（机械制造及其自动化专业论文）基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 汽车白车身是汽车的重要组成部分，其质量好坏直接影响到最终汽车产品的质量， 如风噪声、密封性、动力性以及外观形状等。车身都是由若干汽车覆盖件装配而成，由 覆盖件组装成白车身的过程中误差主要来源于覆盖件本身的制造误差和检测及焊装过 程中引入的定位误差。本文主要研究如何优化检测夹具和焊接夹具的定位方案，从而尽 量减少覆盖件在装配、检测过程中误差，最终保证车身的制造偏差保持在较低水平。 由于车身覆盖件有相对厚度小、总体尺寸大、柔性大和易变形等特点，对其定位时 采用传统的“3 2 一l ”定位原理已经不足以控制其变形。随着汽车制造水平的不断提高， 在车身覆盖件定位方面的研究也有了很大的突破，近年来，一种被大多数汽车企业和学 者所接受的“n 2 1 ”定位原理已经被广泛应用于柔性薄板件的定位过程中。n 代表工 件第一基准面上的定位点数，其大小和位置是柔性薄板件定位设计的关键。当前，工厂 和企业大多靠经验来设计定位，这样往往带来定位精度不够的问题。 本文提出了一种适合柔性薄板冲压件定位位置优化设计的方法。利用a p d l 语言基 于遗传算法开发了定位点优化布置计算方法，研究了平面及曲面零件在重力作用下定位 点的分布情况，分析了曲面零件定位误差在观测点的放大情况，完善了考虑工件制造误 差的定位点布置的分析方法。本文结果对完善柔性薄板件定位布局优化计算方法具有一 定的指导意义。 关键词：柔性薄板件；遗传算法；柔性薄板件；零件定位设计 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 a b s t r a c t a u t o m o t i v eb o d yw l l i c ha s s e m b l c db yn u l n e r o u sa u t o m o b i l ep a n e l si sa nh p o r t a n tp a r to f t l l ev e l l i c l e 田岫m a m 血c t u 血gq u a l i 秒o fi ta f - f e c t sd i r e c t l y 也ef h l a lq u a l i t y ，a sw i n dn o i s e ， t i g e s s ，d y n a m i cp r o p e n y ，觚da p p e a r 砒l c eo f 也ea l l t o m o t i v e t h ee r r o r so c c m t e di l l 也e 弱s e 刀曲1 yp r o c e s so fa u t o m o t i v eb o d yc o m em a i l l l y 自o mn l em a n u f a 咖u r i n gd e v i a t i o i l so f 卸幻m o b i l ep a n e l s 锄dt h ep o s i t i o n i n ge r r o r si nt h ed e t e c t i o na n dw e l d e da s s e n l b l yp r o c e s s t h e m a i nc o n t e n t si nt h i sp 印e rw e r et o0 p t i m 娩et l l el o c a t i o np o s i t i o i l so f 也ei n s p e c t i o n 丘x t u r e 衄d w e l d i i l gc l a i i l p 丘x t u r e w i mt h eo p t 证此e dl o c a t i o np l 码廿l ee 爪瞒c a u s e db yp o s i t i o n 血g c o u l db er e d u c e da n dt l l em 锄u f a 舶ge 玎c 腮o fa u t o m 嘶v eb o d yc o u l db e 彻n a i l l e da ta l o w e rl e v e lc o l l r e s p o n d i n 舀y a u t o m o t i v ep 锄e l sh a v es o m ec h a r a c t i e r i s t i c s ，s u c h 硒锄a l lr e l 撕v et l l i c l m e s s ，h u g e 0 v e r a ud i m e i l s i o 乌n e x i b l e 锄ds oo n b e c a u s eo ft h e s ec h a r a c t 耐s t i c s ，t l l e - 3 - 2 - 1 ”1 0 c a t i n g p 血c i p l e ，仃a m t i o n a u yu s e di 1 1m el o c a t i l 唱o fd 西dp a n ，c o u l dn o tb ee n o u 班t 0c o m r 0 1 也e d e f o m a t i o no fa u t o m o t i v ep 锄e l s蛐gl o c a 恤gp r o c e s s w i t l lt l l e i m p r o v 锄e n to f 跚t o m o b i l e sm a 玎_ u f h 魄玳l e v e l ，m a j o rb r e 批u g h sh a v eb e e i lm a d ei 1 1m e 咖d yo f a u t o m o t i v ep 锄e l s l o c a t 啦d e s i 乒i i lr e c 嘶y e a r s ，t h e n - 2 1 ”1 0 c a t i n gp 血c i p l ew h i c hi s a c c 印t e db ym o s to ft l l ev e ! h i c l em a n u f a c 嘶n ge m e 印r i s e s 姐ds c h o l a r si sw i d e l yu s e di n 也e l o c a t o r s1 a y o u tf o rm en e x i b l es h e e tm e t a lw o t i 叩i e c e ，w h e r en ，t h em m l b e ro fl o c a t o r so n p r i m a 拶d a t 眦，i s 也ek e y t 0s h e e tm e t a lf - t u r ed e s i g n a tp r e s e m ，l o c a 幻r sl 伽ti sf e q u e n t l y d e c i d e db ye x p 甜e n c e ，a n do f t c nl e a d st 0u n s a t i s f a c t o d ，l o c 施gp r e c i s i o ni ns h e e ts t 锄 1 p i n g a n da s s e m b l y 1 1 1 也i sp 印ag e i l c t i ca l g o r i 岫1 ，w h i c hw 鹪p r o g r a m m e du s 堍a p d l ( a n s y s p a r 锄e 缸记d e s i 印l a i l g u a g e ) ，w a sp r o p o s e dt 0l a yo u tt l l en l o c a t o r sf o rt h en e x i b l es h e e t m e t a lw o f 印i e c e t t l i sm e t h o dw 嬲s u c c e s s 如u ya p p l i e di nt h es t u d yo ft 1 1 el o c a t o r s l a y o u to f n a ta n dc u r v 酣s 渤c ew o t 印i c c e ，b ya n a l y z i i 蟮t h ep h e i l o m e i l o no fd c v i a t i o na m p h f i c a t i o n0 n o b s e i n gp o m i i lc u r v e ds l l l n c ew o f 印i e c e am e 吐l o do fc o i l s i d e 血gt 1 1 ed e v i a t i o no f w o f k p i e c ew 勰p r o p o s e dt 0o p t i n l 讫el o c a t o r s l a y o u t ，锄dm er e 弧l t ss i l o w ni th a dag u i d i n g s i 鲥f i c 锄c et o 廿l eo p t i n 】血a t i o nm e 也o do fl o c a t o r s l a y o u to fn e x i b l es h e e tw o f k p i e c e k e yw o r d s ： f l c x i b l es h e 改m e t a lw o r l 中i e c e ；g e n e t i ca l g o r i 也m ； n e x i b l es h e e t w o f 印i e c e ；1 0 c a t i l l gd e s i g no f p a r t s 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 汽车从上个世纪问世以来，其发展速度相当迅速。如今，汽车制造水平的高低很大 程度上反应一个国家的工业技术水平( 特别是制造技术水平) 。日、美、德等发达国家 都已将汽车产业作为国民经济的支柱产业。相比发达国家的汽车制造技术而言，我国在 汽车制造方面尚处于初步发展阶段，目前还主要依靠经验和国外技术支持来设计和生产 汽车，完全依靠自主研发的汽车品牌寥寥无几。 车身是汽车的重要组成部分，它主要作用是遮盖汽车的座椅、底盘、发动机等。汽 车车身主要是由若干柔性薄板冲压件组成，这些零件的形状多由不规则的空间曲面组 成，为保证车身装配后的稳定性和可靠性，多采用焊接装配工艺。随着人们物质生活水 平的提高，很多消费者对汽车车身的外观和尺寸精度要求也越来越高。 车身的制造尺寸偏差将直接影响到汽车产品的品质，如汽车的噪声、密封、寿命和 外观等。车身覆盖件处于车身各层次装配过程的最底层，其制造偏差直接影响到汽车的 质量，是汽车产品质量控制的关键。在实际生产中，由于柔性薄板件的刚度较低，易变 性，基于“3 2 1 定位原理”在零件制造、检具检测和装配中易使工件产生较大的尺 寸变形，因此该原理对于柔性薄板件已经不再适用，为严格控制车身覆盖件在制造、检 测和装配过程中的尺寸精度，一种针对柔性件而提出的定位原理“n 一2 一l 定位原 理”被运用于柔性薄板冲压件的制造过程中。 车身覆盖件在制造、检测和装配过程中定位方案设计的合理与否以及定位误差的存 在将使覆盖件产生一定的变形，最终会影响车身的制造质量。随着汽车工业的迅猛发展， 车身覆盖件的定位问题以成为该行业关注的一个重要问题。目前，大多知名的汽车企业 都有专门的人员从事汽车车身定位方案的设计和优化。也有不少高校学者把这个问题作 为主要研究对象。 1 2 车身覆盖件及其定位原理 自第一辆汽车问世以来，汽车工业至今已发展了一个多世纪。2 0 世纪初期，汽车产 业正处于起步阶段，当时汽车的主要作为人们的代步工具。经过一个多世纪的发展，汽 车工业已经发展成为多功能、高速度、低排放等于一身的综合型高科技产品【1 | 。如今， 汽车已经逐渐成为人类生活、工作、休闲的必要工具，某些豪华轿车甚至成为人们地位 的象征。作为2 0 世纪以来高速发展的产业之一，汽车产业被许多发达国家或者发展中 国家视为国家的支柱产业。汽车产业之所以受到如此的重视，是因为汽车的发展对机械、 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 材料、电子、计算机、自动控制等领域的发展起到了很大的促进作用，能够带动多个行 业的经济发展。 随着人民生活水平的提高，人们在购买汽车的时候对其要求也越来越高，不仅希望 所购汽车的质量过硬，而且还希望其外观独特、美观等。车身作为汽车的一个重要组成 部分，也是引起人们购买欲望的重要因素。而车身是由若干覆盖件焊接装配而成的，由 此可见覆盖件的质量对车身整体质量起着至关重要的影响，故各汽车制造企业都把提高 车身覆盖件的质量作为重要的研究内容。这也使得板料冲压成型技术得到深入的研究和 发展。 1 2 1车身覆盖件的结构和成型特点 车身覆盖件是指覆盖汽车底盘和发动机，组成车身总成的若干冲压件。图1 1 为某 轿车的车身示意图。覆盖件一般分为外覆盖件和内覆盖件。所谓外覆盖件是指整车下线 b ) a ) 组合图b ) 分解图 a ) c o m b 洫a t i o nd i a g 舳b ) b r e a k d o w nd i a g 阳m 图1 1 车身示意图 f i g 1 1d i a 留锄陷o f c 甜b o d y 西华大学硕士学位论文 后直接可见的、组成汽车外形的覆盖件，如项盖、车门外板、发动机罩外板、车门外板 等；而内覆盖件是指被外覆盖件和内饰件等包裹着的冲压件，如侧围内板、前后围内板、 车门内板、汽车底盘等，这类覆盖件是车身的主体，在提高车身的强度、刚度和承载能 力发面起了很重要的作用。 相对于一般冲压件而言，汽车覆盖件在结构上有以下几个特点【2 】： ( 1 ) 形状复杂：覆盖件一般都由不规则的空间曲面组合而成，无法用工程图中的 尺寸标注或者用简单的几何方程式来表达清楚该类组合空间曲面。 ( 2 ) 相对厚度小：汽车覆盖件一般都是由板厚为0 8 1 2 的钢板冲压而成的，其 相对厚度( 板厚和毛坯最大长度尺寸的比值) 最小可达0 0 0 0 3 。 ( 3 ) 轮廓内部有局部形状：如局部的凸台和凹槽等，这类局部形状在覆盖件成型 时会影响其变形模式，故在设计冲模时要特别注意这些局部特征的影响。 ( 4 ) 总体尺寸大：相对于简单的钣金冲压件而言，汽车覆盖件的尺寸普遍比较大， 如车身顶盖的毛坯尺寸可达2 8 0 0 2 5 0 0 姗。 如图1 2 所示为一典型的汽车覆盖件，不难发现该件形状相当复杂，其整体形状由 若干曲面组成，且内部有许多局部形状和孔洞，其毛坯尺寸约为1 2 0 0 1 2 0 0 m ，而板厚 只有0 6 衄，相对厚度很小。 图1 2 某汽车覆盖件 f i g 1 2 a 铷嘲d m o b n ep 黜l 板材的成型特点与零件的结构特点有密切的关系，不同形状、尺寸的零件其变形模 式不同。汽车覆盖件的结构复杂，很难从整体上分析其变形特点，而是将其看成由若干 个“基本形状”组合而成的，而利用现有的冲压成型理论可以知道这些“基本形状”的 冲压成型特点并能够定量的计算出它们的主要冲压工艺参数。因此在考虑覆盖件的成型 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 特点时，只要对其结构进行准确的分解进而得到各部位的变形特点，并考虑到不同基本 形状之间的相互影响，就能够最终把握整个覆盖件的变形特征，得出容易产生缺陷的部 位，从而生产出高质量的汽车覆盖件。具体而言，覆盖件有以下几个成形特点【3 】： ( 1 ) 通常采用一次拉深成形方式：对于常见的筒形和盒形零件，当其深度较大、 拉深系数小于单次拉深的极限拉深系数时，采用一次拉深成形会出现拉裂等缺陷，此时 需要采用多次拉深成形的方式。根据现有的冲压成形理论可计算出所需拉深次数以及每 次拉深的各工艺参数和中间毛坯尺寸。可是对于汽车覆盖件而言，其形状及尺寸相当不 规则，变形方式复杂，以现有的成形理论根本无法定量的确定其变形规律，即无法确定 其多次拉深的工艺参数。此外，多次拉深工艺易在零件表面生成冲击线和弯曲痕迹线， 这些痕迹会影响覆盖件( 特别是外覆盖件) 上漆后的表面质量，最终会影响到整车的外观。 因此，在现有的理论基础和科技水平下，车身覆盖件都是采用一次拉深成形的方法。 ( 2 ) 拉胀复合成形：拉深是指在变形区域内单元受拉压应力共同作用，而胀形是 指在变形区域内单元受双向拉应力。覆盖件的毛坯在成形时，其变形模式不是简单的拉 深成形，而是拉深和胀形同时存在。一般拉深变形发生在压料面上( 内凹形轮廓除外) ， 而胀形变形通常发生在覆盖件轮廓内部毛坯上，这主要是因为轮廓内部特别是中心区域 的进料阻力过大。图1 3 所示为某覆盖件不同位置的变形性质示意图。 吩 西 o 句 0 弓 b o 6 0 白 0 t 岛 o to 量 3 ) 个定位点，第二和第三基准面上分别 布置两个和一个定位点。并证明该定位原理与广泛应用于刚性件的“3 2 1 ”定位原理相 6 西华大学硕士学位论文 比更适合于易变形薄板件定位。然而c a i 的研究对于夹具点的优化布置并没有给出有效 的解决方法，并且没有考虑存在定位偏差的情况时，“n 的数目变化对零件偏差变形 的影响。 w u 【8 】等首次采用遗传算法处理焊装夹具的定位点布置问题。在研究过程当中使用了 基于经验知识的改进遗传算法，以便更快的收敛到最优解。最后还比较了在不同编码方 式下的优化结果，从而测试遗传算法的性能。 i s h i k a w a 【9 】等用遗传算法对柔性件的夹头位置进行优化，具体方法是通过遗传算法 对定位位置进行优化得到优化后定位点位置，使得工件在夹头夹紧力作用下变形最小。 陆s h 加a r l l o 】等考虑定位点和夹持力的变化对零件变形的影响，用遗传算法对夹 具布局进行优化。作者使用了两种不同的遗传算法代码对所研究问题进行优化，对结果 进行比较。并且提出遗传算法很适合传统优化算法解决不了的一些问题，比如目标函数 和设计变量之间不存在明显梯度的问题。 g p r a b h a l l a r a n 和r k n s l m a l ( 1 l i i l a i l l l 】以有限元软件为平台，分别用遗传算法( g a ) 和 蚁群算法( a c a ) 对加工过程中零件的定位进行优化，经过计算得到蚁群算法能较快的收 敛到更优的结果。 上面的研究成果对车身覆盖件检具、夹具以及制造加工当中的工件定位有一定的指 导作用，但是这些方法有的忽略了定位偏差和工件的弹性变形，有的即使考虑了这些因 素，所用的方法也并不适合于薄板件定位问题。所以有必要在这些成果的基础上继续研 究。 目前，国内对柔性薄板件的检具或夹具的地位优化问题的研究相对较少，能找到的 文献资料也不多。 姜潮和韩旭【1 2 】提出了一种用于电阻电焊焊装夹具的定位点优化设计方法。该方法利 用有限元软件a n s y s 计算工件第一基准面上的变形，并以此为目标函数，使用遗传算 法对其进行优化。 林忠钦【1 3 】在柔性薄板件检具的优化设计方面做了一些工作，他提出了基于a p d l ( a n s y sp 踟吼嘶cd e s i 印l a n g u a g e ) 的遗传算法优化技术。最后以某车门外板的检具定 位优化为实例，验证了该技术的可行性。 1 3 2 发展趋势 随着现代汽车行业的发展，对汽车质量和精度的要求越来越高。焊接夹具和检测夹 具是影响车身质量的主要工业装备，而它们的定位方案的设计直接影响焊接及检测后车 身覆盖件的精度，所以车身覆盖件定位方案设计的合理与否直接影响汽车的质量。随着 世界汽车市场竞争和制造技术的进步，汽车( 特别是轿车) 车身制造质量的控制日益成 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 为闺际汽车工业界和学术界关注的问题，定位方案的设计对车身尺寸精度及制造质量的 影q 墨也越：、宋越凸显。柔性薄板件定位方案的设计主要是要得出定位点的数目和位置，所 以将来的趋势是使得定位过程自动化，而不是单纯的靠经验来设计。实现定位系统的自 动化过程的一个关键是研发一个定位支持系统【14 1 。这个系统为定位设计提供一些重要的 信息，比如定位点的位置、夹紧力等等。 1 4 选题的目的和意义 柔性薄板冲压件定位位置的优化设计主要是指定位点的优化，包括定位点的数目优 化和住嚣优化。本次研究的目的是采用遗传算法并结合考虑零件制造偏差来优化柔性薄 板冲压件的定位点，使得薄板件在被检测过程中满足设计的约束条件。 目前，国内外大多数企业经过长期的生产设计积累，都形成的各自企业内部的设计 方法。但这些设计方法多数时候靠的是经验，还存在一些缺陷。随着市场竞争的加剧和 制造技术的进步，汽车车身制造质量的控制日益成为国际汽车工业界和学术界关注的问 题，柔性漳板冲压件定位点的定位布局对制造过程误差的传递以及测量精度有重要的影 i 响，企业对测量系统测量精度以及测量数据正确性的影响也越来越重视。该问题的研究 有着很重要的理论和实际应用价值。 1 5 本文研究的内容 本文采用a n s y s 软件作为有限元分析平台，使用a n s y s 软件自带的二次开发语 言a p d l 副( a n s y sp a r 锄e t r i cd e s i 印l a n g i l a g e ) 编写遗传算法代码，对柔性薄板件的定 位闯题进行优化，优化的目标是确定第一基准面上定位点“n ”的大小和位置。 研究过程当中，首先在a n s y s 软件环境下建立柔性薄板件的定位模型，然后基于 该模型使用a p d l 语言编写遗传算法，通过改变遗传算法参数，观察各参数对试验结果 的影响。并通过修改遗传算法的参数使算法性能增强。此外，为了更贴近实际，本研究 进一步还考虑零件和定位点存在误差的情况，通过对考虑定位误差的分析结果与前面的 试验结果进行对比，来研究定位误差对定位点数及位置选择的影响。 西华大学硕士学位论文 2 车身覆盖件夹具 相对发达国家的汽车企业而言，我国汽车工业发展起步晚，生产效率和产品质量都 处在相对比较低的水平。近年来，随着国民经济的发展，国民对汽车的需求量不断扩大， 同时对其质量和外观的要求也越来越高。因此国内汽车企业都迫切的希望能提高自身汽 车品牌的产品质量和制造精度以适应激烈的市场竞争。焊接工艺作为汽车行业的四大工 艺之一，在汽车制造过程中有着举足轻重的作用。而焊接工艺中的最主要工艺装备 焊接夹具是控制车身装配精度的重要环节。随着汽车企业的发展，国内较大的汽车厂都 培养了一批专业的焊接夹具设计人员，近年来也成立了不少专门从事车身夹具设计及制 造的公司。这门处于机械制造和焊接专业的技术正在不断的实践当中得到快速的发展。 汽车车身零件多为大型柔性易变形的薄板件，且其形状多由不规则的空间曲面组 成，为保证车身装配后的稳定性和可靠性，多采用焊接装配工艺【16 1 。车身焊接夹具是指 在车身焊接工艺工程中，用来保证被焊工件的准确定位及可靠夹紧的一种工艺装备。对 于一般的轿车而言，车身是其最大总成，重量和成本约占整车的4 0 一6 0 。典型的车 身一般由2 0 卜3 0 0 个薄板冲压件焊接而成，期间需要上百套焊接夹具，定位和夹紧点 多达1 7 0 卜3 0 0 0 个，焊点数约5 0 0 0 左右【1 丌。车身装配是零件到分总成再到总成的一个 过程，由此可见它是一种多层次体系结构，层次越多，装配过程中产生误差的可能性就 越大，所以在设计夹具的过程当中应该考虑使用合理的定位和夹紧方案，从而严格控制 车身尺寸偏差。 2 1焊接夹具的分类 2 1 1 根据汽车零件及部件的结构特点分类羽 ( 1 ) 薄板冲压件焊装夹具：轿车车身上的大多数零件都是由薄板经冷冲压而成， 焊接该类零件的夹具称为薄板冲压件焊接夹具，相对于一般的机加工夹具，该类焊接夹 具在设计制造过程当中既有与之共通之处，但同时也有其独特的结构特点以满足薄板冲 压件的焊接工艺性。 ( 2 ) 箱筒型及某些特殊组件焊装夹具：汽车上的储气筒、燃油箱、液压变速箱都 属于箱筒型零件。含有该类零件的总成夹具的设计结构又具有一定的特殊性。 ( 3 ) 厚板冲压件、机加工零件以及刚性较好的焊接件焊装夹具：车身上除去大多 数柔性薄板冲压件之外，还有一些板厚较厚的冲压件以及少量的机加件，如焊接车架、 减震器、车轮、传动轴、焊接桥壳、变速箱齿轮与轴、刹车片等焊接用夹具。该类夹具 除了有些需要导电要求之外，其结构与一般的机加夹具相似。 9 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 2 1 2 按结构和自动化程度分类 ( 1 ) 手持焊接夹具：该类夹具是专门针对一些形状单一、精度要求不是很高的小 型汽车零部件，其设计机构简单、轻便、没有焊接底板。焊接过程由工作人员手工完成， 工件靠主、次定位孔及定位面定位。图2 1 为一手持焊接夹具总装图。 图2 1 手持焊接夹具 f i g 2 1h 锄d 、v e l d i n gf i x t 图2 2 手动焊接夹具 f 培2 2m 锄l l a lo p e 枷0 nw e l d 她缸n 鹏 l o 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 手动焊接夹具：该类夹具主要针对非重要的中、小型汽车零部件，其设计结 构要求定位准确，有焊接底板。焊接过程中采用手动压钳以及手动平推钳，操作高度为 7 5 0 8 5 0 m m 之间。设计该类夹具时，要保证夹具有良好的焊钳通过性，且方便工作人员 的站位及焊钳操作，避免出现焊接过程中焊钳与夹具或工件干涉的情况。如图2 2 所示， 为一典型的手动焊接夹具。 ( 3 ) 气动焊接夹具：该类夹具主要针对大、中型汽车零部件，设计该类夹具时也 要保证定位精确，有焊接项板。定位夹紧机构使用气缸实现，设计过程中根据夹具机构、 压紧力大小、设计行程及客户要求选用合适的气缸，且气缸工作行程应保留至少5 m m 的余量。该类夹具除了使用气缸实现定位夹紧之外，其余各机构特点与设计要求与手动 焊接夹具类似。图2 3 为一气动焊接夹具。 图2 3 气动焊接夹具 f i g 2 3 p ne l l l l n a t i cw e l d i n gf t i l r e ( 4 )自动焊接夹具：该类夹具主要针对一些非常重要的大、中型汽车零部前 后车门总成、侧围总成、行李箱总成、发动机盖总成等或整车焊接，其结构要求定位精 确，有焊接底板，如图2 4 所示。此类夹具的夹紧、松开等动作都是通过p l c 控制，选 用的气缸应带电磁感应，设计时应该加入感应及检知功能，做到部件的防呆、防漏。该 类夹具同样以主、次定位孔及定位面对工件进行定位。 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 图2 4 自动焊接夹具 f i g 2 4a u c 伽a 6 c 、v e l d i n g6 x n l r e 2 1 3 按焊接工艺方式和接头形式综合分类 根据焊接原理的不同，焊接夹具可分为：电阻焊夹具、电弧焊夹具、钎焊夹具、摩 擦焊及其它特种焊接夹具。进一步分类细节如图2 5 。 西华大学硕士学位论文 图2 5 焊接夹具分类 f i g 2 5 c 1 a s s i f i c 撕0 n0 f w e l 血gf t i 聃 2 2 焊接夹具的功能简介 2 2 1焊接夹具功能简介 汽车夹具一般由底板、支座、过渡及转接、定位及夹紧机构和其他辅助部分组成。 设计车身夹具时，要充分了解产品结构，仔细阅读工艺要求。与其他夹具相比，该类夹 具定位及夹紧元件的工作表面复杂、精度要求比较高，故设计制造难道比较大。此外， 汽车零件多为尺寸大、刚度及稳定性差、易变形的柔性薄板件，故定位元件无法做成整 体式结构，一般以独立部件的形式通过转接及支撑装置安装在底板上面。概括而言，焊 接夹具在车身装配过程起以下作用f 19 】： ( 1 ) 正确定位及可靠夹紧待装配工件：车身通常是由成百上千个零件组合而成。 为保证个零件间的装配位置的精度及焊接后的几何形状，焊接过程中设计合理的夹具是 必不可少的。 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 ( 2 ) 保证焊接工艺能够顺利进行：车身零件通常为大型柔性薄板冲压件，在自身 重量、夹具夹紧力及焊枪作用力等外力作用下很容易产生变形，故焊接夹具还必须具有 一定的精度及良好的刚度，这样待焊接件才能在空间上保证安放位置准确且具备足够的 刚度使焊接过程顺利进行。 ( 3 ) 从生产效率及经济方面考虑，焊接夹具可大大提高生产效率，降低车身制造 成本，保证焊接装配质量。 2 2 2 车身焊接夹具设计的基本要求 虽然汽车产品在种类和形式上种类繁多，对于不同形式的车身，在焊接过程中对夹 具结构的要求也有些许不同。但是总的来说，大多数车身焊接夹具设计时都要注意以下 方面的要求【2 0 】： ( 1 ) 定位、夹紧过程快速且准确，设计过程中要考虑被焊部位便于焊接操作，即 做到焊枪通道模拟，运动分析模拟，避免无法打点及无法取件的情况发生。同时要杜绝 夹具零件与产品零件发生干涉，应留有足够的调整空间和间隙空间。 ( 2 ) 设计时应根据部件重点部分( 如装配区域及下次装配区域) ，多方面仔细考虑 后，再开始设计，设计时应保证车身的搭接及配合部位，特别是孔洞符合一定的技术要 求，由此保证下一站总成或者整车的装配精度。 ( 3 ) 设计过程中，必须使夹具工作部分满足三维空间位置可调整的设计结构，需 调整位置必须设置有调整垫片，无需调整的方向无调整垫片存在。转接尽量简单，方便 调整，不允许一个方向上出现两次调整即同一方向上设置两个调整垫片。调整方向 必须与车身坐标平行。 ( 4 ) 设计过程中要特别注意零件的料厚及料厚方向，防止定位元件尺寸设计错误。 ( 5 ) 设计定位元件、夹具元件及其它元件时，尽量使用通用化的标准件，这是为 了在焊装过程中便于易损件的更换和复原设计精度，进而提高生产效率及焊接装配精度 【2 l 】 o ( 6 ) 设计时应验证夹具的工作强度和刚度是否满足生产要求。 2 2 3 焊接夹具的结构设计 本文在此结合一个车身焊接夹具设计实例，具体的介绍焊接夹具的结构及其工作原 理。 设计夹具初期，首先要清晰的了解被焊接件的结构，分析出哪些型面为精度要求高 的重要型面，哪些孔洞适合用于定位，初步确定一个合理的定位夹紧方案。图2 6 a 所示 为某车身后轮包鼓总成中的两个零件，图2 6 b 为两零件装配后相对位置，图中红色圆点 1 4 西华大学硕士学位论文 为焊点位置。分析可知，大件周边为法兰平面，且为后续工序的装配面，故可在大件周 边设置若干个定位点及夹紧点。分布在左右两侧的工艺孔可选择作为定位孔使用。小件 尺寸较小，因此刚度较好，考虑定位时只需设置3 个定位点，另外选择上方较大的两个 孔作为定位孔。 a ) 焊接前b ) 焊接后 a ) b e f o r ew e l 渤g b ) a f i e r w e l 弛g 图2 6 两覆盖件焊接关系 f i g 2 6w e l d i n gr e l a l i o n s h i po ft 1 1 et 、) l ，op 粕e l s 最后确定的定位方案如图2 7 。图中红色标记为定位方案标记。标记的起点代表定 位点或者定位孔的位置，标记终点小三角箭头所指方向为该定位点或定位孔所要限制的 图2 7 定位方案 f i g 2 7 f i ) 【t u r e1 0 c 撕n gs c h 锄e 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 工件自由度的方向。由图可知大件选取了两个定位销及6 个定位点，小件选取了两个定 位销及3 个定位点。对于大件而已看似违反了一般的定位原则，采用了过定位的形式。 但仔细分析可发现大件尺寸大、刚性差、易变形，且周围的法兰面为后续工序的装配面， 对其位置精度要求比较高，故在此采用过定位的形式，加强该件的刚度，控制其在焊接 过程中的变形从而得到符合精度要求的焊接件。 确定了定位方案后即可进行焊接夹具的三维设计，设计过程当中最主要的部分是夹 具的定位元件及夹紧元件。在车身焊接夹具中定位元件主要有定位块和定位销两种。而 夹紧元件通常有手动夹紧和气动夹紧两种，根据具体的生产自动化程度选择。 ( 1 ) 定位销的设计 为方便取件，定位销与被焊件之间采用间隙配合的方式，即定位销直径的设计值略 小于工件上相应的孔径。为保证工件孔位的定位精度，定位销的位置精度为o 0 5 m m ， 公差为o 一0 0 5 姗。根据定位孔的方位、冲压件的形状及是否便于取件，定位销可以设 计为固定式或活动式。图2 8 a 为一典型的固定式定位销，定位销装配在销座上通过螺 钉固定以防止工作时脱落，而销座通过转接块和过度板固定在支撑座上面，该类定位销 a ) 固定式定位销b ) 伸缩式定位销 a ) 融e d1 0 c a 血g p i nb )c o u a p s m l el o c a 血gp i n 图2 8 两种定位销设计方案 f i g 2 8 t w os c h 钮瞒o f1 0 c 撕n gp i nd e s i 乒 1 6 西华大学硕士学位论文 结构简单、可靠。在夹具设计过程中经常会遇到销孔与车身坐标成一定角度的情况，若 此时将定位销设计成固定形式，则会出现无法装件取件的情况，另外当设计大型焊接夹 具时，被焊件较多，定位销也比较多的时候，若采用固定式定位销同样会出现取件困难 的情况。所以在这些情况下，有必要将定位销设计成活动式的伸缩销结构。图2 8 b 为 一典型的活动式定位销结构。具体结构与固定式定位销类似，不同之处在于定位销通过 销座与气缸连接，通过气缸控制定位销的活动。 ( 2 ) 定位块的设计 定位块作为直接与工件相接触的夹具元件，其定位面形状必须与被接触工件表面相 匹配，因此定位面形状复杂，且对其形状、尺寸精度要求较高。不同于一般机加夹具， 焊接夹具的定位块一般和夹具本体分开设计，这样能够减小定位块的尺寸，方便加工制 造。对于同一方向上需要设置两个或者两个以上定位块的情况，一般将定位块设置成分 离式的形式，这样便于装配时对定位不同定位面的位置调整。如图2 9 所示，为一个典 型的定位块设计及连接方式。定位块通过两销定位及螺钉与过渡板连接，而过渡板通过 同样的方式与支撑座相连，这样就形成了一个独立的组件，夹具零件加工制造过程中难 免会有误差存在，所以初步装配后定位块的位置精度往往达不到要求，尺寸可通过调整 调整垫片的厚度将定位面的位置精度控制在允许的范围内。 竞 座 图2 9 定位块设计方案 f i g 2 9d e s i 弘s c h 锄eo fa1 0 c a 血gb 1 0 c k 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 ( 3 ) 夹紧元件的设计 车身焊接装配时，被焊件会受到多个作用力，如自身重力、焊枪作用力等。在这些 力的作用下会导致零件定位不准确，零件之间的相对位置得不到保证，从而影响装配精 度。因此，在夹具设计时必须设置夹紧机构，所得到的夹紧力能够使得即使工件在受到 其他作用力的情况下也能准确定位，从而保证车身零件之间的配合精度。根据夹紧力的 来源，夹紧机构可分为手动和气动两种。 图2 1 0 四连杆机构运动原理图 f i g 2 1o s k e t c hm a po ft i l es 觚l c t 眦sm o v e m e n t 手动夹紧机构是利用四杆机构的自锁原理实现对工件的夹紧。其工作原理如图2 1 0 所示，图2 1 0 a 为四杆机构的松开状态，当在a b 杆的a 端施加推力直到其运动到图2 1 0 b 所示的位置，此时d c 杆与a b 杆共线，机构达到自锁状态。e f 杆在自锁状态下即可对工 件施加足够大的压紧力，且其夹紧相当可靠，因为除非对a b 杆施加外力产生力矩从而 破坏自锁，否则e f 杆在理论上不管受到多大的反力也不会松开。 不同于手动夹紧机构，气动夹紧机构的夹紧力是可以计算的。所谓气动夹紧是采用 工业压缩空气为动力，通过气缸对工件进行夹紧。为适应高产量、高效率、高自动化的 要求，气动夹紧已经逐渐取代了手动夹紧。气动夹紧的工作原理图及夹紧力计算公式 为： 图2 1 1 气动夹紧机构工作原理图 f i g 2 1 ls k e 劬m a po f p n e 眦a t i cc l 锄ps ) r s t 锄 西华大学硕士学位论文 p xb c = fxa b p ：f 丝垒：墨兰至堡! 丝里 ( 2 1 ) b c 4 xb c 式中：p l 一供气压力( m p a ) 、d 气缸缸径( c m ) 、f 一夹紧力( k n ) 夹紧元件与被焊件接触的地方的形状同样决定于被焊件在该处的c a d 数据。设计夹 紧机构的时候要充分考虑打开行程及角度，避免出现不能取件或者不方便取件的情况， 同时还要避免相邻元件干涉和工人操作不便的情况。如果选用气动夹紧的方式，还要根 据夹紧力的要求选择合理行程及缸径的气缸，从而能够提供足够大的夹紧力。图2 1 2 中为一气动夹紧机构，图中虚线位置为松开位置，夹紧块的夹紧和松口通过气缸控制。 气缸的行程及夹紧块旋转点的位置都会对其开启位置有影响，为避免不能取件和与工件 或夹紧体干涉，一般设计过程中需要做运动分析，分析结果可以作为选择合适的气缸和 旋转点的依据。 图2 1 2 气动夹紧机构 f i g 2 1 2 ap n 肌m 撕cc 1 锄pm 。c h a i l i s m 前文对焊接夹具的定位和夹紧元件做了较详细的介绍，在这些知识的指导下，本人 设计了前文所涉及实例的焊接夹具，如图2 1 3 。可以看出，车身焊接夹具是由若干个组 件通过和底板连接组合而成的，图中的数字为组件编号，这是为了便于加工、制造和装 配而设置的。本夹具用于机器人自动焊接生产线，相比手动焊接而言，其生产效率和焊 接装配精度相对较高。但是也有些欠缺之处，比如机器人无法像人一样用肉眼观察工件 1 9 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 安放情况、工件定位夹具是否正确可靠等。所以对于机器人焊接夹具而已，其气缸一般 都要选用带有电磁感应器的气缸，且要设置检知感应器以检测工件是否安放到位。 图2 1 3 焊接夹具 f i g 2 13 aw e l d i n g6 x t l l r e 夹具中的气缸都是由电磁阀控制的，夹具需要几路气就需要安装多少个电磁阀对其 加以控制。经过分析得出该套夹具需要3 个电磁阀控制夹具上的气缸，以下列出了各电 磁阀所控制气缸的位置及型号： 阀1 ( v q 4 2 0 0 一5 ) ：7 0 0 组件( g p m 6 3 1 0 0 一b z 7 3 ) 阀2 ( v q 4 2 0 0 一5 ) ：3 0 0 组件( c k z t 6 3 9 0 t a 0 1 5 c b ) 阀3 ( v q 4 2 0 0 一5 ) ：1 0 0 组件( f 2 8 1 8 0 9 一o p 2 0 一8 0 0 组件的对称件， c k z t 5 0 一9 0 t a 015 c b ) 、2 0 0 组件( c k z t 5 0 一9 0 t a ol5 c b ) 、4 0 0 组件 ( c k z t 5 0 9 0 t a 0 1 5 c b ) 、5 0 0 组件( f 2 8 1 8 0 9 一o p 2 0 一1 0 0 组件的对称件， c k z t 6 3 9 0 t a o l 5 c b ) 、6 0 0 组件( f 2 8 1 8 0 9 一o p 2 0 9 0 0 组件的对称件，) 接下来介绍一下该套夹具的气路动作顺序及焊接过程： ( 一) 夹紧过程： 1 、阀l 所控制的气缸到位后( 7 0 0 组件上定位销到位) 先装小件，然后装大件。 2 、阀2 、阀3 所控制的气缸到位夹紧，此时被焊件被准确可靠的定位，接着即可对 工件进行焊接装配，焊点位置如图2 1 4 所示。 ( 二) 松开过程 1 、阀2 所控制气缸松开。 西华大学硕士学位论文 2 、阀1 所控制气缸松开后进行补焊( 焊点的具体位置参考图2 1 4 的w s l ) 。 3 、阀3 所控制气缸松开后取件。 设计该夹具时还要注意工件的检知功能，根据夹具的三维结构在合适的地方安装两 个检知感应器。 图2 1 4 焊点分布图 f i g 2 1 4 t h ed i s t r i b l l t i o no f w e l d i n gp o i n t s 2 3 焊接夹具的技术要求 焊接夹具的不同部分，有着不同的技术要求。在进行焊接夹具的结构设计时，应尽 可能采用标准件，这样便于夹具体的维护和保养。夹具的结构设计，尺寸及技术要求都 x y ( ( z ： ( 一) + ) r 一) i i 【车 + j l 。! r 觯l j 。j ， 图2 1 5 汽车坐标系 f i g 2 15 c 0 0 r d i n a t es y s 自e mo fv e h i c l e 基于遗传算法的柔性薄板冲压件定位位置优化设计 是以车身坐标为基础的，图2 1 5 为汽车坐标的表示方法，如图所示，y 表示汽车的左右 方向的基准线，以汽车的中心为零界限，右为负，左为正；x 表示汽车的前后方向的基 准线，以前轮中心为零界限，向前为负，向后为正；z 表示汽车的上下方向的基准线， 以前轮中心为零界限，向下为负，向上为正。本节将具体介绍焊接夹具各部分的技术要 求。 2 3 1焊接夹具底板及基准面要求 ( 1 ) 焊接夹具底板通常采用槽钢、钢板焊接结构或矩管、钢板焊接结构，焊接后 必须进行回火等热处理工序，从而消除焊接后的残留应力。 ( 2 ) 设计过程中应该根据底板的尺寸大小选择合适厚度的钢板及合适型号的槽钢 或矩管以保证夹具有足够的强度和刚度，从而避免夹具工作时产生变形影响焊接装配的 精度。 ( 3 ) 夹具基准面上应刻出坐标线，简称百格线，要求其坐标值为车身坐标的整数， 如图2 1 6 所示： 、偌： !壬一 ； 一蛾!一! j - l o 一一一 制 l 审 - ：j - tt_ x = 一1 0 0x - o x - 1 0 0x ：2 0 0 ) 【= 3 0 0