（机械电子工程专业论文）轿车白车身焊接生产线设计及虚拟设计技术应用研究.pdf

摘要 摘要 轿车自车身是汽车的重要组成部分，是构成汽车的四大部分之一，是以“钢 结构为主的汽车零部件载体。车身焊接是白车身制造工艺中最重要的工艺过程 之一，车身焊接的质量、精度、生产效率对整车的质量、精度、生产效率有着直 接的影响。在大规模制造方式下，生产流水线是提高产品质量和生产效率的有力 工具，在白车身焊接生产过程中也不例外。 本文在结合国内多款白车身焊接生产线研制过程中的基础上，系统的阐述了 白车身焊接生产线的设计方法和虚拟制造这一新技术在实际生产过程中的应用， 已完成的主要工作有： 1 系统的研究了白车身焊接生产线的设计方法，论述了白车身焊接生产线的 整体规划设计；完成了白车身焊接生产线具体设备的结构设计。 2 论述了自车身焊接生产线平衡设计方法，并应用这一方法实现了某车型主 焊接生产线的平衡设计。 3 论述了生产线布局设计的原则、生产线布局的类型，采用了基于虚拟制造 技术的布局设计方法并实现了某车型侧围外板手动焊接工位的布局设计。 4 对白车身焊接生产线的输送装置设计进行了详细的论述，解决了输送装置 设计过程中的动力设计、缓冲设计等难点问题，实现了某车型主焊接生产线的输 送装置设计。 5 系统了介绍白车身焊接夹具的设计方法和设计特点，对在白车身焊接夹具 中应用广泛的摆动汽缸连杆机构进行了优化设计。 6 详细的探讨了虚拟制造这一新技术，介绍了虚拟制造技术应用于白车身焊 接生产线的基本技术原理和实现方案，最后基于虚拟仿真平台r o b c a d 实现了某 车型手动焊接工位的虚拟仿真。 关键词：白车身，焊接生产线，虚拟制造，设计 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t c a rb o d y - i n - w h i t e , w h i c hi sa s t e e l s t r u c t u r e ，i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fa c a r , i ti so n eo ft h ef o u rm a i nc o m p o n e n t so fac a ra n dt h em o s ti m p o r t a n tl o a d - c a r r i e ro f ac a r w e l d i n gi so n eo ft h em o s tf r e q u e n t l ym a n u f a c t u r i n gm e t h o d sd u r i n gt h ep r o c e s s o fc a rb o d y - i n - w h i t em a k i n g t h eq u a l i t y , a c c u r a c ya n dp r o d u c t i v i t yo fc a rb o d y w e l d i n gh a v ead i r e c ti n f l u e n c ef o rt h a to fa 伽u n d e rt h em a s sp r o d u c t i o n , p r o d u c t i o n l i n ei sa h e l p f u lt o o lf o ri m p r o v i n g t h eq u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i v i t yw h i c hi ss t i l lh e l p f u l f o rt h ec a rb o d y - i n w h i t ew e l d i n gp r o c e s s t m st h e s i sr e s e a r c h e do nt h em e t h o d so ft h ed e s i g nf o rc a rb o d y - i n w h i t e w e l d i n gl i n ea n dt h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gi nl i n ed e s i g n , t h er e s e a r c h b a s e do nt h er e s u l to fs e v e r a lw e l d i n gl i n e s d e s i g nw o r k t h ew o r kh a v ed o n ea r ea s f o l l o w ： 1 t h em e t h o d so ft h ed e s i g nf o rc a rb o d y - i n - w h i t ew e l d i n gl i n eh a sb e e n d i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y , t h em e t h o d sf o rt o t a lp l a nd e s i g na n dd e t a i le q u i p m e n t sd e s i g n a r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y 2 t h ew e l d i n gl i n eb a l a n c ed e s i g nm e t h o d sf o rc a rb o d y - i n - w h i t ew a sp r o p o s e d a n di th a sb e e nc a r r i e do u ti nt h ed e s i g no fam a i nw e l d i n ga s s e m b l yl i n ef o rac a l 3 t h ep r i n c i p l ea n dt y p eo ft h el i n el a y o u td e s i g nh a sb e e nd i s c u s s e d , t h e nan e w l i n el a y o u td e s i g nm e t h o dw h i c hi sb a s e d0 1 1v t r t u a lm a n u f a c t u r i n gh a sb e e np r o p o s e d a n dal a y o u td e s i g nf o ram a n u a lw e l d i n gc e l lh a sb e e nr e a l i z e d 4 t h ed e s i g no fc o n v e y o rs y s t e mf o rw e l d i n gl i n eh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l ，t h e p r o b l e m s , w h i c ha r ed i f f i c u l tf o rc a rb o d y - i n - w h i t ew e l d i n gl i n ed e s i g n , o fp o w e r d e s i g na n ds h o c k - a b s o r p t i o nh a v eb e e ns o l v e da n dam a i nw e l d i n gl i n ec o n v e y o r s y s t e md e s i g nh a sb e e nr e a l i z e db a s e do nt h es o l u t i o n 5 t h ed e s i g nm e t h o df o rc a rb o d y - i n - w h i t ew e l d i n gf i x t u r ea n dd e s i g n d i s t i n g u i s h i n gh a sb e e nd i s c u s s e d t h eo p t i m u md e s i g no fo s c i l l a t i n gc y l i n d e rl i n k m e c h a n i s m ，w h i c hi sv e r yf r e q u e n t l yu s e di nw e l d i n gf i x t u r e ，h a sb e e nr e a l i z e d 6 t h ev h t u a lm a n u f a c t u r i n ga n di t s a p p l i c a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e da n dt h e f u n d a m e n t a l sa n dp r o g r a ma n df o rc a rb o d y - i n - w h i t ew e l d i n gl i n ed e s i g nb a s e do n a b s t r a c t v mh a v e b e e np r o p o s e d a tl a s t ，t h ev i r t u a ls i m u l a t i o no fam a n u a lw e l d i n gs t a t i o nf o ra c a r sb o d y s i d eo u t e rh a sb e e nr e a l i z e db a s e do nr o b c a d k e y w o r d s ：c a rb o d y - i n w h i t e ，w e l d i n gl i n e ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g , d e s i g n h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：耋五日期：。矿年b ! 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 仍二髻趔 日期：4 旁年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景及研究意义 汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化工具。没 有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。轿车工业发展水 平不仅反映了一个国家经济发展和人民生活的水准，而且也反映了一个国家科学 技术和文明的水平。据中国汽车工业协会2 0 0 6 年1 2 月9 同提供的最新统计，按 照2 0 0 6 年1 月到1 1 月的进度，2 0 0 6 年全年中国汽车产销有望首次突破7 0 0 万辆 大观。在2 0 0 6 北京国际汽车高峰论坛上，中国汽车工程学会理事长张小虞谈到对 中国入世五年带给中国汽车的影响时表示，国内汽车的产量在入世的5 年内增长 了3 倍，中国在全世界汽车产业的排序从过去的第8 位上升到前3 位。中国已经 成为汽车产业大国。要想迈入汽车产业强国行列，我国汽车工业必须努力打造自 主品牌、加速技术创新、提高自主知识产权的比重、调整产品结构、促进产品创 新和管理机制创新，从总体上提高我国汽车行业的制造水平和能力，增强汽车行 业的国际竞争力，加速我国汽车行业的国际化进程。 目前世界汽车工业中研究最活跃、发展最迅速的领域之一是汽车车身工程。 在汽车1 0 0 多年的发展历史中，汽车车身经历的变化最多。车身的制造对汽车企 业的整车生产能力有重要影响。汽车的更新换代在很大程度上取决于车身技术的 发展。 车体或者叫做白车身，是整个汽车零部件的载体，是以“钢结构 为主的支 撑部件。就轿车车身的设计成本而言，约占整车总成本的一半【i l 。汽车车身是经过 冲压、焊接、涂装、总装4 个主要工艺过程生产出来的。它通常有3 0 0 至5 0 0 多 个形状复杂的薄板冲压零件，在5 5 7 5 个工位上大批量、快节奏的焊接而成。生 产时，装夹定位点多达1 7 0 0 - - 2 5 0 0 个，焊点多达4 0 0 0 - 5 0 0 0 个【2 1 。白车身焊接质 量的优劣对整车质量起着决定性作用。车身制造工艺是一项综合性的工程技术， 涉及系统工程、人机工程、工业工程、机械工程、电气控制工程等领域，涵盖了 冲压、焊接、涂漆等专业技术，是一门跨学科、跨专业的交叉学科。 焊接是白车身制造过程中重要的加工环节，白车身的焊接包括对地板、侧围、 顶盖、车身总成合焊等装配焊接。在装配焊接中使用了各种焊接方法，如电阻焊、 电子科技大学硕士学位论文 气体保护焊、螺柱焊、激光焊等。其中电阻焊是在白车身焊接中应用最广泛的焊 接工艺。 为了提高焊接生产效率、降低生产成本以适应大规模生产的要求，现代白车 身焊接大多采用焊接流水生产线的形式。焊接生产线的先进程度直接决定着白车 身焊接生产的质量和效率，国外汽车焊接生产线已实现了以柔性、多车型混装焊 接为代表的高度自动化、机器人大量应用的生产线设计技术。国内汽车制造企业 这些年来在引进国外白车身生产线的基础上已使车身整体制造水平有了长足的进 步，但仍旧与国外企业有较大的差距。为了赶上国外白车身焊接生产线设计技术 的发展，提高我国汽车工业的总体水平，我们必须大力发展并提高自己的白车身 焊接生产线成套设备的研发、设计、制造能力。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 白车身焊接生产线的国内外发展现状 自2 0 世纪2 0 年代美国福特汽车公司创立了汽车工业的流水生产线生产方式 以来，白车身焊接生产的发展主要经历了以下几个发展阶段： 第一阶段，6 0 年代以前，装焊生产线大量采用悬挂点焊机阶段。生产线机械 化及自动化水平较低，装配及装焊工作都是由人工完成。这种装焊生产线劳动生 产率很低但具有一定的灵活性，当汽车车身发生某些局部变化或换型生产时，花 费不大的费用就可以在原有生产线上改造生产。所以，这种生产线很适合中小批 量的生产纲领，在具有廉价劳动力的发展中国家得到了广泛的应用。 第二阶段，6 卜8 0 年代初期，装焊生产线大量采用多点自动焊机及机械手， 它最明显的特点是高度的机械化和自动化水平及高生产率。但同时这种生产线投 资巨大，而且基本没有柔性。当增加新车型或换型时需要新建装焊生产线，有的 甚至新建装焊车间。 第三阶段，8 0 年代中期以后，汽车装焊生产线向柔性化方向发展。机器人的 应用与计算机技术的普及使柔性生产成为可能，世界汽车发达国家争先尝试柔性 装焊生产线的开发与制造，使装焊生产线从局部柔性到替换柔性、直至向全部柔 性方向发展。 进入新世纪以后，国外汽车装焊生产线朝着高度自动化、多品种混流生产线 和大规模定制生产线的方向发展。德国k u k a 公司为奔驰、大众、宝马、福特等 2 第一章绪论 整车企业研制的大型自动化白车身焊接生产线上的机器人占有率高达9 5 甚至 9 8 以上：意大利c o m a u 公司在多车型混装焊接生产线方面处于领先地位，它 们研制的主焊接线合装平台可以同时生产4 种甚至8 种不同车型。 国内汽车焊接生产线成套设备的研制起步较晚，但在近十年内有了长足的进 步，从最初的只能提供简单焊接夹具发展到可以提供半自动化的整车焊接生产线， 并且也有一定的提供机器人焊接生产集成系统的能力，比如四川宝玛焊接设备有 限公司为长城汽车公司研制的某车型整车焊接生产线，无论是设备的自动化程度 还是整车的集成水平都在国内同行中处于领先地位；它们也为东风标致公司研制 了多套机器人焊接单元，在机器人焊接生产线的设计、制造方面积累了不少经验。 大连奥托为上海通用提供的某车型地板焊接生产线，其机器人占有率已达到了 8 0 。 从生产形式来看，汽车装焊生产线的发展经历了以下阶段：单一产品流水生 产线、多品种轮番生产线、多品种混流生产线和大规模定制生产线。从发展方向 来看，汽车装配生产线的发展呈现以下趋势：汽车装配生产由普通控制系统向机 电一体化、自动化和柔性化方向发展；汽车装配方式由手工生产向机械化、自动 化方向提升，由单线装配向混合装配和柔性装配方向发展：汽车装配检测由终端 检测向过程质量控制和在线检测方向发展【3 】。 1 2 2 虚拟制造技术的国内外发展现状 从2 0 世纪6 0 年代起至今，制造企业的战略由资源经济向知识经济转变。2 0 世纪6 0 年代制造企业追求的是扩大生产规模，7 0 年代是降低生产成本，8 0 年代 是提高产品质量，9 0 年代则是进一步加快市场响应速度，2 l 世纪随着知识经济的 到来，技术创新成为企业发展的灵魂，企业必须同时具备时间竞争能力、质量竞 争能力、价格竞争能力和创新竞争能力才能赢得市场。 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r e ) 的发展适应了时代的要求。虚拟制造又称拟 实制造，一些国外文献也称为像素制造( m a n u f a c t u r i n g0 1 1p i x e l s ) 或屏幕制造 ( s c r e e nm a n u f a c t u r i n g ) ，它是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算 机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、 加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本 质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力【4 1 。可以看出，虚拟制造并不是真 实的制造过程。它不产生真实产品，不消耗材料和能量，而是利用制造对象、制 造资源和制造过程的模型实现制造的本质过程。 3 电子科技大学硕士学位论文 与真实制造过程相比，虚拟制造具有如下特征： l 、虚拟性：基于计算机的虚拟制造环境进行产品的设计、制造和测试。设计 人员和用户可进入虚拟环境，“直接改变产品的尺寸形状、装配和结构，并从不 同的视点观察评价。观察者还可以和过去的、现在的、甚至未来的工厂设备进行 交互，通过对工厂或产品的全生命周期活动的预演，对制造过程进行体验和构想。 2 、数字化集成性：虚拟制造系统实际上是一个各种仿真软件的公共通讯平台， 也是各种相互独立的制造技术( c a d ，c a e ，c a p p ，c a m ) 的数字化集成环境， 实现各种相关技术的无缝连接。 3 、分布性：可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模 型上共同工作、相互交流，实现信息共享，减少大量的文档生成及其传递时间， 也减少了由此产生的相应误差，从而加快了产品开发过程。 4 、依赖性：虚拟制造的运行及对制造过程的描述和评价是基于人们对真实物 理过程的理解和认识，因此虚拟制造的运行只是人类对制造过程认识的综合演练， 它不能产生关于实际物理过程的新知识，其仿真的精度也不可能高于仿真模型与 真实模型的近似程度。 虚拟制造技术在国外已经进入实用阶段，典型的例子有波音7 7 7 ，其整机设计、 部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周 期从过去8 年时间缩短到5 年。欧洲空中客车一改过去传统的产品研制及开发方 法，采用虚拟制造及仿真技术，把空中客车试制周期从4 年缩短为2 5 年，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。 美国国家标准局n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 正在建立虚拟 制造环境f 称之为国家先进制造实验基地，n a t i o n a la d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e s t b e d ) ，波音公司与麦道公司联手建立了机械设计自动化所；在德国，d a r m s t a t t 技术大学f r a u n h o f e r 计算机图形研究所，加拿大的w a t e r l o o 大学，比利时的虚拟 现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研裂5 - 7 。 虚拟制造在汽车领域的应用涉及到汽车的整个生命周期，它可以在汽车生产设 备、工装和模具，甚至校车的设计之前，很容易的对生产系统和工艺过程进行建 模、修改、分析及优化。通用电动机车部( g e n e r a lm o t o r se l e c t r om o t i v ed i v i s i o n ， e m d ) 1 9 9 7 年，利用u g i i 软件，建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围 绕这个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造、夹模具工装设计和可维修性 设计。日本日产汽车公司1 9 9 8 年与s d r c 公司签定总额超过l 亿美元的特大合同， 购买软件、服务与实施，主要用于面向2 1 世纪的新车型一数字样车的开发。日产 4 第一章绪论 汽车公司计划在贯穿汽车生产的全过程中，利用概念设计支持工具、包装设计软 件、覆盖件设计、整车仿真分析、数字样机及物理样机的生产等【s 】。 近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，据不完全统计，目 前全国已有三十多家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术方面的研 究。国家8 6 3 c i m s 主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研 究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课题。国内以清华大学、上海交大为 主的高等院校正在开展基础技术研究，正处于理论体系初步研究阶段。国内的研 究主要集中在四个方面o 】： ( 1 ) 虚拟制造基础研究。虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，从产品建模、过 程建模、可交换数据模型到分布式仿真、离散事件仿真、面向对象方法、人工智 能、虚拟现实及计算机网络技术等等。这些技术构成了虚拟制造的技术基础。清 华大学c i m s 中心提出了支持虚拟制造的产品元建模方法，为产品生命周期的各 阶段分析与评价提供了可供操作的模型支持。 ( 2 ) 产品虚拟设计技术。主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以 及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学在国家8 6 3 c i m s 主题重大关键技 术攻关项目的支持下，开展了剑杆织机的虚拟产品开发，进行了剑杆织机的三维数 字建模及产品性能分析、加工过程仿真、虚拟装配技术等技术的研究与应用，并 建立了具有相当共性的支持创新设计的虚拟产品开发环境。 ( 3 ) 产品虚拟加工技术。主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材 成型模拟、模具制造仿真等。清华大学国家c i m s 中心开发的加工过程仿真系统 作为8 6 3 c i m s 目标产品已在多个企业得到成功的应用；沈阳铸造研究所丌发的电 渣熔铸工艺模拟软件包e s r d3 d 已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中。 其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7 个电站中使用；合肥工业大学研 制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍 厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功； 北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位 也研制出一些这方面的仿真软件。 ( 4 ) 虚拟制造系统。主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略 等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的 分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。清 华大学c i m s 工程中心提出了基于产品数据管理集成的虚拟制造体系结构。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本文研究的内容与主要工作 本文主要针对白车身焊接生产的设计和虚拟技术在设计中的应用做了以下工 作： 1 系统论述了白车身焊接生产线的设计方法，分别从车间级生产线的整体设 计和具体设备的结构设计两个方面进行了白车身焊接生产线的设计。 2 论述了白车身焊接生产线的平衡设计、布局设计的方法，运用平衡设计的 理念实现了某车型主焊接生产线的工位设计；运用基于虚拟制造的布局方法实现 了某车型侧围手动焊接工位的布局设计。 3 对白车身焊接生产线中关键设备的输送装置设计做了详尽的论述，解决了 输送装置设计过程中的方案设计、动力设计、缓冲设计等设计重点与难点问题， 实现了某车型主焊接生产线输送装置的设计。 4 对白车身焊接生产线中最常见的焊接夹具设计进行了系统论述，总结了焊 接夹具的设计流程和方法，并对焊接央具中常用的摆动汽缸连杆机构的优化设计 进行了论述，提出了优化模型并求得了优化结果，并在实际问题中予以了应用。 5 对虚拟制造技术进行了详细的论述，阐述了基于虚拟制造技术进行设计的 体系架构和设计评价标准，最后运用虚拟仿真软件r o b c a d 实现了某车型侧围外 板总成焊接工位的机构运动仿真、人机工程仿真和生产过程仿真。 1 4 本论文各章节的安排 白车身焊接生产线的设计可以分为总体方案规划设计阶段、具体设备结构设 计阶段和方案论证评价阶段，因此本论文各章节安排如下： 第一章绪论 概述了白车身焊接生产线的国内外总体发展现状，介绍了虚拟制造技术的基 本概念和发展现状，建立了工作的方向和论文的主要工作。 第二章基于虚拟制造的设计技术 详细介绍了虚拟制造的定义、发展现状，阐述了基于虚拟制造的设计技术的 体系架构，实现基于虚拟制造的设计技术的关键技术和运用虚拟制造进行设计评 价的标准。 第三章白车身焊接生产线的总体设计 从白车身焊接生产线的总体方案设计角度论述了生产线的设计，系统的介绍 6 第一章绪论 了基于生产平衡的生产线设计方法并实现了某车型主焊接生产线的平衡设计；介 绍了基于虚拟制造技术的布局设计方法，在此技术上实现了某工位的虚拟布局设 计。 第四章白车身焊接生产线的设备设计 从白车身焊接生产线具体设备构成方面论述了焊接生产线的设计。 第五章基于虚拟制造的白车身焊接生产线设计技术的实现 采用虚拟仿真软件r o b c a d 实现了某车型侧围外板手动焊接工位的虚拟仿真 设计。 第六章结论与展望 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章基于虚拟制造的设计技术 2 1 虚拟制造技术概述 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是一种计算机界面技术。从本质上讲虚 拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、 触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度的方便用户操作，从而 减轻用户负担，提高整个系统的工作效率【i i 】。根据v r 所应用的对象不同，v r 的 作用可表现为不同的形式，例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化；实现 逼真的遥现场效果；达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。本文着重研究 虚拟现实技术在机械工程领域的应用，针对不同的机械工程应用场合，虚拟现实 技术的应用主要有虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配等。 虚拟设计是指设计者在虚拟的环境中进行设计，设计者可以在虚拟环境中用 交互手段在计算机内建立的计算机模型并对其进行修改。就虚拟设计而言，所有 的设计工作都是围绕虚拟原型而展开的，设计者可以随时交互、实时、可视化地 对原型在虚拟环境中进行反复修改，并能马上看到修改结果；而采用传统设计方 法时所有的设计工作是针对物理原型而展开的，是面向图纸的【1 2 】。 虚拟制造是利用仿真与虚拟现实技术，在高性能计算机及高速网络的支持下， 采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面 可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工 制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。根据虚拟制造在实际应用 中的侧重点不同，可将虚拟制造分为以设计为中心的虚拟制造、以制造为中心的 虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。以设计为中心的虚拟制造为设计者提供了 产品设计阶段所需的制造信息，从而使设计最优；以制造为中心的虚拟制造主要 是在虚拟环境下模拟真实制造环境下的一切活动及产品的全过程，对产品制造及 制造系统的行为进行预测和评价，从而实现产品制造过程的最优；以控制为中心 的虚拟制造提供从设计到制造一体化的虚拟环境，允许评价产品的设计、生产计 划和控制策略，并提供在虚拟环境中进行优化的手段。 虚拟装配就是在虚拟环境中快速把单个的零件或部件组装形成产品的方法， 利用虚拟装配技术可以在计算机上设计得到的三维模型预装配到一起，可以避免 8 第二章基于虚拟制造的设计技术 物理原型的应用，可对零部件进行干涉检查、运动分析，从而在设计阶段对产品 设计进行各种分析、评价和规划，减少设计失误、设计时间和设计成本【”1 4 1 。 以上虚拟现实技术在机械工程领域的应用方式应集成在一个同一的环境中 来，它们之间都有本质的特点即将现实的生产制造过程在虚拟的计算机环境中实 现，它们在实际生产中的应用应作为一个系统来对待，这样才能对传统的设计、 制造行为起到本质的变革作用，提高制造系统的效率。 传统的现实制造系统一般按图2 1 所示的“设计试制一评价一制造”流程来 展开，需要反复制造与实验物理样机，从试制阶段就需要投入大量原料、人员、 厂房、设备，因此整个制造行为时间长、成本高、风险大。 图2 1 传统现实制造系统 令产品 产品 图2 - 2 虚拟现实制造系统 图2 2 所示为基于虚拟现实技术的制造模式，它的设计一加工一装配一评价阶 9 一一 电子科技大学硕士学位论文 段都可以在虚拟环境下进行，即所谓“数字样机 的反复设计一加工一装配一评 价，得到的和传输的是数据信息；在实际制造阶段才需要投入原料、人员、厂房、 设备，因此这种制造模式时间短、成本低、风险小【1 2 】。 2 2 基于虚拟制造的设计技术的体系架构 通常而言，一个虚拟设计系统包括两大部分【l5 】：其一是外围部分，包括各种 人机交互工具以及数据转换及信号控制装置，这些装置通常包括传感手套、3 d 显 示设备、三维鼠标等：第二部分是虚拟坏境生成部分，这是虚拟设计系统的主体。 本文的研究范围只限于虚拟环境生成部分，即如何构建一个面向于工程设计的虚 拟环境。 虚拟环境生成部分是虚拟设计系统的核心部分，从宏观上讲，它的功能是根 据任务的性质和用户的要求，在工具软件和数据库的支持下产生任务所需的、多 维的、适人化的情景和实例。它由计算机基本软硬件、软件开发工具和其他配件( 如 声卡、图形卡等) 组成，实际上就是一个包括各种数据库的高性能图形计算机系统。 机构运动仿真模块 碰撞干涉检查模块 生产过程仿真模块 鱼种物理量虚拟分析模块； 人机工程分析模块 软件平台 虚拟设计平台 j 图2 3 虚拟环境架构体系 对应用于工程设计领域的虚拟环境构建而言，我们提出如图2 3 所示的虚拟环 境构架体系。整个系统由以虚拟软件平台和高性能计算机构成的虚拟设计平台为 核心构造，以原始的c a d 设计数据和生产工艺知识为输入，以用于指导设计的虚 拟结果为输出：用于虚拟设计的软件平台应具有机构运动仿真、碰撞干涉检测、 l o 第二章基于虚拟制造的设计技术 生产过程动态仿真等功能，高性能计算机通常是数据处理能力强大的图形工作站； 由于原始c a d 设计数据和生产过程工艺知识包含了较多的设计冗余信息，为了不 影响虚拟仿真的速度，需要将这些数据经数据转换接口转化为虚拟平台所需要的 数据格式。 2 3 基于虚拟制造的设计技术的关键技术 虚拟制造技术是一门多学科交叉的研究领域，它集成了计算机学、计算机图 形学、电子学、智能控制、人工智能、传感器等多门学科，虽然目前虚拟制造在 工程应用领域已取得了一些突破性进展，但要实现一个实用的虚拟制造体系，仍 需要突破一些关键技术，具体体现在以下几个方面。 1 建模技术 虚拟制造系统应当建立一个包容生产模型、产品模型、工艺模型( 又称3 p 模型) 的、健壮的信息体系结构。 箩生产模型：生产系统模型可以归纳为两个重要方面：一是静态描述，即系统生 产能力和生产特性的描述，二是动态描述，即系统动态行为和状态的描述。静态描 述的重要性在于它能描述特定制造系统下特定产品设计方案的可行性，系统生产能 力和特性( 包括生产周期、存储水平的了解) ，有助于将这些能力和设计方案下的 生产需求以及与制造系统有关的工艺制造能力进行比较。动态描述能在已知系统 状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。 产品模型：目前产品模型描述的信息有产品结构明细表( b o m ) 、产品外形几 何与拓扑、产品形状特征等静态信息，无法达到在产品设计、制造的各个相应的阶 段抽象出产品在不同层次上的完备信息，不能动态跟踪或解释产品在全制造过程 中变换准则或变换属性。而对虚拟制造系统来说，要使产品实施过程中的全部活 动融于一体，它就必须具有完备的产品模型，以支持上述活动的全集成。所以虚拟 制造下产品模型不再是单的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产 品实施中各活动所需的模型。在支持全制造过程的产品模型中的形位公差模型和 功能模型的描述也是极其重要的。 工艺模型：工艺模型是将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来， 以反应生产模型与产品模型间的交互作用。工艺模型必须包括以下功能：物理和数 学模型、统计模型、计算机工艺仿真、制造数据表和制造规则。工艺模型作为c i m s 的研究领域已取得共识，但在并行工程领域和虚拟制造领域未能引起足够重视。这 电子科技大学硕士学位论文 其中一个很重要的原因就是上述系统中缺乏对统一规范的工艺模型的支持，尤其 是在特定制造环境下，缺乏产品方案对应的工艺计划的制造性能评价。 2 仿真技术 虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计 思维过程和设计交互行为等仿真，对设计结果进行评价，实现设计过程的早期反 馈，减少或避免实物加工出来后产生的修改、返工。产品制造过程的仿真可归纳 为制造系统仿真和具体的加工过程仿真。制造系统仿真是离散事件仿真的一个分 支，其功能为首先构造车间的静态模型，然后通过输入生产计划和工艺路线。自动 生成离散事件仿真模型并对该模型进行仿真，最后产生调度方案及性能分析报告。 但是这样的仿真工具不能满足虚拟制造系统对仿真的需求，这是因为现有制造系统 仿真工具不支持对产品设计、工艺设计以及生产计划与调度的动态反馈，同时现 有制造系统仿真工具不支持对下一层次的加工制造过程仿真的实时调用与控制， 从而不能支持产品制造全过程的建模与仿真。具体的加工制造过程仿真包括加工 过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真等，加工过程仿真包括切削过程仿真、 焊接过程仿真、冲压过程仿真和浇注过程仿真等。产品制造过程的这两个仿真是 各自独立地发展起来的，无法直接集成，而虚拟制造中应建立面向制造全过程的统 一仿真。 3 可制造性评价技术 虚拟制造中可制造性评价的定义为，在给定的设计信息和制造资源等环境信息 的计算机描述下，确定设计特性如形状、尺寸、公差、表面精度等是否是可制造 的：如果设计方案是可制造的，确定可制造性等级，即确定为达到设计要求所需加 工的难易程度；如果设计方案是不可制造的，判断引起制造问题的设计原因，如果 可能，则给出修改方案 1 6 】。 2 4 基于虚拟制造的设计技术的评价标准 在运用虚拟制造技术进行设计的实质就是按照一定的评价标准在虚拟的环境 中对设计模型进行评价，以检验设计模型是否具有可制造性和可制造性等级的高 低，因此必须建立在虚拟环境中评价设计模型的评价标准。从总体上来看，对可 制造性的评价可从经济性指标和技术性指标两方面来考虑，经济性指标包括制造 时间、运输时间、制造成本、运输成本等，技术性指标包括材料、形状结构、零 件间的装配关系等【1 7 q 8 1 。对于不同的具体应用场合有不同的评价标准，但就目前 1 2 第二章基于虚拟制造的设计技术 虚拟制造的应用层次来看，通常可从以下几个方面进行评价。 1 结构性评价标准 结构性评价标准就是在三维虚拟的环境中检验结构设计是否可行，检验结构 中各个零部件间是否存在干涉、是否协调。传统的三维c a d 设计软件可以提供静 态的干涉检验，动态的干涉检验往往需要设计工程师的经验来判断，很多干涉问 题要到实际生产阶段才会发现；而虚拟制造可以提供动态的干涉检验，这是虚拟 制造技术和传统的三维c a d 技术的本质区别，这种动态干涉检验是通过实时碰撞 检测技术来实现的。 2 人机工程学评价标准 现代制造系统及其技术的研究、开发和应用的关键因素之一是人，根据德国 工程师协会1 9 9 0 年的调查，在影响c i m s 取得成功的因素中，3 0 来自人；美国 先进制造技术研究公司在1 9 9 0 年4 月的报告中也指出：实施c i m s 的阻力7 0 来 自与人有关的因素【i9 】，因此需要充分考虑( 尤其是在设计阶段) 制造业和制造系 统中7 “人的因素”【2 0 】。 3 生产工艺过程评价标准 生产过程是一个连续的动态系统，传统的设计方法往往只能从静态的角度描 述生产过程，对生产节拍、操作顺序等只能给出大概的估算而不能直观的描述， 只有到了实际生产阶段才能验证生产过程设计的合理性，出现问题这时再予以更 改则为时已晚。虚拟制造则可以在虚拟的环境中对生产过程进行直观的描述，直 接的仿真并评估生产系统的动态性能。 2 5 本章小结 本章介绍了虚拟制造的相关知识，介绍了基于虚拟制造的设计技术的体系架 构和流程，论述了实现基于虚拟制造的设计技术的关键技术和利用这一技术的几 个评价标准，通过本章的论述为将虚拟制造技术应用于白车身焊接生产线的设计 提供了理论支持。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章白车身焊接生产线的总体设计 车身是构成汽车的主要组成部分，它与发动机系统、底盘控制系统和电子娱 乐系统一起成为现代汽车工业的四大系统。车身是展现一辆车品质性能最直接的 元素，车身外型的变化是汽车厂商更新产品品种最常用的方法，一款新车的推出 往往就是车身外形的改变；同时车身的形状也是消费者购买一辆车时所考虑的重 要因素，高档车的外形往往能够给人一种大气、稳重、富有质感的美；此外，由 于现代车身大多是承载式的结构，所以车身也是汽车整车负荷的载体，其力学性 能的高低决定着整车的安全性、行驶平稳性。因此车身制造技术是现代汽车工业 的重要组成部分，车身制造水平的高低直接体现着一个国家汽车工业的水平。据 统计，车身制造成本占汽车总成本的4 0 左右，由此可见在汽车行业中的地位。 自1 9 1 3 年福特汽车公司采用“流水线”生产方式以来，汽车生产线在汽车工 业中占据了极其重要的地位，它对提高生产效率，降低汽车成本起到了至关重要 的作用，在大规模生产方式下居于核心地位。在现代先进制造模式下，车身焊接 生产线是一项系统工程，它集机械、电力电子、自动控制、生产规划等学科于一 体，是典型的机电一体化产品。它的先进程度直接决定着汽车制造水平的高低， 决定着汽车工业的先进程度。 设计工作的质量和水平直接关系到产品质量、性能、研制周期和技术经济效 益，因此必须加强对产品设计的重视。任何一项设计都包括整体的规划设计何具 体设备的结构设计，白车身焊接生产线也不例外，因此本章着重从白车身焊接生 产线总体设计的角度讨论白车身焊接生产线设计，为白车身焊接生产线的具体设 计提供整体指导和总体方案。 3 1 白车身焊接生产线的构成 3 1 1 汽车白车身的构成 车身的构成决定了车身焊接生产线的构成，所以在讨论焊接生产线之前我们 有必要对现代轿车车身的构成进行深入的了解。 汽车白车身是指四门两盖( 前后车门、发动机盖和行李厢盖) 安装前的车身 1 4 第三章自乍身焊接生产线的总体设计 骨架，是将数百个薄板冲压零件通过电阻焊、气体保护焊、胶接等工艺方法拼装 得到。汽车白车身是汽车其它零部件的载体，是以“钢结构”为主的支撑部件它 是一个复杂的体系。其零部件数量众多、结构复杂，通常有3 0 0 5 0 0 多个形状复 杂的薄板冲压零件，在5 5 7 5 个工位上大批量、快节奏焊接而成。生产时，装夹 定位点多达1 7 0 0 25 0 0 个，焊点多达40 0 0 50 0 0 个。 按照车身的承载方式不同，车身可以分为非承载式、半承载式和承载式三种 类型。非承载式就是整车的负载不由车身承担，而是由安装在底盘和车身之间的 车架束承担，车身只承担很小部分的负荷，非承载式通常用在货车和高级轿车上； 承载式车身是取消了车架，整车的负载直接由车身承担。半承载式是介于承载式 和非承载式之间的种过渡形式。出于减轻整车重量，降低油耗的要求，现代轿 车车身大多采用承载式结构。 帮签谚 渊婚 a ) 车身整午圉 t 畿麓 祭漓 伯) 车身爆炸结构瞄 1 发动机盖总成2 顶盖总成3 右侧围内扳总成4 右侧甩外板总成5 地板总成6 行李箱盖每 成7 左侧周内板总成8 左侧围外板总成9 左后门总成( 左右对称) 1 0 左前门总戚 图3 - 1 典型车身结构圈 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 是某汽车公司一款整体承载式车型的车身结构图，这种结构在设计阶段 就将整车模块化，构成了如图3 2 所示的金字塔结构。车身由发动机盖总成、顶盖 总成、地板总成、左右侧围外板总成、左右侧围内板总成等一级分总成构成，而 发动机盖总成等一级分总成又由发动机盖外板分总成、发动机盖内板分总成等若 干个二级分总成构成。这种结构不仅体现了设计模块化的思想，更是将制造模块 化也融入其中，使大规模分工制造易于实现。在后面的生产线论述中，我们可以 发现生产线的组织架构正是基于这种结构来实现的。 图3 - 2 车身组织结构图 3 1 2 白车身焊接生产线的工艺构成 车身焊接生产线是典型的机电一体化产品，是一项融合了机械、电力电子、 自动控制等学科在一起的系统工程，是这些技术在车身焊接生产这一领域的具体 应用。所以我们在了解焊接生产线的构成时从不同的角度可以得出不同构成方法。 从生产工艺