（机械电子工程专业论文）白车身装焊夹具的设计及点焊机器人的焊接仿真.pdf

摘要 摘要 白车身焊接技术是提高整车产品质量和生产效率的关键技术，白车身焊接质 量的优劣对整车质量起着决定性作用。同时，车身对整车产品的设计在艺术美学、 人机工程学、燃油经济性和行驶安全性等方面有重要的影响。白车身装焊夹具正 是保证白车身焊接高质量的关键。 本文研究的是白车身左前纵梁轮罩分总成的装焊夹具设计，这是轿车的白车 身装焊夹具设计工作中重要的一部分。本研究首先介绍了白车身的特点，对装焊 夹具的特点和设计要求做了详细介绍，这两部分的内容是白车身装焊夹具设计的 基础。由于夹具设计的最后目的是为了焊接，因此本文对白车身焊接中最常用的 点焊技术做了详细介绍，对凸焊、螺柱焊等技术做了一定介绍。 本研究的重点之一是对左前纵梁轮罩分总成进行三维夹具的设计。本研究首 先分析了夹具设计方案的评价依据，并在设计经验的基础上总结出夹具设计的逻 辑结构，以此为设计指导，在分析了左前纵梁轮罩分总成的结构之后，设计出两 个不同的装焊夹具解决方案，并对这两种方案进行了对比分析，对实际采用的方 案的设计重点进行了结构分析，同时对焊钳的设置原则进行了介绍。整个夹具的 三维设计过程体现了柔性装焊生产思想。 本研究的另一个重点是对已完成的三维夹具进行二维设计，包括基准图的绘 制和元件的尺寸标注。基准图详细描述了工件的定位点，因此，对夹具的设计有 重要的参考意义。二维尺寸标注部分不但详细具体介绍了尺寸、公差的标注的原 则、方法，而且用具体、有代表性的例子进行了详细说明。在最后给出了生产加 工的工艺要求。 本研究中采用的装焊夹具设计方法也可以对白车身其他工件进行装焊夹具设 计，具有一定的通用性。 本研究的最后一个重点是点焊机器人的焊接仿真。分析了目前点焊机器人路 径规划问题中典型的旅行商问题，指出点焊机器人的焊接路径规划有三个影响因 素，其中对路径规划影响最大的是机器人自身的原因，因此重点对机器人本身进 行控制。本研究设计了机器人补焊一个焊点的运动路径，运用r o b c a d 设计并运行 一个仿真实例证明了该路径的合理性。 关键词：白车身，焊接，装焊夹具，柔性设计，焊接仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t b o d y - i n - w h i t ew e l d i n gt e c h n o l o g yi s t h ec r u c i a lt e c h n o l o g yi nt h ep r o c e s so f i m p r o v i n gt h ew h o l eq u a l i t ya n de f f i c i e n c y , t h ew e l d i n gq u a l i t yi sg o o do rn o ta c t s c r u c i a lr o l et ot h ec a r q u a l i t y c a r - b o d yh a ss i g n i f i c a n te f f e c t so nc a r - e s t h e t i c s ，h u m a n f a c t o r se n g i n e e r i n g , f u e le c o n o m ya n ds e c u r i t y w e l d i n gf i x t u r e sf o rb o d y - i n - w h i t e a r et h ek e yf a c t o r st og u a r a n t e et h eh i g hw e l d i n gq u a l i t y t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt h ew e l d i n gf i x t u r e sd e s i g nf o rs u b a s s e m b l yo fs i d e m e m b e ra n dw h e e l h o u s ef r o n tl e f t h a n d ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ew e l d i n g f i x t u r e sd e s i g n s f i r s to fa u ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i co fb o d y - i n - w h i t e , a n d g i v e st h ed e t a i li n t r o d u c t i o n st ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i r e m e n t so fw e l d i n gf i x t u r e s ， w h i c ha r et h ef o u n d a t i o n sf o rw e l d i n gf i x t u r ed e s i g n t h ep u r p o s eo fu s i n gw e l d i n g f i x t u r e si st of i n i s ht h ew e l d i n gt a s k ，s ot h i st h e s i sg i v e sad e t a i li n t r o d u c t i o nt ot h es p o t w e l d i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sc o m m o n l yu s e di nb o d y - i n - w h i t ew e l d i n gp r o c e s s ，a n d t h e ng i v e ss o m ei n t r o d u c t i o n st oo t h e rw e l d i n gt e c h n o l o g i e s o n eo ft h em a i nt a s k si i lt h et h e s i si st od ot h e3 dw e l d i n gf i x t u r e sd e s i g nf o r s u b a s s e m b l yo fs i d em e m b e ra n dw h e e l h o u s ef r o n tl e f t h a n d t h et h e s i sa n a l y z e s a s s e s s m e n tb a s i sf o rt h ef i x t u r e sd e s i g n , a n ds u m m a r i z e st h el o g i cs t r u c t u r eo nt h eb a s i s o fd e s i g ne x p e r i e n c e t w od i f f e r e n ts e t so fw e l d i n gf i x t u r e sa r ed e s i g n e da f t e rt h e s t r u c t u r ea n a l y s i st ot h es i d em e m b e ra n dw h e e l h o u s ef r o n tl e f t - h a n d a f t e rt h e c o n t r a s ta n dt h ea n a l y s i st ot h et w os e t so f w e l d i n gf i x t u r e s ，t h es t r u c t u r ea n a l y s i st ot h e o n ei i lu s ei sd e e p l yi n v e s t i g a t e d t h e n ，t h ep r i n c i p l ea n dt h em e t h o d so fs e t t i n gw e l d i n g g u n sa r ed i s c u s s e d f l e x i b l ed e s i g np h i l o s o p h yi su s e dd u r i n gt h ew h o l e3 df i x t u r e d e s i g np r o c e s s a n o t h e rt a s ko ft h et h e s i si st od ot h e2 dd e s i g no ft h e3 df i x t u r e s ，w h i c hi n c l u d e s t h er e f e r e n c em a pa n dt h ed i m e n s i o n i n gt ot h ep a r t s r e f e r e n c em a pi so fg r e a t i m p o r t a n c ea si tc o u l ds h o wt h el o c a t i n gp o i n t sc l e a r l y n o to n l yw e r et h ep r i n c i p l ea n d t h em e t h o d so ft h ed i m e n s i o n i n gd i s c u s s e db yd e t a i l ，b u tt h ec o n c r e t ea n dt y p i c a l e x a m p l e sw e r ea l s oi l l u s t r a t e dh e r e a n dt h et e c h n i q u er e q u i r e m e n t sa r eg i v e ni nt h e e n d i i 釜里!兰!：!一 _ _ _ _ _ _ 一一 t h ew e l d i n gf i x t u r e sd e s i g na p p r o a c hd i s c u s s e di nt h i st h e s i sh a ss o m eu n i v e r s a l i t y , w l l i c hm e a n st h ea p p r o a c hc o u l da l s ob eu s e dt od e s i g nf i x t u r e sf o ro t h e rp a r t so ft h e c a r t h et h i r dt a s ko ft h et h e s i si st od ow e l d i n gs i m u l a t i o no fs p o tw e l d i n gr o b o t s t h e m e s i sa n a l y s e st h em e t h o d s o ft r a v e l i n gs a l e s m a n p r o b l e ma r i t h m e t i c ，w h i c h i s n o w a d a y sat y p i c a la r i t h m e t i ci nt h ew e l d i n g r o u t ep l a n n i n gf i e l d s t r a v e l i n gs a l e s m a n p r o b l 锄a r i t h m e t i c ，t o g e t h e rw i t hak i n do f c o m m e r c i a ls o f t w a r e ，r o b c a d ，c o u l dd oa g o o dj o b i ns o l v i n gt h ep r o b l e m so nt h ew e l d i n gr o u t ep l a n n i n go fs p o tw e l d i n gr o b o t s ， w h i c hi sp r o v e db yas i m u l a t i o ne x a m p l ed e s i g n e da n de x e c u t e di nr o b c a d k e y w o r d s ：b o d y - i n - w h i t e ，w e l d i n g , w e l d i n gf i x t u r e ，f l e x i b l e d e s i g np h i l o s o p h y , w e l d i n gs i m u l a t i o n i i 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。 繇盘殛 嗍厶萨月7 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) 签名：蝴导师签名：铷晒 日期：衣妒7 年参月，罗日 f 7 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 第一章绪论 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 日提供的最新统计，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【1 1 。 汽车白车身是汽车其他零部件的载体，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【2 】。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【3 】。白车身焊接质量的优 劣对整车质量起着决定性作用。同时，车身对整车产品的设计在以下方面有重要 的影响【4 _ 7 j ： 1 、艺术美学 由造型设计师和车身结构工程师协作完成的车身产品通过其优美的造型及协 调搭配的车身色彩向世人特别是消费者展现整车产品的魅力，给人以美感，而这 种美感将是刺激消费者购车欲望的直接因素； 电子科技大学硕士学位论文 2 、人机工程学 成功的车身及内饰设计能方便驾驶员的驾驶，增进人和车之间的和谐，提高 驾驶员和乘客的乘坐舒适性，增添驾驶的乐趣； 3 、燃油经济性 汽车在高速行驶时，空气阻力便成为汽车驾驶的主要阻力，而车身造型则是 决定空气阻力大小的主要因素。此外，汽车行驶所要克服的轮胎滚动阻力来自汽 车的自重，车身重量又是汽车自重的重要组成部分，因此，车身总成对整车的燃 油经济性有较大影响； 4 、行驶的安全性 良好的车身结构设计给驾驶员和乘客提供了安全的架乘空间。在发生事故时， 车身相关部分能充分吸收撞击的能量，降低人员所受的冲击。 因此，白车身焊接技术十分重要，它是提高产品质量和生产效率的关键。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟制造技术的发展与应用 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 1 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 go np 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，即利用计算 机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个制造过程，从而对产品的 设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务做出综合评价， 以增强制造过程各个层次的决策与控制能力。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。 利用虚拟制造系统可以进行两方面的仿真： 1 、产品全生命周期仿真：仿真产品的生命全程。在设计阶段，通过性能仿真、 2 第一章绪论 装配过程仿真，评价产品的实用性、宜人性和可装配性：在制造阶段进行可制造 性分析及工艺过程可行性分析；在使用阶段进行用户培训和维修性分析与评价。 2 、企业行为仿真：在真实制造过程发生之前，对生产的组织过程进行仿真、 评价虚拟企业内各伙伴的可合作性。 与真实制造过程相比，虚拟制造具有如下特征： 1 、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， 真实模型的近似程度。 从虚拟制造概念的提出到迄今为止， 其仿真的精度也不可能高于仿真模型与 它已成为世界各国科技界、企业界研究 的热点。世界上许多国家都将虚拟制造看作是2 1 世纪制造业变革的核心技术之一， 纷纷从不同方向开展研究。在美国，目前已形成了由政府、企业、大学组成的多 层次、多方位的综合研究开发力量。美国拖拉机公司用虚拟设计方法代替常规设 计方法，把原来从设计到定型所需的6 呻个月时间缩短到不足1 个月时间，而且 允许用户在虚拟环境下观察试验( f i e l dt e s t ) ，并在1 9 9 3 年获得虚拟环境应用奖。 福特公司用“f o r da l p h as i m u l a t i o n se n g i n e e r i n g 系统评价汽车装配，该系统把 c a d 系统所产生的文件送入虚拟现实系统进行装配，改进了很多设计上的不合理 因素。在日本，形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，进行了大量v m 系统 体系结构的基础研究和系统开发。近几年来，v m 技术也引起我国科技工作者的关 注，已开展了很多研究工作，据不完全统计，目前全国已有几十家科研机构、高 等院校和企业正在开展v m 技术方面的研究。国家8 6 3 c i m s 主题也将“制造系统 的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。 电子科技大学硕士学位论文 如今，随着先进的计算机理论和技术的不断应用，虚拟制造技术取得了的显 著发展，虚拟制造技术的应用成为汽车制造业提高竞争力的重要技术手段。 1 2 2 轿车车身的发展 轿车车身与底盘、发动机和电子电器设备一起构成轿车的四大总成。轿车车 身由车身本体( 白车身) 、车身内外装饰件和车身电气附件等部分组成，其中最重 要的是车身本体，即白车身部分。轿车车身生产有四个主要阶段：冲压、焊接、 涂漆和装配。白车身是指尚未进入涂漆和装配阶段之前的车身。 在汽车1 0 0 多年的历史中，汽车的任何部分都没有像轿车车身那样经历了这 么多的变化。作为轿车四大总成之一的轿车车身是当今各类高新技术发展的集中 载体，而国内外轿车生产的实践也一再证明轿车发展的关键主要就在轿车车身上： 轿车整车生产能力的发展取决于轿车车身的生产能力；轿车的更新换代也很大程 度的取决于轿车车身技术发展。轿车车身工业是目前世界汽车工业中研究最活跃 而发展又最迅速的一个领域。 轿车车身的发展史代表了白车身的发展史，它经历了从无到有、由不完善到 完善的过程。1 8 8 6 年，世界上第一辆汽车诞生，但几乎没有车身；1 9 0 2 至1 9 0 8 年，轿车车身仍多为敝篷式，但在轿车车身前面加了风档，并逐渐出现脱离了马 车车身结构形式的趋势，已出现金属车身；1 9 1 5 年生产的福特t 型车是典型的箱 型轿车，它确立了完整的轿车车身概念，确立了以后轿车的基本车身造型；1 9 2 5 年，承载式轿车问世，车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型覆盖件组成，这 种金属结构的车身一直沿用至今。轿车车身历史的转折时期是1 9 2 8 年当时美国 费城b u d d 公司运用了由大型冲压件组成的带门洞和窗洞的全金属的一项专利，用 薄钢板冲压出车身所有的构件并将各部分进行对焊，通过减少零件和连接件数量 大大减少了生产工序，降低产品成本；3 0 年代末至4 0 年代中期，由于二次世界大 战使得轿车车身研究工作基本上中断，许多国家轿车停止了生产，但军用吉普车 却得到大力发展；5 0 年代是轿车车身发展的黄金时期，工业美术设计的概念被提 出，承载式轿车车身得到广泛的应用并出现广“车身力学 这一概念，轿车车身 设计建立了较为完整的框架；探索轿车车身新材料是6 0 年代这一时期的主要特点， 诸如复合材料、铝合金材料以及工程塑料在车身中得到应用；随着计算机技术不 断进步，计算机技术在车身研发中的应用成为7 0 年代轿车车身领域的主题，c a d 技术的应用就是其中的代表；2 0 世纪8 0 年代以后，轿车车身各分支技术朝着更深 4 第一章绪论 入、更系统的方向发展：在车身材料方面，就金属材料而言，应用于轿车车身高 韧性的超高强度钢不断问世，并大量采用具有良好的防腐蚀性镀锌钢板，大量的 非金属材料已较成熟地应用于轿车车身，所占整个车身材料的比例也逐年增加， 出现了全铝车身和全塑料复合材料车身等。相关的加工工艺方法( 如冷冲压、特 种材料成型加工、各种形式的焊接、喷漆、电镀、塑料成形等) 也日新月异且不 断完善。轿车车身c a d c a e c a l v l 技术不断发展成熟，并逐步形成设计及制造 计算机集成系统，技术发展与应用使得现代轿车车身在各方面发生了质的飞跃。 迈进2 1 世纪以后，轿车车身正朝着轻量化、造型个性化、电子及信息集成化、 设计制造虚拟数字化等方向发展。现代轿车车身技术发展趋势是：安全性、舒适 性、环保性有机结合；智能化、数字化、人性化和谐统一：现代科技创新的最新 成果在轿车车身上得以充分运用。 1 2 3 柔性技术的产生、发展与应用 在2 0 世纪3 0 年代到2 0 世纪5 0 年代，对于大批量、少品种的生产情况，一 般采用自动流水线制造设备，包括物流设备和相对固定的加工工艺，这可称为刚 性自动化( f i x e da u t o m a t i o n ) 方式。自动流水线设备的价格通常相当昂贵，设 备固定，不灵活，只能加工几个指定工件。如果要改变产品的品种，自动流水线 需要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大。 柔性制造系统的出现改变了这一状况。柔性制造系统( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f m s ) 是1 9 6 7 年诞生于英国的一种高效率的，以及对产 品和市场变化适应力很强的先进生产系统。由于柔性制造系统还在发展，所以其 概念尚无统一的定义，但综合起来可以认为：柔性制造系统是在自动化技术、信 息技术和制造技术的基础上，通过计算机软件科学，把工厂生产活动中的自动化 设备有机地集成起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，使产品设 计、生产相互结合而成的，适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、高效率 的制造系统。由于f m s 具有较高的生产率和对产品及市场的应变能力，使其在制 造领域得到了广泛的应用，尤其在英国、美国、日本、德国等工业化国家，f m s 的 应用和研究都处于这一领域的前列。 柔性焊装线( f b l ) 是柔性制造系统的重要组成部分，在国外已成为车身生产 线的主要方式，结构上多采用贯通式焊装生产线。贯通式焊装生产线是指工件的 定位夹具系统与工位间输送系统呈分离状态，其功能是将车身移送至下一工位。 电子科技大学硕士学位论文 柔性贯通式焊装生产线一般适用于同一车型不同品种的车身生产。因为车身结构 类似，在许多位置上产品截面数据相同或相近，便于设计夹具和焊钳。 柔性制造系统的夹具有多种式样。简单的有装夹一个零件的夹钳，其结构和 普通机床上用的相似。复杂的有镜框式和台架式夹具，可以从几个面让刀具接近 零件进行加工。还有可装夹两个或更多零件的更大型夹具，这种夹具有利于缩短 刀具和传送零件的非生产时间。 一般说来，柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后，夹具还能适应继 续使用的应变能力。但是工件变化可以在小范围，即在相似的形状和尺寸变动不 大的范围内，也可在大范围，即零件形状完全不同，尺寸变化也很大。所以，柔 性夹具还是含糊的，没有明确的定义和界限。 以组合夹具为基础的柔性夹具是适应于不同机床、不同产品或同一产品不同 规格型号的夹具。柔性夹具更适用于数控机床、加工中心机床、柔性加工单元 ( f m c ) 和柔性制造系统( f m s ) ，是现代夹具的一个主要发展方向。随着f m s 技术在机械制造业尤其是汽车、轨道车辆工业中的应用，焊接生产的柔性化越来 越引起人们的重视。一方面用柔性焊接夹具代替或改造刚性焊接夹具、增加系统 的柔性，降低制造成本；另一方面，根据产品的生产规模、品种和工艺相似性等 原则设计制造柔性焊接制造系统。 目前，对柔性夹具的设计主要在两大方面进行探讨和研究。 一是在夹具原理和结构方面的创新研究，这类柔性夹具有三类： 1 、相变和伪相变式柔性夹具。利用材料物理性质从液相到固相，再变回液相， 相变的机制一般是热效应或电磁感应。所用材料有铋基低熔点合金，聚丙烯腈类 高分子聚合物等。相变机制必须易于控制，相变材料必须对工件和人无害。这类 夹具通常都有一个充满相变材料的容器，当材料液相时将工件埋入液体中，然后 改变条件( 如升温或降温) ，在液相变成固相时，将零件夹持并固定，然后进行加 工。加工结束后再将材料恢复成液相，就可将工件取出。由于升降温容易引起工 件的热变形而影响精度，因此，现正研究用电场控制相变的高分子材料。此类夹具 目前只能用于曲面定位或加工力轻微的精加工等少数情况，许多问题尚待研究； 2 、适应性夹具。所谓适应性夹具是指夹紧元件能自动适应工件形状的夹具， 是一种被动式的装置，当夹紧时能改变形状以适应工件的变化； 3 、模块化程控式夹具。这类夹具实质上是将定位元件和夹紧元件装在双向可 移动的导轨上，然后通过传动和程序控制做出多种不同布局。 近几十年来，在夹具原理和结构方面的创新柔性夹具研究方面，国际上尚没 第一章绪论 有找到结构上、经济上、实用性上能与传统夹具中已具柔性的一些夹具相匹敌的 新型夹具。 二是对于传统夹具的创新研究，这类夹具有三种： 1 、可调整夹具。可调整夹具可以适应小范围内的柔性，但由于受到成组生产 组织形式和产品品种市场需求不确定性的约束，因而应用受到限制； 2 、传统的槽系组合夹具。传统的槽系组合夹具的突出特点是组装灵活多变， 使用可靠，尽管它有好的柔性，但是配套元件多而且元件加工精度极高，尤其是 夹具装配和调整时间长，初置费用高，生产厂家很少采用，逐渐被冷落； 3 、孔系组合夹具。这是最新发展的柔性夹具，它与传统的槽系组合夹具原理 相同只是元件结构和组装方式不同。该系列元件因其结构简单，以孔定位，螺栓 连接，定位精度高，刚性好，组装方便而受到国内外市场的青睐，成为现代柔性 夹具的主流。使用孔系组合夹具可以大幅节省夹具的设计制造工时，缩短生产准 备周期，节约钢材，经济效益十分显著。目前，在f m s 中，我国已基本应用孔系 组合的柔性夹具，并在不断完善中。孔系组合夹具的组装需要知识广博、经验丰 富和技术熟练的人员，这正是当前工厂最缺少的，不仅我国如此，国外同样稀缺。 白车身装焊夹具的越来越向“柔性夹具 方向发展，适应了时代发展的要求。 美国、德国等国的汽车制造企业不但开发了适合本公司的柔性夹具，而且采用柔 性车身焊装线( f b l ) 为车身生产线的主要方式。虽然国内汽车制造行业的柔性夹 具设计与国外有一定差距，但近年来已有显著发展。上海大众汽车有限公司开发 的柔性夹具系统比传统方法更好的实现了轿车制造过程中覆盖件的测量，南京工 程学院机电研究所和南京康尼机电新技术有限公司联合设计开发的柔性焊接夹具 可以实现车门焊接的柔性化，柳州微型汽车厂设计的柔性夹具使1 0 0 多种货车的 生产都能在现有的几条装焊生产线上完成。 目前，装焊夹具设计仍然是汽车柔性制造系统中的瓶颈，因为夹具的通用性 很弱，专用性很强，不同的车型很难在相同的夹具上完成装焊任务，因此装焊夹 具设计重点、难点在于如何提高夹具的“柔性 ，以适应汽车现代化制造的要求。 而这不仅仅是夹具本身的问题，还与汽车车身的设计密切相关。为了最大程度的 解决这个难题，应该从车身设计和夹具两方面入手。在车身设计方面，需要解决 的关键问题是，如何尽量多地使同一车型不同品种的汽车采用相同或相似的车身 结构，从而方便装焊夹具的柔性设计；在夹具设计方面，需要解决的关键问题是， 对于现有夹具创新研究的同时，也要在夹具原理和结构方面进行创新研究，寻求 原理、结构方面的突破。 7 电子科技大学硕士学位论文 汽车工业的焊接发展趋势是发展自动化柔性生产系统。而工业机器人，因集 自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了 机器人。在焊接方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。特别是近几年， 国内的汽车生产企业非常重视焊接的自动化。如一汽引进的捷达车身焊装车间的 1 3 条生产线的自动化率达8 0 以上，各条线都由计算机( 可编程控制器p l c 一3 ) 控 制，自动完成工件的传送和焊接。焊接由r 3 0 型极坐标式机器人和g 6 0 肘节式机 器人共6 1 台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输入和 输出程序。机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平， 既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。德国大众的 m u l t i v a nt 5 车型焊接生产线上，7 6 的工作由7 5 0 台机器人完成，代替了1 4 3 0 个 工人的工量，在5 3 2 7 个焊点中，4 6 7 4 个焊点由点焊机器人完成【8 】【9 1 。在汽车生产 中应用得比较成功的点焊机器人有美国的u n l m a t e 和v e r s a t r o n ，意大利的d e l t i x 6 。 特别是美国的u n l m a t e 点焊机器人在各国的车身制造中应用的更为普遍。在国内， 点焊机器人主要用于车身焊接的侧围、车身总成合焊等工位。它的广泛使用，实 现了车身焊接的柔性化生产方式多品种的混线生产。 随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人 市场的快速增长提供了一个良好的机会。预计国内企业对焊接机器人的需求量将 以3 0 以上的速度增长。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方 向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可 靠性和安全性。而采用焊接机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条 件下必将获得高速发展，也必将为汽车产业的发展带来新的生机。相信，在不久 的将来，通过共同努力，国内汽车行业的焊接技术会逐步缩短与国外先进焊装技 术水平的差距，迎接w t o 带给汽车工业的机遇和挑战。 1 3 课题研究的内容与主要工作 白车身焊接是一个复杂的问题，它涉及较多的因素，有些因素之间还有一定 的联系。本文主要研究内容如下： 1 、轿车白车身焊接相关技术的研究。白车身焊接是汽车制造过程中非常重要 的环节，而轿车的白车身焊接要求更严格，夹具的定位精度为毫米级，整车焊接 后的精度要求控制在2 m m 范围内，甚至更高。因此，本研究首先介绍了白车身的 特点，对装焊夹具的特点和设计要求做了详细介绍，这两部分的内容是白车身装 第一章绪论 焊夹具设计的基础。由于夹具设计的最后目的是为了焊接，因此本文对白车身焊 接中最常用的点焊技术做了详细介绍，对凸焊、螺柱焊等技术做了一定介绍。另 外，本文对柔性夹具的相关背景知识做了详细分析、介绍。 2 、左前纵梁轮罩分总成的三维夹具设计。在轿车白车身焊接领域，最有技术 难度的夹具设计有两部分：其一是发动机舱总成的装焊夹具设计，另外就是左右 前纵梁轮罩总成的装焊夹具设计。本研究中的左前纵梁轮罩分总成是是国内某款 轿车白车身的重要部分，该左前纵梁轮罩分总成由数个形状复杂的冲压件焊接而 成，不但表面形状复杂而且是狭长型结构，因此对夹具的设计要求相对较高。本 研究首先分析了夹具设计方案的评价依据，并在设计经验的基础上总结出夹具设 计的逻辑结构，以此为设计指导，在遵循夹具设计的一般方法、流程的基础上， 根据该分总成的特点，进行了具体而详细的夹具设计，共给出两个不同的装焊夹 具解决方案，并对这两种方案进行了对比分析，同时对焊钳的设置原则进行了介 绍。 3 、对己完成的三维夹具进行二维设计，包括基准图的绘制和元件的尺寸标注。 基准图是二维设计中非常重要的一种，是对三维夹具设计的更深刻、直观的显示。 由于基准图将工件的定位点全部描述清楚，因此，在对夹具设计的过程中有重要 的参考意义。二维尺寸标注部分不但详细具体介绍了尺寸、公差的标注的原则、 方法，而且用具体、有代表性的例子进行了详细说明。在最后给出了生产加工的 工艺要求。 4 、本文对点焊机器人的焊接仿真进行了研究。分析了目前点焊机器人路径规 划问题中典型的旅行商问题，并指出点焊机器人的焊接路径规划有三个影响因素， 其中对路径规划的影响最大的是机器人自身的原因，因此，应重点对机器人本身 进行控制。本文根据第三章的焊接工件和装焊夹具，设计了机器人补焊一个焊点 的运动路径，运用r o b c a d 设计并运行一个仿真实例证明了该路径的合理性。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章轿车白车身装焊夹具及焊接技术的研究 在对白车身装焊夹具进行设计之前，首先要对白车身有所了解，也要知道装 焊夹具的特点和设计要求，同时也要对常见的焊接技术有所掌握，这样才能在对 装焊夹具进行设计的时候，不强化或弱化任何相关因素。 2 1 白车身装焊夹具 2 1 1 白车身概述 轿车车身与底盘、发动机和电子电器设备一起构成轿车的四大总成。轿车车 身由车身本体( 白车身) 、车身外装饰件、车身内装饰件和车身电气附件等四部分 组成，其中最重要的是车身本体，即白车身部分。轿车车身生产有四个主要阶段： 冲压、焊接、涂漆和装配。 白车身( b o d y - i n w h i t eb i w ) 是指尚未进入涂装和内饰件总装阶段之前的车身， 它是轿车的动力系统、行驶系统、电气系统、内外装饰件等轿车子系统的载体， 是轿车动力性、舒适性、平顺性等轿车性能的载体，是轿车外观形象、外观质量 的载体。所以，轿车白车身制造是轿车总车制造中一项最关键的制造技术【1 0 1 。 白车身是汽车重要组成部分【l ，它是涂装前，由薄板冲压零件冲压件装焊而 成的车身结构，是指四门两盖( 前后车门，发动机盖和行李箱盖，或统称开口件) 安装前的车身骨架，不包括发动机和内饰件【1 0 】 1 2 】。在车身制造中，为了便于装配 和焊接，通常是将车身分为总成( 前围总成、后围总成、侧围总成等) 1 2 1 ，各个 分总成又分为若干个小总成，各个小总成则由若干个零件组成，这样在车身焊装 时，通常是先将零件焊装成小总成，再将小总成焊装成分总成，最后将分总成焊 装成车身。通常薄板冲压零件在白车身车间经离线分拼焊装后，将分总成送到车 身焊装线，由机器人等自动化设备将前地板、后地板、水箱总成、车顶和四门两 盖在门盖分别装配线、底板装配线、底板补焊线、总拼线、打磨线等和车顶激光 焊等生产线上装配、焊接、加工形成白车身【l o 】。 1 0 第二章轿车白车身装焊夹具及焊接技术的研究 2 1 2 装焊夹具概述 把车身冲压件在一定工艺装配中定形、定位并夹紧，组合成车身组件、合件、 分总成及总成，同时利用焊接的方法使其形成整体的过程称为装焊过程。装焊过 程所使用的夹具称为装焊夹具。装焊夹具还没有统一规格和标准化，均属于非标 准设计和制造的工艺设备，是根据具体各车型的结构特点、生产条件和实际需要 来自行设计与制造的【13 1 。 图2 一l 装焊夹具分类 由图2 1 可见，装焊夹具由定位件、夹紧件、支撑件、传动件+ 源动件、限位 件和基础件( 基座) 组成【1 4 1 。装焊夹具的使用，主要是按车身图纸和工艺上的要 求，确定各个零件或部件的相互位置，并使处在各种位置的焊点和焊缝都尽可能 地调整到最利于施焊的位置【1 5 】。 以下几方面是装焊夹具的基本要求【1 3 】【1 5 】： 1 、车身装配焊接过程中，夹具使车身零件定位并夹紧，保证车身组件、分总 成或总成具有正确的相互位置及几何形状，并在焊接时能阻止焊件产生变形； 2 、能够满足汽车变型产品结构、工艺和生产纲领的要求，有可靠的定位夹紧 机构。根据生产纲领的大小，确定夹具的复杂程度和自动化水平，产量低采用简 单结构，产量高采用气动和自动化程度高的夹具； 3 、保证装配焊接工艺的正常进行。如焊钳容易接近工作处，工件装卸方便以 及防止各相邻的夹具定位块之间以及夹具与工件之间发生干涉； 4 、便于操作，在保证强度与刚度的前提下，应轻便灵巧，定位、加紧和松开 应省力而又迅速； 5 、便于施焊，结构合理，容易制造及维修，成本低。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 装焊夹具的特点 汽车车身装配焊接夹具由于汽车车身的特点、工作条件的限制，决定其结构 形式的特性，较其他的机械装置( 如金加工、车、铣、刨夹具) 结构上有很大差 异。从而带来了汽车车身装配焊接夹具的设计内容，设计方法的特殊性【l 5 】： 1 、汽车车身装配焊接夹具的定位方式、定位元件形状复杂。车身装配焊接夹 具由于车身零件大多是三维空间曲面的冲压件，他们不仅形状复杂，而且刚性差， 易变形。在夹具中定位时往往要合理的取车身某特定的曲面、孔作定位面、定位 孔，定位孔的首选应是产品图的基准孔，从车身的装焊夹具整体考虑，定位基准 孔应具有连续性。定位元件的正确性取决于车身零部件上的孔与面准确的配合、 贴合，及其加工精度： 2 、汽车车身零部件外形复杂，大多是三维空间曲面，尺寸较大，汽车车身装 配焊接夹具上的定位控制与其他机械加工的夹具装置有较大的差异，装焊夹具的 定位往往是过定位的设计。汽车车身各焊接部件的零件，分总成中的各零部件均 由薄钢板装焊制成，其刚度较差，易变形。设计夹具时须考虑主定位辅助定位等 多点定位，以保证在装焊部件时的正确性，尽量减少车身焊接时产生的焊接变形； 3 、一般情况下，汽车车身装配焊接夹具中的夹紧装置通常采用手动与气动装 置，大部分采用气动夹紧装置。在生产中要求快速夹紧自锁，待焊接工作完成后， 立即快速打开。夹紧装置的位置与结构设计需合理、精确、牢靠；动作的程序设 计需准确、简捷。动作程序元件的选择要求较高，同时更要考虑工人操作的绝对 安全和便利，这些都是在设计中绝对保证的。鉴于这些因素，夹紧装置的结构往 往比较复杂； 4 、汽车车身装配焊接夹具设计时要充分分析车身零部件，考虑定位、定位装 置、夹紧装置、输送装置及焊枪、焊钳之间的干扰问题。因为，通常是两个或两 个以上的汽车车身零部件装配在车身装配焊接夹具上进行焊接，待焊接按工艺要 求完成后，夹紧装置开启，从装焊夹具上取出已联成整体的汽车车身焊接部件或 分总成、总成。这样设计人员必须充分考虑车身冲压件、分总成、总成在装配焊 接前后取出等一系列的干涉问题，如定位装置、夹紧装置之间的干涉；焊枪、焊 钳与定位装置、夹紧装置之间的干涉；定位面、夹紧位置尽量避开焊接的位置、 免得在焊接工作中干涉( 注：在特殊的情况下，无法改变定位夹紧的位置与焊接 的位置干扰，则采取补焊、分工位、逐步开启夹紧、利用其他焊接方法等处理装 焊中的部分装焊干扰问题。) ； 1 2 第二章轿