激和优惠政策，我国汽车产业得到了快速的发展。据中国汽车工程协会统计， 2008 年我国汽车的销量为 900 多万辆，到2010 年这个数字突破了 1800 万辆，短短两年内我国的汽车销量便实现了翻番，一举成为全球第一大汽车市场。汽车市场的异常火爆，引起了汽车厂商的积极反应。合资厂商纷纷建厂扩能，将国外成套的焊装线技术直接引入国内；而国内自主品牌汽车制造商则需依靠自身的实力，对当前落后的生产线进行改造或设计新的自动化程度更高的焊装线以适应汽车制造技术的发展要求。 白车身是汽车的重要组成部分，它是由近 500 个有着复杂形状的薄板冲压零件通过多达 3500焊点焊接装配而成，其制造过程所产生的费用占整个汽车制造成本的 40%1。工位是焊装线的基本组成单位，是实现白车身焊接工作的场所。白车身焊装线中工位数量众多，结构复杂；其设计过程繁琐，持续周期长；各工位之间相互联系，某一工位的设计不合理，会影响其他工位甚至是整条焊装线的大幅度修改，从而增加大量的重复工作，延长设计周期 。 近年来，大量先进制造设备的使用，提高了生产线的自动化水平，但也使工位的结构更加复杂，增加了工位设计的难度。怎样对焊接工位进行合理的设计，成为国内汽车厂商重点研究和亟待解决的一个问题。 中气轿车是以提高中国汽车自主创新能力为目标，由国内高校联合开发的一款具有完全知识产权的中高级轿车。中气轿车白车身焊接试制线是指针对中气轿车白车身的结构特点，通过研究当前先进的设计技术，自主设计一条能够完成其焊接制造过程的生产线。通过自主的创新研究，掌握设计自动化水平更高的焊装线的基础理论和设计方法，提高自主设计的能力。本课题以中气轿车白车身焊接试制线的设计为背景，应用虚拟制造技术，对其中侧围焊接工位进行设计与仿真分析，即在设计阶段就开始对产品进行工艺审查与工程验证，实现设计与工艺的并行工程，能够缩短开发周期并提高效率。 内外研究和发展现状 虚拟制造技术是一项新的技术，是建模技术、虚拟现实技术、仿真技术、管理技术等各种计算机图形技术的系统集成2。利用虚拟技术，可以实现对产品设计和生产制造的全过程模拟和仿真， 验证产品结构的合理性和制造工艺的可行性，并预测其制造的生产周期，同时对不合理的地方作及时的修改，从而达到缩短产 2品的开发周期，降低生产成本和提高产品质量的目的3。 虚拟制造技术由于其诱人的前景，已成为世界各国研究的热点。在美国，由政府、大学和企业组成了多方位、高层次的研发力量： 动的 目，覆盖了产品设计、加工和装配与制造等方面的内容； 学 验室研究范围包括了工厂层和车间层的问题，提出了三个中心的虚拟制造分类方法； I 立大学从事可视化的研究，在虚拟环境下完成对产品的开发和工程设计的优化； 学 校自动化与机器人研究院主要对虚拟制造环境、柔性制造系统的原型开发以及虚拟工厂的建模进行研究。英国的 学对虚拟样机的开发和仿真研究； 学机械工程系对虚拟制造的仿真软件进行了研究，开发出了基于 合造型工具的虚拟制造系统；芬兰的 工学院对虚拟工厂项目进行了研究。与此同时，国内高校和机构也正加强虚拟制造技术的研究。 清华大学 程研究中心建立了支持产品生产过程的仿真平台；国家 863/对虚拟制造系统的建模与仿真进行研究。 在工业发达的国家，虚拟制造技术已经得到了不同程度的应用。波音 777 飞机的研制，在虚拟的环境下完成了整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞工作， 使其开发周期从过去 8 年时间缩短到 5 年， 出错返工率减少了 75%，成本降低了 25%，成为数字化设计制造与并行工程技术成功应用的典范4。欧洲空中客车公司也采用类似技术，使空中客车的研制周期从 4 年缩短为 ，不仅提前投放市场，而且显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。波音与空客的成功向人们展示了虚拟制造技术的巨大潜力和优越性5虚 拟制造技术在国外的汽车企业也得到了广泛的应用。 克莱斯勒公司在其新车型的研制过程中应用了与 作开发的虚拟制造环境； 日本日产汽车公司在整车的设计装配过程中运用虚拟仿真软件；法国雷诺汽车公司建立了虚拟工厂来指导汽车的制造过程。 然而，虚拟制造技术的应用研究在国内汽车企业才刚刚起步。目前国内大部分汽车企业白车身焊装线工位的规划主要还是依靠设计人员根据以往的设计经验进行手工规划，缺乏集成的管理系统，无法实现个团队之间的有效合作；传统的利用二维图纸规划方法，无法将焊接工艺过程、白车身零件以及焊接资源设备有效的结合起来，在统一的模型下进行焊接过程的仿真，进而无法在工艺的规划阶段就完成对焊接工艺的合理性和焊接过程的可行性验证分析；一旦发现设计不合理的地方，将严重的影响设计的效率。因此，利用虚拟制造技术，对白车身焊接工位进行仿真规划，是国内汽车厂商需要重点研究的问题。 与生产线规划所注重的线平衡理论概念不同，焊接工位的规划是对具体设备的研究规划，其目的是要使所规划的工位空间结构紧凑，物流方便，生产用时合理，机器人的运动路径最短且能够有效的避免与夹具之间的碰撞和干涉。当前对 3焊接工位规划的研究工作，主要集中在机器人的规划问题上，包括了工位的焊接任务分配问题和机器人的路径规划问题。刘淑华等基于蚁群算法，对多机器人松散耦合型的任务分配进行了研究7；李艳萍等应用改进的爬山法，对某车型左前门工位的焊点分配进行了研究8；刘海江，张春伟等应用遗传算法，对多机器人的侧围补焊工位焊点进行了分配研究9；刘海江在对侧围焊点的焊接作业顺序规划中，采用启发式节约算法，求解了机器人的最短运动路径10；闫华等考虑了焊枪位姿的影响，对弧焊机器人的焊接路径规划进行了研究，但没有对焊接所需的时间进行优化11。大部分的工作都是针对离散型的焊点进行任务分配和路径规划，对于连续性焊接的焊缝任务分配和路径规划问题研究很少，特别是大部分的研究工作都是对算法的优化改进，简化或者是忽略了工位的实际情况，如研究对象的焊接工艺因素，夹具的特点以及机器人结构所决定的自身运动特点等，难以得到实际工位准确的时间。 文的主要研究内容 本文利用虚拟制造技术，提出了白车身焊接工位虚拟设计的流程，对中气轿车侧围焊接工位的设计进行了仿真研究，主要包括了工位的布局设计、夹具设计以及机器人的路径规划。 本文具体的研究内容和结构安排如下： 第一章 通过文献的阅读，了解目前国内汽车企业白车身焊接工位设计的主要方式，提出焊接工位虚拟设计的必要性。 第二章 分析点焊和激光焊接的主要特点，论述激光焊接的优势；了解焊接机器人的结构特点，分析其坐标系统在工位布局中的应用；论述焊接夹具的基本结构，分析夹具的定位原理和虚拟设计流程。 第三章 利用 件，提出焊接工位的虚拟设计流程，通过将侧围产品和焊缝信息导入 统，创建工艺流程和构建资源库，完成工位的前期工艺规划；对工位布局方案进行分析，确定基本布局形式；完成侧围焊接工位的任务分配；对机器人的摆放位置进行研究，完成工位的布局。 第四章 分析中气轿车白车身的结构特点，制定其焊接工艺流程；分析侧围内板的结构特征，论述其夹具设计的基本要求，完成侧围内板焊接夹具的方案设计与结构建模。 第五章 对机器人的焊接路径进行规划，确定机器人的最短运动路线；完成机器人位姿的调整和运动方式的规划， 使机器人在运动的过程中满足避障的要求，并提高其运动效率；对工位机器人进行运动仿真，验证路径规划的可行性和夹具结构合理性，并对不合理的夹具结构进行优化，使之满足生产环境的要求。 4第 2 章 焊接技术与设备介绍 车身焊接技术 轿车白车身的结构非常的复杂，它是由数百个薄板冲压件经焊接、铆接、粘接和螺栓连接等方式装配联结而成的，其中，焊接是白车身制造过程中应用最广泛的连接方式。目前，白车身制造过程中应用的焊接方式主要有点焊、凸焊、二氧化碳气体保护焊以及激光焊接。本节主要介绍应用广泛的点焊技术与有着广阔应用前景的激光焊接技术。 焊 点焊，是将工件以一定的压力压紧于点焊钳两电极之间，通以强大的电流，利用工件电阻所产生的热量将焊接区熔化，然后冷却结晶形成焊点的焊接方式。点焊操作简单，易于控制，常用于薄板搭接焊接，是车身焊接制造中最常用的方法。点焊工艺的特点有： (1) 点焊的焊接热源是由通电的工件电阻产生，属于内部热源； (2) 点焊是通过两电极将工件夹紧施焊，其焊接的过程必须保持一定的压力； (3) 点焊的操作方式简单，可直接对工件进行焊接，不需要添加保护材料12。 光焊接 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，使金属表面发生熔化和气化作用形成液态金属，冷却凝固后形成焊缝。从上世纪八十年代起白车身制造过程便开始采用了激光焊接技术， 与传统点焊工艺相比， 激光焊接有着很大的优势13： (1) 激光束所产生的功率高，在工件上形成的热影响区面积小，熔深大，且没有点焊电极的压紧作用，能够更好的控制工件的变形。 (2) 激光焊接速度快，可以达到 5m/s，能够有效的提高生产效率；激光焊接柔性较高，可以实现焊缝的连续和断续焊接。 (3) 激光焊接能够对不同材质和厚度的金属进行焊接，特别适用于熔点高、反射率高、热传导率高以及物理性质差异大的金属焊接。 (4) 与点焊对工件的双面夹持不同，激光焊接是单面的焊接方式，可以大大的减少焊件的凸缘长度，节省材料，降低整个车身的重量。 激光焊接的各种优点，使越来越多的工作投入了激光技术的研究。激光复合焊接技术研究与应用，与单一激光熔焊技术相比，其高速焊接时拥有更稳定的电弧，更大缝隙的焊接能力，更大的熔深以及灵活的填丝技术，为白车身制造过程 5中三层板和超高强钢板以及镀锌板的焊接提供了有效的解决方法。上海大众的帕萨特轿车后箱盖使用了激光钎焊，车顶雨水槽也使用了激光焊接，使其精度达到了 汽大众也在其迈腾车型上积极地使用了激光焊接技术，大大的提升了车身的强度和刚度，实现了焊接速度和质量的有效结合，缩短了焊接时间，提高了生产效率14。 接设备介绍 接机器人概述 焊接机器人是焊接工位最重要的设备。机器人的使用，有利于提高焊接质量的稳定性，降低工人的工作强度，提高生产线的自动化水平。 常用的焊接机器人都是 6 关节机器人。在机器人的位姿控制中，前三个关节决定了机器人的位置姿态，后三个关节控制着焊接工具的位置姿态。在焊接工作中，我们可以通过调整各关节的转动角度来调整机器人的位姿，使之满足焊接工作环境的要求。不同的机器人有着不同的机械结构，其运动范围也不同，图 器人的工作范围。 图 器人运动范围 一般的机器人通过安装不同的工具可以实现不同的功能。由于激光焊接对定位精度的要求比较高，在选择时候要特别注意机器人的定位精度。一般来说，普通机器人适用于角焊缝的激光钎焊以及搭接焊缝的激光熔焊，但对于定位精度要求更高的对接焊缝，则必须采用绞臂式机器人，同时还需配备焊缝自动跟踪纠正系统和焊缝在线监测功能15。 6在制造系统中，工位的布局离不开机器人的坐标系统。机器人的坐标系统主要包括：世界坐标系，基座坐标系，腕部坐标系以及工具坐标系16，如图 示。 图 器人坐标系统 世界坐标系，一般以整个厂房基准点为坐标系原点。 基座坐标系，一般以机器人底座的中心点为原点。 腕部坐标系，一般用来定义机器人末端工具的位置。其原点也就是末端工具的连接基点。 工具坐标系，机器人焊接工作的参考点，其原点即机器人工具中心点（ 。机器人连接不同的末端工具，其 各自不同，需要重新定义。 有时为了更方便描述机器人的工具移动与工件之间的关系，还加入了 好的描述了机器人的末端工具的焊接移动距离。 在工位的建模过程中，一般是以世界坐标系为参考，确定产品零件和机器人等资源设备在厂房中的具体位置；以基座坐标系为基础，确定机器人各关节的变化角度，从而确定机器人末端工具的具体位置；以腕部坐标系为参考，确定机器人末端工具的安装坐标，便于机器人的换钳工作；以工具坐标系为考，确定机器人 焊点之间的位置关系，实现机器人 焊点的位姿重合，保证焊接动作模拟的正确性。 接头概述 焊接头是激光加工设备的重要组成部分，它是指从激光器到零件加工表面的导光系统，主要结构包括了全反镜、聚焦镜、冷却系统和辅助气体系统，较好的焊接头还包括了监视系统。 工业生产中主要的焊接头有激光焊接头和激光切割头。 本工位模型中采用的激光焊接头的外形尺寸如图 示。由于所选焊接头 7的焦距为 30将其 定为距离焊接头表面 30。在仿真情况下，需要同时定义焊接头的基座点，实现与机器人腕部的相连。图 描述了侧围工位选用焊枪的基座点和 姿信息， 决定了焊枪与机器人之间的位置安装关系。 基座点枪模型以及 义 接夹具概述 具的基本结构 焊接夹具是工位中不可缺少的设备，焊接过程中通过对零件的定位和加紧，来保证待焊零部件之间的相对位置关系和的配合精度要求，从而降低零件变形，提高焊接的质量。 焊接夹具主要是由夹具底座、夹紧机构、定位装置以及其他一些辅助机构通过一定的装配关系组合而成17，其各自的作用描述如下： (1) 夹具底座。底座是焊接夹具的基础部分，夹具其他的组成元件都是组装在底座之上。因此底座的平面有着较高的制造精度要求，它直接影响着其他元件的安装精度。一般情况下，为了节约材料，降低重量和节约成本，在不影响其他结构装置安装和强度要求的情况下，夹具底座都是采用框架形式。 (2) 夹紧机构。夹具的夹紧机构一般是用来使待焊零件的焊点处能够正确的贴合，防止在焊接时因施加的作用过大而产生的零件错位和偏移，从而影响焊接的质量。夹紧机构主要分为气动夹紧和手动夹紧，在自动化程度较高和所需夹紧力较大的情况下，一般采用气动夹紧机构；在单件手工生产场合，宜采用手动夹紧机构，可以降低夹具制造的费用，控制成本。 (3) 定位装置。夹具的定位装置是用来对待焊零件实施定位，以保证零件的装夹位置和配合精度。常用的定位装置有定位销和定位面，定位销一般用于零件 8孔特征，定位面