（光学工程专业论文）基于delmiarobotics的白车身焊装线建模与仿真分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 当前是汽车行业飞速发展的时代。由于汽车车身工程自身的特点，它又是汽 车行业中最具活力的领域。到如今，它的发展历程也有一百多年了。在这些年里， 它的变化是巨大的。汽车车身的生产水平高低对整车的生产能力都是有着举足轻 重的影响的。汽车车身的设计、制造成在整车总成本中占了很大的比例。本文研 究的白车身包含约3 0 0 个钣金件，经过5 5 7 5 个焊接工位上的焊接，最终组焊 成白车身。汽车白车身焊接效率的高低，焊接质量的优劣在整个白车身工程中都 起着不可忽视的作用。 本文利用仿真软件刊e l m i a 系统地完成白车身夹具、点焊机的建模，完 成机器人的选型，再综合起来对焊接过程进行仿真。白车身焊装生产线的仿真在 生产线的建设之前是非常重要的，它不仅能显著缩短焊装生产线的建设工期，减 少建设成本，并且能提高焊装生产线的焊接生产效率。 本文先介绍了白车身焊装生产线的结构以及布局，并详细的分析了白车身各 个工位的点焊机、机器人、夹具及其工艺特点，以前地板总成为例完成其在虚拟 环境下的点焊机、机器人以及夹具的建模与仿真分析。论文主的要研究内容包括： 1 ) 分析各个工位的工艺特点并设计出夹具的数字化模型。对前地板进行工位 分析计算出点焊机、机器人的数量型号。 2 ) 分析了白车身前地板工位焊点的特点以及实现途径，以此提高生产效率及 减少生产时间。 3 ) 应用遗传算法规划出前地板总成的焊点路径规划。 4 ) 对焊接过程进行离线编程。 本文在虚拟环境下对白车身焊接生产线中的前地板总成工位进行了建模。通 过仿真了解该工位的状态，能在很大程度上提高生产效率。仿真结果对生产过程 有很好的参考、指导价值。 关键词：白车身d e l m i a 仿真焊接机器人离线编程 武汉理t 人学硕上学位论文 a b s t r ac t a tp r e s e n t ，t h ec a ri n d u s t r yi so na na g eo fr a p i dd e v e l o p m e n t f o rt h e c h a r a c t e r i s t i co fc a rb o d ye n g i n e e r i n gi t s e l f , i t st h em o s tr a p i d l yg r o w i n gf i e l di nt h e c a ri n d u s t r y 1 1 1 ec a rb o d ye n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n th a sah i s t o r yo fm o r et h a no n e h u n d r e dy e a r s t h ec h a n g eo ft h ec a rb o d yi sh u g ei nt h i sy e a r s 1 1 1 ec a rb o d y p r o d u c t i o nl e v e li ss i g n i f i c a n ti m p o r t a n tf o rc o m p l e t e v e h i c l ep r o d u c t i o nc a p a c i t y g e n e r a l l ys p e a k t h eb i w c o n t a i n s3 0 0 - 5 0 0s h e e tm e t a l ，a f t e r5 5t o7 5w e l d i n g ，a n d f i n a l l yi n t ot h eb i w 1 1 1 eb i ww e l d i n g se f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo fw e l d i n gp l a y s 8 1 1i m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o l eb i w e n g i n e e r i n g b yu s i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e d e l m i at oc o m p l e t eb i w sf i x t u r ea n d w e l d e r sm o d e l i n ga n dc o m p l e t et h er o b o t ss e l e c t i o na n dt h e nc o m p r e h e n s i v eu p a g a i nt os i m u l a t e dt h ew e l d i n gp r o c e s s b e f o r et h ec o n s t r u c t i o no ft h ep r o d u c t i o nl i n e t h es i m u l m i o ni sv e r yi m p o r t a n t i tn o to n l yc a ns h o r t e nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o do f t h e w e l d i n gl i n e r e d u c e 也ec o n s t r u c t i o nc o s t ，a l s oi tc a ni m p r o v et h ew e l d i n gp r o d u c t i o n e 历c i e n c y t l l i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h eb i w sw e l d i n gl i n e sp r o d u c t i o n a n dd i s t i l b u t i o n , a n dd e t a i l e da n a l y s i se a c hl o c a t i o nw e l d e r , r o b o t ，f i x t u r eo ft h e b i w a n ds i m u l a t i o nw i t ht h ew e l d e r , r o b o t sa n df i x t u r em o d e l i n go ft h ef r o mf l o o r a s s e m b l yi nav i r t u a le n v i r o n m e m t h ep 印e r t os t u d yi n c l u d e ： 11a n a l y s i se a c hl o c a t i o n st e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nt h ef i x t u r eo f d i g i t a lm o d e l a n a l y s i st h es p o tw e l d i n go ft h ef r o n tf l o o r 2 1a n a l y z e st h et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r o mf l o o ri nb i w a n dt oi m p r o v e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 3 、u s i n gg a t ow o r ko u tt h ea s s e m b l yo ft h ef r o mf l o o r sp a t hp l a n n i n g 4 ) u s i n g o f f - l i n ep r o g r a m m i n gi nt h ew e l d i n gp r o c e s s t h i sp a p e ri sa b o u tt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rt h er o b o tw o r k s t a t i o n i no f t h ea s s e m b l yo ff r o n tf l o o ri nv i r t u a le n v i r o n m e m a n dt op r o m o t ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dt h ed e s i g nq u a l i t yo f t h ew o r k s t a t i o n a n dt h er e s u l th a st h ev e r yg o o d p r o g r e s s i v er e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：b i + w d e l m i as i m u l a t i o n w e l d i n gr o b o t o f f - l i n e p r o g r a m m i n g 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 车身概述 第一章绪论 随着科学技术的发展以及社会的进步，我国汽车工业从无到有，由弱到强， 逐步发展成一个比较完整的工业体系。从二十世纪五十年代初期n - 十世纪八十 年代中期，汽车的生产类型主要是卡车，二十世纪八十年代末期才开始生产轿车， 轿车工业的真正发展时间只有二十多年，因此，长期以来，在我国汽车工业中车 身制造技术一直是相对薄弱的环节。为提高我国汽车工业的制造水平以及满足人 们日益增长的物质生活的需要，应重视车身技术的研究和发展【l j 。 汽车主要由三大总成构成，包括发动机、车身和底盘【2 1 。其中车身在整个汽 车中的地位既特殊又重要，它的特点如下： 制造成本高，经济效益好。除了具有使用价值以外，车身还具有艺术价值。 研究表明，车身的美观性能提高车身总价值的百分之十到百分之四十。就其经济 效益来说，车身的经济效益远远大于其它两个总成。 车身设计是多门类专业知识的集合，理工学科类方面主要涉及到流体力学， 机械设计，机械原理，人机工程等；艺术学科类方面主要涉及到艺术造型，美学 设计等等。 车身制造的工艺是复杂多样的。车身制造工艺主要由冲压工艺、焊装工艺、 涂装工艺组成。至今总装涂装中的部分工序仍然难以实现机械化，需要用人工完 成。 车身质量大。在乘用车中，车身的质量占整车质量的3 0 4 0 ；在商用车 中车身的质量能占到整车质量的2 6 3 0 。 相对于底盘，发动机来说车身工程发展比较晚，但是现在，车身工程已经成 为发展最迅速的分支。 1 2 课题提出的背景及其研究意义 一个国家的汽车工业发展水平的高低不仅能反映它的经济发展情况，而且， 在某种程度上也能反映出它的科技文明的发展水平。汽车车身制造水平的高低对 汽车公司的汽车生产能力有着非常重要的影响，车身技术的发展在很大程度上决 定了汽车更新换代的速度。白车身( b i w - b o d y i nw h i t e ) 是指还没有进行喷涂 武汉理工大学硕士学位论文 以及安装内饰件之前的车身，它是汽车中其它零部件的安装载体。自车身一般由 左( 右) 侧围总成、地板总成、前围总成等各个总成拼焊而成。焊装工艺是汽车 制造中的最具代表性的四大工艺之一，白车身的焊接质量对整车质量的好坏起着 决定性的作用。 品种多、换代快是目前车身设计的发展趋势，同时它也促使车身的焊接生产 设备向着设计周期短，精度高的方向发展【3 】。甚至在机器人技术飞速发展的今天， 为了加速产品换型、提高焊装生产线的柔性以及提高焊接生产的效率和质量，机 器人在整车生产的各个工艺上都被广泛的使用。在白车身制造中机器人的使用范 围非常广泛，比如有：点焊机器人、弧焊机器人等等。但是由于白车身的焊点众 多，因此在白车身的焊装生产线上应用最多最广泛的还是点焊机器人。一般，白 车身上焊点分散，利用人手工焊接远比利用机器人要复杂，并且制造精度也无法 保证，因此在白车身焊接生产线上机器人焊接工位是最重要的组成部分。此外， 与人工点焊相比较，机器人点焊优势明显，机器人点焊的焊接质量高并且稳定， 并且可以适应复杂的工艺以及极端恶劣的环蜊4 1 。 在汽车工业的发展初期，我国焊接装备大都是比较简单的设备，如：手动、 气动夹具、滚轮架、回转台等。这些设备的成套性差并且自动化程度低，不能适 应满足现在汽车工业的发展。进入九十年代后，由于国内厂商大量引进国外的先 进焊接设备，这就使得国内的焊接生产装备无论是在在自动化程度还是在生产质 量方面都有了很大的提高。虽然焊接机器人的引进对国内的汽车行业起到了重要 作用，但是，也对国内焊装设备生产的厂家造成了巨大的冲击。由于国内外汽车 行业的竞争激烈，但是却又不使用国产焊接设备进行试验，国内汽车生产厂家大 都成套的引进国外焊接设备，使得国内焊接装备生产厂家的水平与国外相比差距 是越来越大【5 l 。 1 3 国内外研究现状 现阶段，国内焊装设备生产厂家的工位设计能力、理念还远远没达到世界的 先进水平，并且，由于白车身焊接的工位工序多、设备间的运动关系比较复杂， 因此，一般来说都是采用机器人示教编程的方法束进行焊装工位设训引。但是， 示教编程的方法具有很多缺陷，主要有：必须在生产线现场进行设计编程，这 样对生产线的工作效率产生了严重的影响。经常会重复设计工位，使得生产线 的设计周期延长。示教编程不会有完善严格的工序和作业规划，使得投入生产 线工位设计的时间过长，从而影响了整条生产线的效率。 相似原理，信息技术以及仿真应用领域的相关技术共同构成了仿真技术的基 2 武汉理t 大学硕 学位论文 础。计算机系统，各种物理效应设备以及各种仿真器共同构成了仿真技术的工具。 以仿真技术的应用对象来分类，可以把制造业中的仿真分成四类：面向产品的 仿真面向制造工艺和装备的仿真面向生产管理的仿真面向企业其它环节 的仿真1 7 。 仿真技术目前已成为分析、研究各种复杂系统的不可或缺的工具，其中基于 白车身焊装线方面的仿真研究相对比较多，但是，这些研究都对物体模型以及运 动的精度要求不高。对于可视化仿真它是以验证生产线布局的合理性和调度方案 的可操作性为目的的i s 。机器人的工位比较复杂，并且它真是离散事件系统运动 仿真，导致仿真模型的形式相对来说比较复杂，仿真的运动精度要求比较高，而 且机器人焊装仿真与常见的调度性仿真模型是不同的，它除考虑调度策略外，还 要考虑其他各方面的问题：如焊点任务的分配、焊接路径的规划、焊钳焊点的位 姿、机器人放置的规划、机器人轨迹的规划、生产节拍和效率等等问题。 虚拟现实( v r ：v i r t u a lr e a l i t y ) 的发展，为人机交互界面提供了一种全新的发展 方向。目前，虚拟现实已成为了仿真技术发展的新方向1 9 。由于计算机技术，尤 其是c a p e ( c a p e ：计算机辅助生产工程) 技术的快速发展应用，工程人员能在 计算机上实现机器人工位的仿真规划，这样不仅大大节约了设计的时间成本，而 且几乎是所有的问题都能在计算机上发现，改正。这样也就降低了隐含的安全问 题的可能性，也就间接的节约了生产成本f l o 】。 目前，国内外在使用工艺规划仿真类软件的应用技术水平上的差距还很大。 在国外，一些汽车公司早已经开始把数学规划、虚拟仿真技术与自己公司的产品 结合起来，开发了适合自己公司的仿真规划软件【1 1 1 。但是在国内，本土的汽车公 司在这方面的应用还很少。 现阶段，由于国内的汽车公司大都使用国外引进的机器人工位解决方案以及 配套的现场调试方法，这样使得，关键性技术全都被国外的企业所掌握f l 副，这样 对国内企业自身竞争力的增强是极其不利的。因此，机器人的工位建模与仿真成 为国内众多白车身焊接装备制造企业研究的重点，同时，由于它还具有典型性， 对于白车身的研究成果也适用于其他方面，如集装箱外壳等等其他一些能够用机 器人焊接的生产线，因此本文的研究成果具有一定的社会、经济效益。 3 武汉理t 大学硕 学位论文 第二章焊装线点焊机器人工位分析 车身焊装生产线的装备结构与生产规模是密切相关的。在小批量生产中，只 有少量的夹具。随着批量的增大，焊装工作变为流水式，车身总拼是在多工位流 水焊装生产线上完成的，每个工位都各有一套央具，机械运输装置传送工件。若 是大批量生产，自动生产线上还使用焊接机器人，以适应快节奏、高效率的生产， 保证稳定的焊接生产质量。但是总的来说，焊装线的最基本单元还是一个一个的 工位，因此进行工位分析是很有必要的。 2 1 白车身结构分析 出于不同的目的、要求，汽车的种类多种多样，因此车身的结构形式也是各 不相同。特别是随着科学技术的高速发展，设计经验日益丰富，在结构上不断推 陈出新。虽然结构具有继承性，但是新老结构形式交织在一起我们难以统一给以 命名，这样就给人们分l - j ，1 1 1 类的认识研究他们带来一定的困难。尽管也可以按照 用途和所用材料来进行分类，但是，以车身承载形式来分类可以认为是明确、合 理的。 按承载形式不同，可将车身分为非承载式、半承载式和承载式三大类。 一、非承载式 货车( 微型货车除外) 与在货车二类、三类底盘的基础上改装而成的大客车、 专用车和绝大部分高级轿车，都是装有单独车架的，此时车身系安装在单独的车 架上，当汽车行驶在崎岖不平的路面上时，车架产生的变形都被连接车身、车架 的橡胶挚吸收羽，车架承担了大部分的载荷，因此，非承载式车身应是不承载的。 但事实上，车架并不是绝对刚性，所以车身仍然要承受一定的由车架的变形所引 起的载荷。非承载式车身也称为有车架式，它的主要结构形式可分为图2 1 所示 的几种： 4 武汉理工大学硕士学位论文 二、半承载式 半承载式车身是一种过渡性的结构，其下部还保留有“车架”，但是它的强 度、刚度要略低于非承载式车身的车架，为区别起见，一般将之称为“底架”。 之所以它被称为半承载式，是因为其车身也分担了部分载荷，半承载式车身主要 在大客车上使用。半承载式车身的主要结构特点是：车身下部与底架组成整体， 车身也可以承担一部分载荷。 三、承载式 为了进一步减轻汽车的自重，在大客车和轿车上使用承载式结构。根据汽车 车身上、下受载程度的不同，又可以将承载式分为基础承载式和整体承载式。 本文研究到车型的车身是属于承载式的，其白车身结构见图2 2 所示。承载 式车身的结构以及工艺应该使白车身满足整车的强度、刚度要求。如若车身刚度 不足，将会引起白车身结构的变形，比如：门框，发动机舱等等。低刚度的车身 的固有震动频率低，这样容易引发结构的共振，消弱结构接头的强度。再则，这 样还会影响到底板上零件的相对位置，影响其使用性能。强度不足，还会引起部 件的疲劳断裂。因此对车身材料和焊装工艺的要求相应的都会比较高 2 2 整车工件分析 图2 2 车身结构图 从制造以及工艺的角度来考虑，可以把承载式车身分为几个分总成，先把钣 金件焊接成分总成，然后再组焊成完整的白车身。本文研究的车型为承载式车身， 其构成见图2 3 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 车身的构成 2 2 1 前地板总成工位分析 前地板总成与左右侧围相连，同时前面连接前围，后面连接着后地板，构成 整车驾驶室的基础，前地板总称由前地板，座椅固定支架，加强板等构成，本文 研究的前地板结构如下图2 4 所示。 前地板总成用整体式成型与点焊拼装相结合的方法来制造，能够获得较好的 制造精度，保证整个车身的制造质量。前地板是前地板总成其他部件的焊装基础， 是整体式成型的。有效的简化了前地板结构，降低设计，生产成本。 前地板中的各个部件都是各有其作用的，比如：前排座椅后固定支架是用来 固定前排座椅的，e p s 支架是用来安装转向e p s 的，换挡机构固定座板是用来安 装变速器操纵机构的，副仪表台右支架是用来固定副仪表台下部的。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 41 5 图2 4 前地板结构 l 前地板2 前排座椅固定支架2 板3 前排座椅后固定支架1 板4 前地板左 纵梁加强板5 前地板左纵梁加强横梁6 前地板左纵梁7 副仪表台左支架8 换挡机构固定座板9e p s 支架1 0 仪表板横梁下固定支架1 l 前地板右纵梁加强 横梁1 2 前地板右纵梁1 3 副仪表台右支架1 4 前地板右纵梁加强板1 5 前排座椅 固定支架4 板1 6 前排座椅后固定支架5 板1 7 手制动固定挡板1 8 手制动操纵 机构固定板1 9 手制动固定支架2 0 前排座椅固定支架3 板2 1 消声器支架】板 2 2 前排座椅前固定横梁 2 2 2 后地板总成工位分析 后地板总成是后部乘员座椅的支撑部件，同时也是电池的安装主体。本文研 究的后地板包括左( 右) 后纵摆臂支架组件，左( 右) 纵梁后段板组件，后地板 左纵梁组件，后地板右纵梁组件，梁架组件等等，见图2 5 所示。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 1 21 11 0 9 8765 4 图2 5 后地板结构 l 后地板右纵梁后段板2 后地板右纵梁前段板3 右后纵摆臂固定支架4 后地板 右纵梁5 右后悬挂弹簧座板6 右后悬挂弹簧上座7 后横向稳定杆支架8 后横向 稳定杆支架加强梁9 后地板右纵梁后段1 0 拖钩安装支架板1 1 托钩1 2 后围外 板1 3 后围内板1 4 后座椅右支架1 5 后地板1 6 后座椅左支架1 7 后地板左纵梁 后段1 8 左后悬挂弹簧座板1 9 左后悬挂弹簧上座2 0 后地板左纵梁2 l 左后纵摆 臂固定支架2 2 后地板左纵梁前段板2 3 前地板左纵梁后段板2 4 后地板前部加 强板 后地板总成与前地板总成一样，用整体式成型与点焊拼装相结合的方法来制 造，能够获得较好的制造精度，保证整个车身的制造质量。后地板是后地板总成 其他部件的焊装基础，是整体式成型的。这种设计方式能有效的简化后地板结构。 后地板总成中的后地板前部加强板起到连接前后地板，并且加大后地板刚度 的作用；左( 右) 后悬挂弹簧座板是用来安装定位左右减震弹簧的，焊接精度要 求高：后地板左纵梁后段板、后地板左纵梁前段板、左后纵摆臂固定支架、后 固 武汉理工大学硕上学位论文 地板左纵梁、左后悬挂弹簧上座共同组成了后地板左侧加强部分；后地板右纵梁 后段板、后地板右纵梁前段板、右后纵摆臂固定支架、后地板右纵梁、右后悬 挂弹簧上座共同组成了后地板右侧加强部分；后座椅左支架、后座椅右支架是用 于安装后排座椅的。 2 2 3 顶盖总成 顶盖是整车顶部的遮盖部件，起保护车内乘员安全，并且为车内乘员提供一 个舒适的内部环境。项盖是车身的外表面件，要求的制造精度很高。顶盖总成为 见图2 6 所示 2 3 4 5 图2 6 顶盖总成 1 顶盖外板2 前风窗上横梁3 顶盖加强横梁4 后背门玻璃铰链加强板5 顶盖后 横梁 顶盖是用整体式成型。前风窗上横梁、顶盖加强横梁、后背门玻璃铰链加强 板、顶盖后横梁拼焊在顶盖外板上。 2 2 4 前围总成 前围总成是驾驶员操作部件，如转向机构，制动机构，加速机构等的基础支 撑部件，是整车主线束的安装部件，同时也是隔音材料的主要支撑部件。本文研 究的前围总成主要包括前围板、前围板左加强板、前围板右加强板、离合踏板加 强板、雨刮器安装左加强板、雨刮器安装右加强板、真空助力安装加强板等。其 结构见如图2 7 所示。 tp，l ， 霭。娥。l， ；i 武汉理工人学硕士学位论文 图2 7 前围板总成 1 前围板2 前地板加强板3 前围板右加强板4 转向管柱下座板5 转向器左支架 6 固定板7 转向器右支架8 前围上盖板内板9 前围板左加强板1 0 前围上盖板外 板1 1 前围上盖板加强板1 2 雨刮器安装右加强板1 3 真空助力安装加强板1 4 离合踏板上安装支架1 5 内饰左支架21 6 内饰左支架11 7 空调上左支架1 8 空调 右上安装支架1 9 内饰右支架12 0 内饰右支架22 1 空调下安装支架2 2 雨刮器安 装左加强板 前围总成的各个加强板，如前地板加强板、前围板右加强板等；各个功能件， 如转向器右支架、空调右上安装支架等这些拼焊在前围板上。他们共同构成前围 板总成。 2 2 5 机舱总成 机舱总成是整车中用来安装电机，变速器，电池，控制器等的主要支撑部件， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 同时由于发动机是整车中的噪声的主要来源，所以机舱总成焊接质量的好坏直接 关系到整车噪声高低的问题，也就是直接影响到整车的乘坐舒适性。机舱左侧结 构图见图2 8 所示。 1 1 1 0987654321 图2 8 机舱总成 1 发动机横托架左固定座螺母板2 发动机横托架左固定座3 前保左下支架 4 发动机横托架左固定座加强板5 发动机左支撑固定支架6 左横摆臂固定支架 7 左横摆臂支架内侧板8 左横摆臂支架外侧板9 前地板左纵梁前段加强板1 0 前地板左纵梁前段板1 1 左前轮罩板1 2 左前悬挂上固定座板加强板1 3 左前悬 挂上固定座板1 4 左前纵梁1 5 左前大灯前安装支架1 6 左前大灯安装固定板1 7 左前纵梁前横梁安装板1 8 左轮罩补板 与前面介绍的各个总成不同，机舱总成是采用各个零件逐个拼焊得来的。这 是由于机舱总成的结构复杂，不适合采用整体式成型的方法来生产。本文研究的 机舱总成包括：左前悬挂上固定座板，是用来安装固定前悬挂弹簧的；左前大虹 前安装支架，是用来安装前大灯的。机舱右侧结构与左侧结构类似，在这里不再 赘述。 2 2 6 侧围总成 侧围总成包括左侧围总成与右侧围总成。它是整车的外观件，其焊接质量的 武汉理t 大学硕士学位论文 高低直接影响了整车的外观质量。同时它也是整车乘员空间的主要构成部件。左 侧围总成的结构图为如图2 9 所示。 2 32 42 52 62 7 2 82 93 03 13 23 33 4 2 2 2 1 2 0 1 9 1 8 麴 j j 1 图2 9 左侧围总成 1 左前翼子板上安装梁2 左前立柱内板下段板3 仪表台横梁安装左加强板4 仪 表台横梁安装左后板5 左前立柱上铰链螺母挡板6 左前立柱下铰链螺母挡板7 前立柱内饰安装左支架8 雨刮器左安装板9 左门槛加强板1 0 左门槛内板1 1 左侧围外板1 2 左后轮罩外侧板1 3 左侧后围内板1 4 左后轮罩内侧板1 5 后侧围 内饰支架16 后侧围内饰支架21 7 侧围内饰左安装支架31 8 背门左门框外板1 9 后背门左侧门框内板2 0 后背门锁左安装板2 1 左侧后围内板上加强板2 2 左侧 安全带下固定座板2 3 左侧安全带卷收器固定座板2 4 后保左支架2 5 后保左挂 钩2 6 左侧安全带上固定座板2 7 左前风窗立柱内板2 8 左车门锁扣加强板2 9 左前门框上梁前加强板3 0 左前立柱铰链加强板3 1 左前立柱上铰链螺母板3 2 顶盖加强横梁左安装座板3 3 左侧围内板加强3 4 仪表台横梁安装左前板 左侧围总成是采用的整体式成型的。然后左前翼子板上安装梁、左前立柱内 板下段板、左后轮罩外侧板等各个零件拼焊在侧围外板上。前立柱内饰安装左支 架是用来安装内饰的，雨刮器左安装板是用来安装雨刮器的，左侧安全带卷收器 固定座板是用来安装安全带的，还有一些钣金件，如左车门锁扣加强板、仪表台 横梁安装左加强板等，在总成中是起加强作用的。 右侧围总成的结构与左侧围的类似，在这里不再赘述，右侧围总成的结构见 图2 1 0 所示。 武汉理工大学硕寸：学位论文 2 3 焊装工艺分析 图2 1 0 右侧围结构 焊装车间的主要任务是将成型的钣金件、标准件等通过工装夹具定位，再用 焊接设备焊接装配成一个总体白车身【1 4 1 。轿车车身的装焊则是按照一定的先 后顺序来进行的，本文研究的白车身焊装线的工序为，第一，将要进入生产线的 所有零部件都视为是合格的。焊接以前把待焊的零件、组件以及部件等都按照特 定的要求进行严格检验，不合格的不能进入生产线。第二，按照焊装工艺卡片的 要求把钣金件放置在夹具上为焊接工序做准备。第三，严格按照焊接工艺卡片的 要求，依次在各个夹具上完成焊接工作。第四，对于各个工位上出现的问题，要 在补焊工序中进行补焊。保证在进入总拼工序之前的各个总成是合格的。第五， 对于总拼完成白车身，要有检验工序】，保证最终出厂的每一台白车身都是合 格的。 对于白车身焊装主线的设计，首先是要分析设计的任务书，充分认识工艺的 需要、钣金件的结构特点以及生产线的布置等等，并以此为依据，结合生产纲领， 来制定最佳综合焊装生产工艺，保证焊接的质量并且降低劳动的强度。一般来说， 设计焊装主线主要有以下几个方面的原则要遵循：全部将要进入生产线的零件 都要保证是合格的；保证生产能力、焊接质量与焊接工艺性，必要时安排补焊 工位；考虑安全措施；必要时可采用柔性可调焊接设备，并预留备用工位， 以适应多品种或工艺变化需型1 6 】。 总体来说，白车身焊装主线的生产规模与生产能力的确定，应该以将要焊接 的白车身的类型为依据。同时，在很大程度上它也能从侧面反映出白车身生产厂 武汉理t 大学硕士学位论文 家的技术水平高低。从另一方面来讲，为了提高焊装的生产效率，就要充分合理 的利用有限的空间来合理布置焊装工位。 在白车身的焊接生产过程中，焊装夹具的作用是非常重要的。通常，在自车 身的焊接生产过程中使用夹具不仅仅能够很好的保证焊接生产的质量，而且能够 提高生产效率。通常，设计夹具要以被焊总成的形状、工艺以及夹持方法为依据 来制定夹具设计的结构形状和制作技术要求的方向n7 1 。为了制造出合格的车身， 我们在对上述工位划分、焊接方法、焊接夹具综合考虑的基础上，还应对车身焊 装车间工艺布局提出高质量、高效率、减少成本地整体规划。本文中研究的生产 线的布置见图2 1 1 所示。 图4 1 1 生产线布置 1 4 武汉理t 大学硕f 学位论文 第三章焊装资源分析 白车身焊装线的设备构成与生产的规模是密切相关的。在单件小批量的生产 中，对生产线的自动化程度不作要求。随着生产规模的增大，生产方式变为流水 式，焊装生产就是在多工位流水式焊装生产线上完成的，各个工位都有各自的一 套夹具，机械运输链传输工件。若是生产规模再次扩大，变为大批量生产，还需 要引进机器人自动生产线，以保证高效率的生产以及稳定的生产质量。 车身焊装生产线主要由焊装工位夹具、点焊机、焊装机器人以及机械输送系 统构成。 3 1 焊装工位夹具 3 1 1 焊装夹具基本要求 夹具的设计要求能够保证汽车车身的生产质量，焊接工作的可操作性，焊接 质量的稳定性，因此在夹具设计之前，要充分认识汽车车身的设计的基准，夹具 设计的坐标系要与车身的设计坐标系保持一致n 钔。汽车车身坐标系为如图3 1 所示。 图3 1 汽车车身坐标系 汽车车身的三维空间坐标系定义为：坐标系原点为汽车前轴的中心，x 轴为 前后方向，并且其正方向指向车身的后部：y 轴为左右方向，并且其正方向指向 车身的右方；z 轴为上下方向，并且正方向向上。汽车车身坐标系的定义是为了 1 5 武汉理丁大学硕十学位论文 能准确的定位车身上的任一点的空间位置而构造的笛卡儿直角坐标系n 引。在本文 中，只要是涉及到空间坐标系的，都是以此为标准。 为了保证车身的焊接质量，尤其是在装配过程中非常重要的装配孔以及工艺 孔的尺寸及其相对位置关系，使用设计合理的焊装夹具来控制车身焊装精度是非 常必要的。白车身焊装夹具的作用主要有如下三点：白车身是由三百多个钣金 件，经过零件到组件，再到合件，再到分总成，最后拼焊成白车身。在自车身焊 接过程中夹具就是保证所有的钣金件都能够准确定位，定型并且夹紧，进而能够 确保焊接后每个零件都能保持在正确的位置，确保车身外形以及各种功能尺寸的 正确性。确保焊接工艺可以正常平稳进行：在白车身的焊装过程中不仅仅要求 保证装配精度，而且还要求符合焊接工艺的规范，只有通过使用符合一定的精度 要求的焊装夹具，才能够确保零件在焊装过程中的位置关系，才能确保焊接生产 的顺利进行。采用合理规范的焊装夹具能够极大地提高焊接生产效率，减轻劳 动的强度，保证焊装生产的质量啪1 。 目前，设计、制造汽车白车身焊装央具都还没有一个统一的标准，绝大部分 都还是单件设计、制造。虽然各个车型的央具都是以这个车型本身的特点、生产 条件以及生产纲领来设计和制造，但是所有车型的夹具在功能要求与结构组成上 都是有一定共性的。考虑到汽车白车身的钣金件的特点，白车身焊接夹具是有它 自己的特点的，它的主要特点为如下： 1 汽车的型号和品牌繁多，因此各自的白车身结构也是各不相同的，其次， 他们各自对夹具的形式、自动化程度等等的要求都是不一样的，因此在设计夹具 的过程中对白车身的结构要求是有很大不同的，这样也在无形之中加大了夹具设 计的工作量。 2 目前，汽车白车身焊装夹具的设计、制造都还没形成标准化与系列化， 大量非标准的设计、制造对于品种繁多的汽车夹具来说，已经不符合时代的要求。 因此，对现有的夹具进行标准化与系列化，并且建立专门的夹具的零部件库是非 常有必要的。 3 在焊接过程中，由于钣金的自身的变形或焊接变形，可能会导致焊件不能 顺利从夹具上取出来，因此在设计与制造夹具时，除了要考虑到钣金件的自身变 形，还要求考虑到钣金件的焊接变形，要确保每道工序都能顺利的进行。 4 要能够确保白车身焊接后各部分都有符合要求的的位置精度以及尺寸精 度。 5 夹紧可靠，刚性适当。要求在夹具夹紧时不能破坏钣金件的定位位置以及 几何形状，也不能损伤钣金件的表面。 6 要求在合适的位置要增设移动导向机构与举升翻转机构，使外形较大或复 1 6 武汉理工大学顽十学位论文 杂的钣金件取放方便， 7 为了避免冲压件自身的变形以及夹具在制造过程中存在的误差，这就要求 焊接夹具有一定的可调性。 3 1 2 夹具的基本构成 汽车焊接央具主要由央具基板、定位装置、夹紧机构和一些辅助机构组成 1 ) 央具基板 夹具基板是焊接央具的基础，夹具的其它部分都是建立在基板上的，基板的 精度直接影响到焊接央具的精确度，因此，对基央具板的精度有着非常严格的要 求。基板上表面画有基准线，基准线是用于夹具自身的测量以及准确定位。 2 ) 定位装置 白车身焊装夹具的定位装置是用来确定钣金件之间的位置关系以及装配关 系。定位装置一般可分为定位销与定位面两种：定位销又分为固定销、气动伸缩 销、插销等；定位面一般是根据待焊钣金件定位处的型面做成的定位块。 3 ) 夹紧机构 汽车自车身焊接央具的夹紧机构是为了固定焊接钣金件，防止点焊时因点焊 机作用力太大而导致的钣金件错位变形。夹紧机构可以分为手动、气动夹紧机构 两种，在实际生产中，为了保证正常生产，一般把手动夹紧机构和气动夹紧机构 结合起来使用。 4 ) 辅助机构 为了能够让夹具更加方便的用于实际生产，夹具还有三种辅助机构，如翻转 机构、旋转系统、测量机构等。 3 1 3 夹具的设计步骤 在设计夹具之前，首先，要清楚的认识白车身的结构特点，第一步明确生 产纲领以及焊装线的初步生产规划，明确焊装线的初步规划。然后，在认识了解 国内外夹具先进生产方法的基础之上，再结合本公司的实际情况，设计出总体的 规划方案。 根据本车型的白车身数据以及焊点的规划情况，设计出焊接规划树状图， 同时结合生产的总装工艺，设计出合理、规范的定位方式以及压紧方式。 根据夹具的焊点规划以及焊装线规划来确定出夹具的辅助设备以及公共 动力的问题。 保证焊装夹具的整体坐标与设计坐标保持致，也就是说在从设计到制造 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 的整个过程中都要保持基准的统一，这样既能保证高精度，同时也能缩短制造周 期，降低成本。 3 1 4 生产节拍 汽车生产制造过程的四大工艺包括：冲压、焊装、涂装、总装。根据生产纲 领确定生产节拍。不同的生产纲领，将会导致整个生产工艺的规划不同，包括车 间布局、设备选用、自动化程度等等一系列的问题都会因此而发生变化曙。该公 司的电动汽车，计划年产量为5 万台，由以下公式可以计算出生产节拍： r = 全年工作同x 每日班数x k ，x k ，纲领 式中：k ：工时利用率，本文取k ，= 0 9 k ，：设备利用率，本文取k ，= 0 8 计算可得：r = 3 0 0 x 1 8 x 6 0 x o 9 x 0 8 5 0 0 0 0 = 2 0 7 3 6 ( 分钟) 工位生产周期包括很多方面，具体的如图3 2 所示：同时还要求保证各个工 位上整个生产周期要小于生产节拍。 图3 2 工位生产周期 由实践验证，在实际操作中，焊接操作一般只占整个焊接时间的3 0 - - 4 0 ， 但是其他的辅助工作占据了大部分的时间，因此，要想提高焊接生产效率，可以 从央具的布置，夹具操作的方便性，焊装线的均衡化等等这些方面来缩短非焊接 时间以优化焊装生产线，从而提高生产效率啪1 。 3 1 5 夹具设计 一直以来，尺寸偏差都是汽车企业的噩梦，由于尺寸偏差是不可避免的，由 于它的存在给汽车生产企业造成了巨大的损失，尺寸偏差不仅使零部件不能发挥 出预期的功能，而且会增加零件的废品率，增加汽车企业的生产成本。在整车的 匹配中，尺寸偏差所引起的麻烦就更大了，而且要查出问题的原因又是非常困难 武汉理t 大学硕士学位论文 的，这就给汽车生产企业带来了更大的麻烦。正是因为如此，保证尺寸精度对于 汽车企业来说就显得尤为重要，是每一个汽车企业所追求的目标。那么到底谁才 是保证尺寸精度的主角? 人们往往认为是生产和质保部门的问题，设计研发部门 只要求完成理论，概念设计就大功告成了。而事实证明，这是不完全正确的。 随着生产制造水平的提高以及行业内精英人士的思想观念的改变，保证尺寸 精度这个直以来的任务已经不再仅仅是生产、质保部门的责任，而是要从设计 之初就应该要考虑到尺寸精度的问题。 出于这种思想，r p s 乜现系统提出了，并投入到世界各大汽车厂商中去。在大 众公司，r p s 系统被制成公司标准v 1 】| 1 0 5 5 并且从奥迪a 4 这个车型开始，公司的 每份图纸都必须填写r p s 表格，由此可以看出r p s 系统对汽车企业的重要性。 一r p s 系统的作用主要有以下三个方面： 1 r p s 系统的统一基准原则能有效避免基准点的改变，这样能减少零件定位的尺 寸公差。 例如：在板件上要钻两个孔，分别为孔b 、孔c ，这两个孔要与其它零件上 的销钉相配合，要求公差尽可能小。 另外在零件上还要钻出孔d 。下面分别用两种不同的方式来加工： ( 1 ) 加工时基准点发生变换见图3 3 所示 步骤1 用孔a 作定位孔来钻出孔b 与孔d公差a b = 0 1a - d = 0 1 步骤2 用孔d 作定位孔来钻孔c公差d - - c = 0 1 图3 3 基准变化 孔b 、孔c 的距离公差 a b = 0 1 a d = 0 1 d c = 0 1 b c = 0 3 ( 2 ) 加工的时后基准不变见图3 4 所示 步骤l 用孔a 作定位孔来加工孔b 与孔d 公差a - - b = o 1a - d = 0 1 1 9 武汉理t 人学硕士学位论文 步骤2 板件还用孔a 作为定位孔来加工孔c 公差a c = 0 1 图3 4 基准不变化 孔b 、孔c 距离公差结果 a b = 0 1 a c = 0 1 b c = 0 2 通过以上两种情况的对比，我们能够知道，加工孔c 的时候，保持基准孔不 变能有效减少尺寸公差。由以上的例子可以知道，要保证在加工过程中基准孑l 不 变，在生产加工前必须要规定好基准点。严禁各部门在加工生产中随意找基准点 工作2 副。 2 避免使用模板。 由于使用模板具有较大的局限性，并且增加了加工时间。因此，工装用r p s 点调准之后就能够直接进行加工。模板不再作为辅助的定位工具。 3 模具、工装、检具的定位点都是r p s 点。 要保证模具，工装，检具都严格按照r p s 点来设计加工，以此来实现统一 定位规则。这一点是r p s 系统中最重要的作用。 二r p s 系统的五大规则 为了使r p s 系统在实际当中发挥作用，必须遵守五条规则，分别为见图3 5 所示 图3 5r p s 的五大规则 武汉理工大学硕士学位论文 下面就这五个规则进行了分别描述。 1 3 - 2 - 1 规则 一个刚体共有6 个自由度，分为平移和转动。必须要限制住它的6 个自由 度，才能使刚体保持在平衡状态。按照3 2 一l 规则，使刚体保持在平衡状态至 少要6 个定位点，其中在z 方向上有3 个定位点；在y 方向上有2 个定位点； 在x 方向上有1 个定位点。这些定位点就就被称为r p s 点。3 2 1 规则就是由 此而来。 对没有孔的零件来说，是必须要有6 个r p s 点的。而对于有孔的零件来说， 往往将孔设为r p s 点。一个圆孔能限定住2 个自由度，见图3 6 所示。图中给 出的r p s 点限定了3 个自由度。r p s 的标注方式为见图3 7 所示： j ，# 1 、l 磁】- f l 。5 泌；x ，y ，if e 阱j ， i 觞 z ， 伍窀 个 约囊 憾筠肼职z 铲 乃 怍却丽义 ， 幅蚁度 个讫由运积自个 | 两 ，一 制限 l 7 彳圆个 一6& 图 武汉理工大学硕士学位论文 r r p s3 r p s 4f z 图3 7r p s 的标注方式 但是对于表面积大的、刚度不足的零件在保障了3 - 2 - 1 的规则的前提下，还 需要有附加的定位点才能保证零件的平衡状态。 3 2 一l 规则能够适用于任何形状的零件。但是任何规则都有例外，见图3 8 所示的三种情况与3 - 2 - 1 规则相悖。 图3 8 不适用的情况 2 “坐标平行规则 零件的放置必须要能保证在测量以及加工时能得到精确的结果。下面就来对 比两种不同的定位系统，以此来分析说明它的重要性。两种不同的定位系统见图 3 9 所示。 ，臃 肛 位边，o 定棱强麓捌用定嚏 膊嘲，点论 孔乎瑗瑶 = = = 心巳 l 拶 1s ， n r ， 殴 z甲；上 一 武汉理工大学硕士学位