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天津大学 硕士学位论文 LG-1汽车车身焊装系统夹具的开发 姓名：李丽霞 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：李双义;王路强 20070701 中文摘要 安全、节能、环保是当前汽车工业发展的三大主题，而汽车车身的设计是与 之息息相关的。在高速、安全、舒适的基础上，力求好看，好用，好修，好造， 这就是对现代车身设计的要求，也是汽车车身制造的普遍趋势。但是长期以来， 由于车身零件制造的尺寸的偏差过大，焊装间隙及平度不合格，影响零件功能的 发展，甚至导致零件的报废，使汽车成本增加。而这些问题涉及到冲压工艺及焊 装工艺的诸多问题，而又难辨其责，成为令人困扰的问题。不过可以肯定的说， 白车身的焊装质量更直接地影响整个车身的装配精度，这只能用合格的焊装夹具 来解决。 本文针对L G - I 车型的具体设计任务，制定焊装生产系统的工艺流程；分析了 焊装夹具的设计原理及焊装精度的有效控制方法，介绍了焊装夹具设计的模块化 及组合原理；以车门为例，对该车型的焊装夹具进行了系统分析，进行了模块化 设计，还进行了装焊运行过程的计算机模拟；本文最后阐述了焊装夹具的发展的 新前景，介绍了柔性和自动化生产以及机器人的应用趋势。 提高整车的焊装夹具的设计水平，是满足汽车更新换代的基本条件。本课题 解决了本单位在焊装夹具的一些技术难点，推动了本单位在焊装夹具方面的技术 进步，有效提高了技术先进性。对本单位的工作实践进行了系统的理论总结。 关键词：汽车白车身焊装夹具虚拟设计仿真模拟 A B S T R A C T F o rt h eA u t oi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t ，t h en e wt o p i ci ss a f e t y ，e c o n o m y e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n T h ed e s i g no fb o d y i n - w h i t ei s a l s ol i n k e dw i t hi tc l o s e l y T h ed e s i g na n dt r e n df o rt h em o d e r ns a l o o n b o d yi sg o o d - l o o k i n g ，w e l l u s e d ，e a s yt om a i n t a i na n dp r o d u c eo nb e s i d e s o fh i g h - s p e e d ，s a f e t ya n dc o m f o r t F o rl o n gt i m e ，t h ea u t oc o s ti n c r e a s e d f o r t h er e a s o no ft h ed e v i a t i o no ft h es p a r ep a r td i m e n s i o n ，t h e u n q u a li f i e df o rt h ew e l d i n gc l e a r a n c e ，a n dS Oo n A l lt h ep r o b l e m sa r e r e l a t e dw i t ht h ep r o c e s sa n dw e l d i n gf o rt h ec a rb o d y A n di tm a k e st h e p e r s o np e r p l e x A sw ea l lk n o w ，t h eb o d y i n - w h i t eq u a l i t yi st h em o s t i m p o r t a n tf a c t o ri n f l u e n c i n go nt h ea u t oa s s e m b l yp r e c i s i o n A n do n l yt h e c e r t i f i e dw e l d i n gf i x t u r ec a ne n s u r et h eb o d y i n - w h i t eq u a l i t y I n t h i st h e s i s ，s o m ei t e m sf o rt h ew e l d i n gf i x t u r ed e s i g na r e d e s c r i b e di nd e t a i lo nt h eb a s eo ft h ep r o j e c tn a m e dL 争l ，f o ri n s t a n c e ， d e f i n i n gt h ew e l d i n gf o l l o wc h a r t ，a n a l y z i n g f o rt h ed e s i g np r i n c i p l e a n dt h ep r e c i s i o nc o n t r o lm e t h o d ，i n t r o d u c i n gt h em o d u l ed e s i g ne l e m e n t s ， e c t F o rt h ed o o r sf i x t u r ed e s i g n T h eM L Ps y s t e ma n a l y s e d ，t h ep r o c e s s o fw e l d i n ga n da s s e m b l i n gi ss i m u l a t e d A tl a s t ，t h ef o r e g r o u n d so f w e l d i n gf i x t u r ed e s i g n i n ga r ed e s c r i b e d ，t h eu s ef o rt h ef l e x i b l ef i x t u r e a n dw e l d i n gr o b o t I m p r o v i n gt h ew e l d i n gf i x t u r ed e s i g nl e v e li st h eb a s et om e e tt h e r e q u e s to ft h eu p d a t e i n ga u t om o d e l T h i sp a p e rr e s o l v e ss o m et e c h n i c a l d i f f i c u l t i e so ft h ef i x t u r ed e s i g n I ta r et h ef r a m eo f r e f e r e n c e s u m m i n g u pf o ro u rf i x t u r ed e s i g n K E YW o R D S ：A u t o ，B o d y - i n w h i t e ( B I W ) ，w e l d i n gf i x t u r e ，V Rd e s i g n ， s i m u l a t e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗叁茎或其他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了谢意。 学位论文作者签名：銮瓦锯 签字日期： 2 。夕年P 月洳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的觇定。 特授权二圣鲞生坠生可黟将学位论文的全部或部分内容编入有关数竭库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作荔+ 签名： 杏而需 褂”J ：2 9 D 7 | i 蛐忱I t I 翮签名：耘 孑 u JJ 哆f 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 汽车制造水平对汽车工业的发展起着至关重要的作用，就我国目前的汽车生 产水平而言，除了从国外引进的一部分先进技术和工装设备外，整体水平还很低。 其中较为突出的是在汽车装焊工艺方面自动化程度比较低。汽车焊装夹具可以保 证和提高汽车产品质量，提高劳动生产率，改善劳动生产条件，降低产品制造成 本，提高装焊自动化程度。因此汽车焊装夹具设计水平的提高成为一个提高汽车 制造业水平的有效途径，受到国内外汽车行业的的广泛关注。汽车车身是汽车的 重要组成部分，是整个汽车零部件的载体，它的重量和制造成本占整车的4 0 6 0 ，它通常是由3 0 0 - - 5 0 0 多个具有复杂空间曲面的薄板冲压。通过装焊、铆 接和机械联接等方法而构成一个完整的车体。其中焊接是最主要的联接方法，它 直接影响着车身质量、生产率和经济性。在生产线上有2 0 0 个左右的装配工作站 进行大批量、快节奏的焊装生产。焊装夹具( w e l d i n gf i x t u r e ) 就是为保证焊件尺 寸，提高装配效率，防止焊接变形所采用的工艺装备。汽车焊装结构生产中装配 和焊接是两个重要的生产环节，完成这两个环节的工艺过程离不开装配夹具和焊 装夹具。焊装夹具的种类繁多，因而提高装配精度焊接质量是车身制造的核心工 作。在装焊过程中，特别是对于具有基准孔的部分，应使用专用夹具或样板来确 定车身的形状、尺寸和相互位置，以保证装配精度。一个完整的轿车装夹定位点 达1 7 0 0 2 5 0 0 个，焊点多达3 0 0 0 - - 4 0 0 0 个。其中夹具的定位部分需用车身产品 的C A D 数模进行数控加工，使冲压件在装配时很好地与夹具定位面相吻合，以利 于焊后的车身符合主模型。因此装焊的质量主要取决于冲压件的精度、夹具精度 以及操作的正确与否。焊装夹具是以车身产品图纸及工艺方案为依据的，但在设 计的时候必须同时考虑到工位安排、焊点位置分布以及冲压件形状。 目前，在汽车制造业中，车身制造质量最好的是日本，其次是德国和美国， 与他们相比，我国在这方面存在着较大差距，而工装设计制造水平不高是其中重 要的原因。因此提高工装设计与制造水平特别是焊装夹具设计与制造水平是急需 解决的问题。车身焊装夹具是对车身冲压零件进行装配焊接的专用工艺装置，是 汽车制造过程中直接影响产量、质量的关键设备。合理的设计焊装夹具是保证焊 接质量、提高劳动生产率、减轻工人劳动强度、降低车身制造成本的根本途径。 第一章绪论 总之，保证焊件质量，生产效率高，使用安全可靠制造成本低等这些要求， 在夹具设计时应尽可能的促其实现，实际上这些要求已经成为评定夹具设计优劣 的标准。 目前，汽车焊装夹具产品设计已经由2 D 辅助设计走向3 D 主流设计的数字化 时代，各种专业化的3 D 设计软件越来越成熟和多样化”1 。本课题设计及模拟聚 用三维软件M e c h a n i c a lD e s k t o p ( M D T ) 及C A T I A 。 1 2 白车身的概念 车身是轿车的最大总成( 各种车型车身占的比例不同) ，重量和制造成本约 占整车的4 0 6 0 。典型车身通常由3 0 0 多个薄板冲压件在焊装夹具上焊接 而成，其中整个车身的装夹、定位点可达1 7 0 0 2 5 0 0 个，焊点多达3 5 0 0 多个。 图l i 所示是车身装配的一种多层次体系结构，若干零件经过焊装成为分总成 分总成又成为上一层装配中的零件。由于有多极的装配关系，导致虽终的车身与 理想的模型有一定的误差归结原因车身的尺寸偏差主要来源如下： 1 ) 零部件问的干涉： 2 ) 工装、夹具定位的不稳定性： 3 ) 冲压件本身的偏差， 4 ) 焊装变形： 5 ) 操作影响 图I 一1 车身装配的多层次伴系机构 第一章绪论 白车身( B o d y i n W h i t e ) 的制造涉及薄板冲压成形、自动装配、焊接及检测 多个领域，其制造质量显著影响到整车的性能，并直接关系到汽车产品的市场竞 争力，所以在很大程度上代表了一个国家的制造水平。 车身开发周期的长短是决定整车竞争力的大小和成本高低的关键因素。国内 外在汽车车身制造技术也存在着很大的差别，国外领先汽车集团的车身开发周期 在近1 0 年来已大幅度缩短，从2 0 世纪9 0 年代初期，车身开发周期需要3 - 一4 年， 近年已缩短为1 5 - - 3 年，1 0 年间缩短了近一半时间。分析其原因，国外汽车企 业在车身开发、制造方面广泛采用最先进的设计、制造技术，并对其再进行全新 开发和超前开发，开发队伍及其组织机构的管理模式也发生了巨大的变革，使得 车身的开发周期越来越短，创新的车型越来越多。我国汽车工业随着多年发展已 形成相当规模，但与世界先进水平还有很大差距。现阶段我国车身自主开发能力 还较弱，很多要参照国外车型的设计思路。还有重要一点就是加工设备的应用相 对落后，而加工直接影响汽车车身制造水平的高低。近年来，我国从国外引进大 量先进设备，汽车车身质量水平有了很大提高，许多国内设备制造企业也纷纷引 进技术，购买产品生产专利权及合资合作生产国内急需设备，在机械加工、焊接、 涂装等方面均取得一定进展。但从整体来说，国内汽车装备制造水平肖不能满足 汽车工业发展的需要，因为这种状况使很多关键技术过分依赖国外，在国际竞争 中不可避免地被定位于低端，掌握不了国际竞争的主动权。 1 3 车身尺寸偏差的形成 2 0 世纪9 0 年代初期，美国的汽车制造水平低于日本和欧洲的其他国家的汽 车制造水平，致使美国的汽车企业丢掉了3 0 的国内轿车市场。当时欧洲车身 制造偏差的最好的在士1 2 5 r a m ，日本最好为+ l m m ，而美国的制造偏差是+ 2 r a m ，在 这种情况下，美国M i c h i g a n 大学的教授提出了旨在降低车身综合制造偏差的 “2 m m ”工程计划。所谓汽车产品2 m m 工程就是从系统的观点出发对汽车产品 采用车身制造综合误差指数( C o n t i n u o u sI m p r o v e m e n tI n d i c a t o r ) ，即六倍均方差 “6 d 来控制车身制造质量，从而实现用最经济的制造成本提高汽车产品的整体质 量。该计划得到美国三大汽车公司的相应，内容涵盖了车身装配在线检测、制造 偏差的减小方法、零部件装配公差分析综合、车身制造信息管理等方面，经过3 年努力，美国车身制造质量达到世界先进水平，逐步夺回了原有的市场份额。2 0 世纪9 0 年代末，我国的轿车市场与2 0 世纪9 0 年代初期美国的汽车制造水平处 境十分相似，车身制造偏差也在2 m m 以上，激烈的国内外市场竞争迫切需要迅 速提高车身的制造水平，美国“2 m m ”工程特别注重依靠在线检测设备获取装配 第一章绪论 过程的尺寸测量信息，而对车身产品知识和工艺装备知识的应用不足，车身装配 线投资巨大，不适合目前的多品种、中小批量的生产模式。工业界和学术界也普 遍认为在线检测的性能价格比是其存在的严重问题。 在汽车企业实施2 m m 工程过程中，车身匹配一直是影响2 m m 工程的主要因 素，如果车身匹配精度超过规定值，就会影响汽车制造质量、生产节拍和产品成 本。根据调查资料表明，汽车车身匹配误差主要涉及到产品设计、焊接夹具和车 身匹配焊接变形三方面的原因。因此，国内汽车企业要实施2 m m 工程，就必须 对汽车匹配误差的产生原因进行深入研究。 图1 2 说明车身制造过程中的主要偏差是由装配过程中耦合、传播和积累 而成车身制造的综合偏差，犹如纵横交错的溪流汇入江河，为此引入了车身装配 过程偏差流理论 1 】，车身装配排逆差流理论将尺寸偏差控制归结为两类问题： 1 、揭示装配过程中偏差流的传播规律，根据各偏差源预测车身的综合偏差， 反过来实现误差再分配。 2 、针对制造过程中所出现的尺寸偏差确定偏差根源，实现制造过程的偏差 控制( 面向设计的，面向制造) ；因此，为了实现车身制造质量控制，必须兼顾面 向设计和面向制造的偏差控制的统一辩证关系，建立轿车车身的偏差流控制模 型，才能实现制造偏差的综合控制。 图1 2 影响白车身尺寸偏差大的因素 第一章绪论 1 3 1 制造过程的车身尺寸偏差控制 车身装配被认为是具有最小柔性的装配过程，因为面对车身频繁的改型，工 装与夹具必须重新建立模型，修改到产品设计相适应，否则造成大量人力物力的 消耗，即使焊装夹具准备就绪之后，通常还需要很长一段时间才能完成轿车开发 的最后阶段，这阶段包括样车试制( P i l o tP r o g r a m 、小规模试生产( P r o - v o l u m e P r o d u c t i o n ) 、生产启动( L a u n c hT i m e ) 和大规模生产( F u l l P r o d u c t i o n ) 。 在时序上，样车试制阶段的车身尺寸偏差较大，经过小规模试生产和生产启 动阶段的改进，主要误差源被消除，尺寸偏差逐渐减小，进入大规模稳定生产阶 段。在大规模生产阶段，尺寸变化的主要原因是工艺过程的变化，最经常出现的 尺寸变化是均值变动，不规则跳动及方差的变化，或三者的组合【5 J 。 从偏差形态上看，偏差分为平面内和非平面内的两种，由于夹紧单元刚性运 动的性质引起的偏差是平面内的偏差；非平面的偏差来源于冲压件的变形或焊枪 焊接时的偏差。基于偏差诊断技术的车身尺寸偏差控制是以数据驱动质量为基本 思路，通过偏差识别和故障诊断快速定位误差源，一方面缩短大规模生产时间， 较快的进入稳定生产阶段，另一方面是最大限度的维持生产状态的稳定。 传统的检测夹具是利用三坐标测量机( C o o r d i n a t eM e a s u r i n gM a c h i n e C M M ) 依靠其较高精度和较高的柔性来进行检测的，因为其定位、搬运等操作 比较繁琐，所以当发现问题的时若干产品已经转入到下工序。近年来光学坐标测 量机( O p t i c a lC o o r d i n a t eM e a s u r i n gM a c h i n e - - O C M M ) 的出现，为车身装配过程 的在线检测提供了可能性【6 】。光学坐标测量机通常安装在总成装配或整车装配的 末端，利用视觉传感器来进行采样。 另外薄板零件偏差和焊枪引起的装配尺寸非平面变化，在同一装配站上多变 量测量数据也具有较强的相关性。 综上所述，车身制造偏差控制基本上可分为生产启动阶段和生产过程的偏差 控制。两者的主要不同是生产启动阶段的故障缺乏稳定生产过程的偏差诊断经验 知识。 1 3 2设计过程的车身装配尺寸偏差控制 制造过程中，夹具是用在三维空问定位和夹紧工件的设备。夹具设计的中心 问题就是选择最优定位点数，并确定他们的最佳位置，以实现工件的确定约束定 位。如果工件依靠接触区域几何形状便可完全约束，称为“形闭合”；如果还必 须借助摩擦才能完全约束，则称为“力闭合”。通常形闭合强调动态分析，而力 闭合研究的是工件的静态稳定【3 1 。通常使用的六点定位原理一般需要夹紧力才能 第一章绪论 将工件完全约束，因此常常是力闭合。大量的文献集中论述了刚性件的夹具设计， 但关于薄板柔性件的夹具设计研究很少涉及，特别是考虑载荷的作用下，工件变 形的夹具设计几乎没有，实际上，在汽车工业，薄板变形可能导致很严重的尺寸 偏差。对于易变形薄板，定位夹具除了具备限制零件刚体运动的基本功能外，还 必须能够限制过多的工件变形。较早考虑工件或夹具定位单元刚性的研究见于 S h a w k i 和A b d e l A a l 3 1 ，他们根据实验结果，研究了夹具刚度和磨损对尺寸精度的 影响。 偏差流分析 4 ( S O V A s 仃e 锄o f v a r i a t i o na n a l y s i s ) 技术在近十年中被提出 和发展它是基于多阶段制造系统的偏差累积分析模型，将多维统计知识，控制理 论，误差累积理论，设计制造( C A D C A M 模型) 等相关知识集成到一个分析框架 中。面向产品设计的偏差控制和面向工艺设计的偏差控制是偏差流理论相辅相成 的两个方面，产品设计和工艺设计中偏差控制共同决定了产品的性能水平。偏差 流理论( S O V A ) 最大特点就是在产品设计过程中考虑工艺变量。S O V A 揭示产品 从设计到实现过程中偏差的传播规律，分析误差组成部分( 如零件偏差，定位偏差 等) ，确定各误差源的贡献率，通过在线测量和C A D 知识，综合运用主成分分析， 误差累积理论极值法，统计分析法，预测产品设计，制造和装配过程中的总体偏 差。S O V A 能够实现两个目标： ( 1 ) 在设计阶段，结合工艺和工夹具信息，S O V A 能够模拟整个工艺过程的偏 差传播和累积，然后预测最终产品尺寸偏差和几何形状偏差，可以有效提高一次 正确设计率； ( 2 ) 在试运行改进阶段，结合工艺和工夹具设计信息，S O V A 能够诊断重大的 尺寸缺陷和影响最终产品偏差的关键部位，可以有效提高一次正确缺陷诊断率； 车身装配是一个多层次的复杂装配过程。偏差流理论解释了装配过程中的传 播规律，根据零件偏差、定位稳定性和零件干涉预测车身的偏差，确定各误差源 的贡献率，从而为进行车身装配偏差控制奠定了基础。对于柔性薄板装配，传统 的积累理论不再有效，装配偏差可以小于零件偏差且接近于刚性较大的零件偏 差，因此引入了柔体装配的误差传播理论，以指导车身装配的偏差分析与综合， 柔体件装配的误差传播理论认为装配后的综合偏差可写成 V = f ( v l ，v 2 v n ) ( 1 1 ) V 表示各偏差源，f 表示确定函数。搭接、对接和角接是薄板装配的三种基 本接头形式，当两零件厚度相同时，搭接街头对工具偏差较敏感；当两零件厚度 不同时，刚度较大零件的偏差对搭接综合装配偏差起支配作用，对接接头对夹具 偏差不敏感。控制零件偏差是装配偏差控制的关键，对于折角件远比平板件厚时， 折角件偏差起支配作用；当平板件远比折角件厚时，焊枪偏差起支配作用。 第一章绪论 1 4 课题背景、内容及意义 本课题来源于现工作单位承揽的较完整的项目之一，L G 1 汽车车身焊装系 统夹具的开发。汽车焊装夹具开发在我国还是比较新的一个领域。汽车车身质量 的好坏在一定程度上取决于焊装夹具结构是否合理。焊装夹具开发以提高产品水 平及产品质量、降低成本增加效益为目标，在保证整车装配误差合格的攻关中， 功不可没，所以我对整个课题很感兴趣，在征得导师的同意下，开始了这个课题 的研究，由于缺乏全面的现场生产知识，经单位领导同意，特意去了焊接生产车 间，全面了解这整套已经投入生产的设备的使用状况，又发现了好多在夹具设计 中应该注意改进的地方。通过在车间的实践活动，让我深深的感觉到设计环节不 应该是单一的设计工作，应该多深入实际到现场，进行实际操作，才能发现好多 问题，以便发现和改进一些长期以来不合理的地方，对提高产品指令、降低成本、 缩短开发周期起到一定的作用。另外，本文用了一个实际的例子来讲述焊装夹具 理论，对不了解焊装夹具又将要步入这个行业的人起到入门和初步了解的作用。 本课题选择了L G 一1 汽车车身焊装系统夹具的开发作为研究对象。 提高整车的焊装夹具的设计水平，是满足汽车更新换代的基本条件。本课题 解决了本单位在焊装夹具的一些技术难点，推动了本单位在焊装夹具的技术进 步，有效提高了技术先进性。填补了我公司在焊装夹具整车理论方面的空白，使 我公司在焊装夹具方面处于同行业的领先水平。 第二幸L 6 _ l 汽车车身焊装工艺设计 第二章L G 1 汽车车身焊装工艺设计 L G i 项目是我公司承接的的较完整的项目之一，是一种外观硬朗。线条以 直线条居多，搭载自主研发的发动机、变速箱及电子助力转向系统的新型三箱轿 车，图2 1 所示。 圈2 一lL G - I 车型外观 角逐中国车市的太多数企业是重量级的企业，对于轿车市场，是否能够迎合 全球汽车制造的发展趋势，是汽车企业是否能够生存下去的根本因素。汽车造型 应该即符合空气动力学的要求，同时又能把驾驶空间扩展到最大极限，即达到了 所谓的“取M ”要求，“机器所占空间最小，而驾乘者享受的内部空间最大”。 这种可以体现厂商的技术水准的开发理念，是目前所有汽车商都共同信奉的。 汽车车身焊装夹具的设计是一门经验性很强的综合性技术，在设计时首先要 确定生产纲领，熟悉产品结构了解变形特点，把握制件及装配精度，通晓工艺 要求。只有做到这些才能对焊装夹具进行全方位的设计。 详细规划上件及补焊工位的操作者数量、时间节拍、上件数量、工位工艺内 容、M C P ( M a i nC o n t r o lP o i n t ) 和札P ( M a i nL o c a t i o nP o i n t ) 方案( 操作方向要 严格定义，充分考虑零部件定位、焊枪打点、人工上下件方便性) 、操作高度( 是 第二章L G - l 汽车车身焊装工艺设计 否有踏台) ，焊枪数量( 通过三维模拟) 、变压器数量、其它辅助标准设备数量( 弧 焊机，涂胶泵、螺柱焊机、拉铆设备等) ，所有的标准设备包括焊枪都要考虑共 用问题，能共用尽量共用。还包括电气资料，气路图等，同时确定各个操作者的 工作内容。然后规划与输送、吊具、助力机械手相关工位夹具与输送之间的关系， 干涉带，车间断面规划图。 2 1 纲领分析 生产纲领决定焊装夹具的自动化水平及焊装夹具的配置，是通过生产节拍体 现的。生产节拍由夹具动作时间、装配时间、焊接时间、搬运时间等组成。夹具 动作时间主要取决于夹具的自动化程度；装配时问主要取决于冲压件精度、工序 件精度、操作者的熟练程序；焊接时间主要取决于焊接工艺水平、焊接设备的自 动化程度、焊钳选型的合理化程度等；搬运时间主要取决于搬运的自动化程度、 物流的合理化程度等。只要把握住以上几点，就能合理地解决焊装夹具的自动化 水平及制造成本这对矛盾。 一、L G 1 生产纲领 年产量5 0 0 0 0 台 工作制双班 工作时间8 小时班 工作天数3 0 0 天年 工作效率8 5 设备利用率 9 5 二、已知厂方给的生产纲领，由此可以由式( 2 1 ) 算出整个白车身的生产节拍 生产节拍= 三笠塑L 塑盟墅型旦羔三笔季骛耋塑兰旦堑笙兰望塑 2 - 1 ) 得出生产节拍= 2 1 0 秒台 2 2 车身焊装工艺设计 车身设计应保证汽车具有合理的外部形状，在汽车行驶时能有效地引导周围 的气流，以减少空气阻力和燃料消耗。此外，车身还应有助于提高汽车行驶稳定 性和改善发动机的冷却条件，并保证车身内部良好的通风。 车身结构主要包括：车身壳体、车门、车窗、车前钣制件、车身内外装饰件 第二章L G 一1 汽车车身焊装工艺设计 和车身附件、座椅以及通风、暖气、冷气、空气调节装置等等。 车身壳体是一切车身部件的安装基础，通常是指纵、横梁和支柱等主要承力 元件以及与它们相连接的钣件共同组成的刚性空间结构。客车车身多数具有明显 的骨架，而轿车车身和货车驾驶室则没有明显的骨架。车身壳体通常还包括在其 上敷设的隔音、隔热、防振、防腐、密封等材料及涂层。 车门通过铰链安装在车身壳体上，其结构较复杂，是保证车身的使用性能的 重要部件。 车身外部装饰件主要是指装饰条、车轮装饰罩、标志、浮雕式文字等等。 散热器面罩、保险枉、灯具以及后视镜等附件亦有明显的装饰性。 车身附件有：门锁、门铰链、玻璃升降器、各种密封件、风窗刮水器、风 窗洗涤器、遮阳板、后视镜、拉手、点烟器、烟灰盒等。在现代汽车上常常装有 无线电收放机和杆式天线，在有的汽车车身上还装有无线电话机、电视机或加热 食品的微小炉和小型电冰箱等附属设备。 在汽车厂中，焊接生产线相对于涂装线和总装线来说，刚性强，多品种车型 的通用性差，每更新换代一种车型，均需要更新车间大量专用设备和生产工艺。 焊接工艺设计可以称得上是焊接生产线的“灵魂”，涉及的专业知识较多，如机 械化、电控、非标设备、建筑、结构、水道、暖通、动力、电气、计算机、环保 和通讯等，从宏观上决定车间的工艺水平、物流、投资和预留发展，具体决定着 生产线的工艺设备种类和数量、夹具形式、物流工位器具形式、机械化输送方式 及控制模式等。因此，焊接工艺设计在焊接生产线的开发中占有举足轻重的地位， 是产生高性价比焊接生产线的关键。 提供车身的数模是工艺设计的前提条件。在汽车制造行业中，一般情况下用 U G C a t i a ，P r o E 等三维软件均能打开数模，并在其中获取数据或进行深入的工作。 在工艺设计过程中，先将所有数模装配在一起，这样就构成了一个整车数模，从 数模中可以获得零部件的结构尺寸、位置关系。由数模还可以生成整车、分总成、 冲压件的各种视图，图2 2 是整理好的L G 1 整车数模。根据数模、产品图、 样车分析工艺，绘制焊装流程图，确定夹具数量。还需要提供产品零部件明细表 ( B O M b i Ho f m a r 砸f 1 ) ，然后提出夹具清单。根据装焊流程图、夹具清单，进行 工艺平面布置图的设计。制订标准设备清单，提出钢结构、水电气等公用资料。 在这些资料都提供完整之后，开始夹具的设计工作，工作流程图2 - - 3 所示。 第二章L l 汽车车身焊装工艺设计 圈2 - - 2L G I 整车车身数模 焊装工艺的主要工作有在数模中描述焊点，根据焊点位置及焊接姿态t 初选 焊钳型号。根据装焊流程图、节拍，编制装焊工艺卡。夹具建模完成后确认焊 点数量、焊接姿态、焊钳型号，修订工艺卡。根据数模数据。转化成C A D 线条 图，绘制白车身爆炸罔。 图2 3 焊装夹具工艺设计流程 2 2 1 流程图设计 图2 - - 4 是焊接流程示意图反映得是各冲压件、标准件及分总成件的数量 第二章L G 一1 汽车车身焊装工艺设计 装焊次序及流向，是布置工艺平面图的主要依据也是编制工艺卡的重要基础， 它所反映的夹具数量是评估整个项目的依据。困此流程图的编制初稿是至关重要 的。 对于只有数模与样车，没有焊点分布图的情况，虎根据样车拆车分析工艺流 程；首先对整车样车进行整体工艺分析，确定车身组成的几大部分，侧围、车架 地板、发动机室、顶盖及门盖的大块划分范阐，然后依次拆解。样车拆解过程中， 根据焊点数量，由节拍计算工位数量。一般而言，人工焊接时，焊接每个点需要 4 6 s 点，具体情况依焊钳大小、难易程度、装件数量等而定。拆解过程中，逐 次分析每个冲压件、分总成件的装焊次序。一般而言，冲压件从产品开发就决定 了它的装焊次序，还有一小部分冲压件可以灵活改变一下装焊次序，这就需要我 们认真分析，从工装工作量、方案设计书、夹具设计实现的难易程度等综合各方 面的因素，确定它的最佳装焊次序。从焊接工作内容上，原则上点焊与弧焊应分 别在不同工位上进行，除非弧焊或点焊工作量小并应在夹具方案设计书中提出 弧焊防护装置。 对标准件、胶等内容应详细统计：螺母应区分粗牙、细牙，类型应注明四角 或圆柱型：螺柱、螺栓应表明外径及长度：胶应注明类型( 膨胀胶、点焊密封胶、 防震胶等) 、长度、宽度等。 图2 4 焊接流程图 夹具本身工艺方案确认：包括上件工位的工艺内容、控制方式及产品工艺方 案是否适合夹具设计，工位上件数量及每个零部件如何上件都要仔细考虑( 特殊 的零部件的上件方向及方式会影响大的夹具机构方案) ，并初步估算该工位时间 第二章L G 一1 汽车车身焊装工艺设计 节拍，给出人员配备数量，如果工作内容少于时间节拍8 5 以下( 人工工位) 考虑 与其它工位在人员安排上合并，并优化出最合适的工位人员安排( 视周边夹具情 况确定数量) 。如果工作内容超出时间节拍，则应该考虑如何消化剩余工作内容， 如将剩余工作量移至其它工位或者增加补焊工位或增加焊接操作者来完成额定 工作量。 2 2 2 焊点描述 焊点描述是将每个分总成的焊点依产品图及样车位置如实描述N - - = 维数模 中去。图2 - - 5 是焊点的表示方法焊点以一个圆球及线段表示，其中圆球的圆 心代表焊点所在位置。线段代表焊点的法线方向。然后在局部引出说明中标出焊 点的数置、所属位置及是否左右对称。 图2 5 焊点表示方法 2 2 3 焊钳的选型及建立焊钳模型 焊点分组工作完成后即可进行焊钳选型，确定焊点组的数量即焊钳的虽小数 量，根据工件的形状及尺寸确定焊钳的形式( c 型) ( 型) 及喉深、开档、行程、 电极形状，焊钳的吊挂形式( 横吊、纵吊、转环) 根据焊点位置和操作位置确定。 焊钳型号的确定要在焊装夹具总图设计完成之后，根据选定的焊钳制造商提供的 实际型谱进行焊钳型号的选择。 由于焊钳也属于非标设备，所以每种不同型号焊钳通常不具有通用性的，每 套焊装夹具所需要的焊钳型号通常都不相同。焊钳模型在计算机中是尺寸驱动 的，参见驱动焊钳尺寸规定，通过改变驱动参数来达到选择合适焊钳的目的。焊 第二章L G _ 1 汽车车身焊装工艺设计 钳模型的建立首先根据焊接位置类型确定焊钳的类型C 型或x 型，调出焊钳 驱动模型对话框X 型钳图2 6 所示，C 型钳图2 7 所示。根据需要驱动出基 本符合要求的焊钳模型，然后将驱动焊钳模型针对每个焊点位置逐个进行模拟操 作，随时修改焊钳细节参数直到焊钳能够把所有焊点模拟完成而不发生干涉为 止。焊钳的选择过程参见焊钳选型方法。另外新开发的程序可以根据B O M 表来 选择焊接压力和变压器的型号。 匿圈口习口豆 巳圃臣田 臣习臣互 巳田臣圃 圈2 - - 7C 琶烨钳尺寸驱动对话框 第二章L G 1 汽车车身焊装工艺设计 2 2 4 焊装工艺卡及夹具方案设计书 焊装工艺过程卡是焊装线设计、制造和调试整个过程的指导性文件，是焊装 线全部工作的基础，焊装工艺过程卡的编制深度和质量对焊装线设计、制造、调 试整个过程的质量甚至成败起决定性作用。依据流程图，焊接工艺卡要反映各冲 压件、分总成件、标准件等白车身上一切部件的装焊、装配次序，同时要标明焊 点位置、数量、焊接层数，并根据平面图的规划，详细描述变压器数量、焊钳数 量、类型。焊钳选型时，喉深与喉宽除考虑焊接部位外，还应对周围干涉物、可 预见的夹具干涉及焊钳本身的吊环、气缸、转盘等进行考虑。焊钳型号确定、建 模完成后，夹具设计时必须进行复合校核。夹具建模完成后，还要对焊接操作性 进行检查，并相应修改焊钳模型与工艺卡内容。工艺卡在描述多层焊时焊点应以 不同的符号表示不同层数的焊接。工艺卡还要对每一动作计算时间，以验证是否 满足节拍要求。 夹具方案设计书是根据焊点位置、数量来规定焊装夹具的夹紧位置及定位方 式，首先要充分考虑生产节拍、焊钳的通道、工人的操作方便性等因素。确定完 成该工位焊点后，方案设计书就有了一个基本轮廓，然后粗略分析一下夹具设计 完后，焊点数量与焊钳类型能否保证以上的要求。然后根据工艺卡了解装配顺序、 焊接顺序、焊钳类型、操作位置来确定工件的位置及工作台面的高度，同时确定 台面是固定或是旋转( 水平或垂直) ，为方便取件是否需要带举升取件的装置： 确定需要焊装工件的定位点及夹紧点，并给出序号。表示出定位销及支承夹紧器 的运动方式，并用断面图画出。 2 3 焊装车间平面图的规划 做平面图是工艺人员的基本功。这里主要布置的是焊装夹具及相关设备在装 焊车间的摆放位置图。做平面图要明确布局原则： 首先要确定生产纲领，根据纲领和投资确定生产线形式( 普通焊接流水线、 自动线还是柔性生产线) 。 其次考虑工艺路线，根据车间总图布置( 车间跨度和柱网) 在保证物流路线 畅通，加工成本低、安全等诸多因素上，做到焊接工艺路线最佳。 物流方案确认：按照整个产品工艺方案，确认大的工艺及物流方案，工位间 零部件的传递方式( 人工运输，人工葫芦运输、人工辅助下传送、自动下传送、 第二章睁1 汽车车身焊装工艺设计 自动上传送等方式) 。确定物流方式及路线，明确工位之间的工件传递方式，验 证传递路线的合理性。 最后按照车身的焊接顺序来安排各焊装设备在车间的位置。图2 - 8 是车身 总成的三维平面布置囤。 图2 8 车身总成三维车间平面图 L G 一1 车身总成共有l O 个工位，具体的上件顺序是：地板总成下降到位，预 装左右侧围，人工进行涂胶上件前围上部，后围板及前后顶横粱，然后人工 焊接机器人进行补焊上件左右剑尾板及前横梁上板。人工焊接补焊 补焊涂胶，上项盖人工焊接机器人补焊下焊装线，空中吊具 将白车身总成运送到调整线。 根据物流昂筒、最通畅的原则，地扳分崽戚线布置在车身总成线的前面，发 动机舱线布置地板总成线的前方，侧围线布置在车身总成线的左右两侧，使得各 大分总成焊接完成后，传送到下一序时的距离最短。同时在保证节拍的情况下， 传输工具最轻巧。其余的小分总成夹具也本着上面的布置原则，分布在大分总成 夹具的两侧。大型设备应考虑到设备进厂后安装的方便性。另外车身总成补焊工 位用了4 台机器人进行焊接操作，机器人活动范围及配套设施所占用的场地应在 平面图中要表示出来，设各比较多的时候，建立三维的实体平面图，图2 - - 8 所 示。便于保证空中输送设备的轨道、生产过程中工件运输的通道、焊接操作者的 空间。 设各位置布置完毕后，根据设备的位置及性能，给厂家提出车间公用设备应 达到的要求。如焊钳在焊接薄板时产生瞬间的高电流，使板件融化在一起，达到 焊接的目的。而焊接的频率很高，电极头经过瞬间的高电流产生大量的热，不 能承受大量的热量，这时需要的冷却循环水来冷却，焊钳和电控设备也都需要电 力来支持。现在焊装夹具除了丈的总成线是电控需要连锁条件，其余的夹紧都是 用压缩空气来驱动夹紧、定位的。所咀同时还要提出每套设备的水、电、气布点 图，当所有的设备都大致确定在车问的位置后，要及时地提供出焊钳的悬挂轨道 第二章L G _ 1 汽车车身焊装工艺设计 图，通常根据设备的高度和操作高度来确定焊钳轨道的高度。根据项目总结情况 来看，总成线的焊钳轨道标高通常是5 m - 一5 5 m 之问，其它小夹具的焊钳轨道标高 是在4 m 5 m 之间。这些都需要提前提给厂家，以便给厂家安装厂房基础设施留 出足够的时间。 我国汽车厂家的大部分小分总成焊装夹具还是以人工焊接为主，圈2 9 简 单介绍一下人工焊装夹具的全部设备。 欠 l 、水、电、气管路2 、电气线管3 、空气管4 ，水管5 、空气三联件6 、空气、水管7 钢构架8 、变压器及控制箱9 、电缆1 0 、焊钳1 1 、横向滑轨1 2 、平衡罂1 3 、回水管路1 4 电气铜排1 5 、工字钢轨1 6 、纵向措轨 圈2 - 9 焊接操作剐面图 2 4 车身的工艺设计应该注意的一些问题 ( 1 ) 汽车车身在装焊过程中，合理分块非常重要，而车身总成的分块大体 相同，但往往对头接缝处有所变化，要认真分析。分块决定夹具的套数、工艺流 程，是工艺设计的第一步。 ( 2 ) 工艺设计不能只顾眼前，应该远近结合、滚动发展，做到近期合理、 远期可行。要充分考虑混线生产的可能性，在夹具设计任务书和工艺设备选型上 尽可能柔性化。 ( 3 ) 生产方式尽可能精益，尽量减少在制品存放，大型外覆盖件的物流尽 第二章L G - 1 汽车车身焊装工艺设计 量短；灵活布局车间内的各条生产线，使各生产线之间工件输送及与其他车间的 衔接尽量短捷、顺畅，提高生产效率。 ( 4 ) 生产线的布置要考虑空中机械化运输设备和水、电、气管线布置流畅。 ( 5 ) 小件生产尽量集中布置，提高设备利用率。按照工艺流程在线旁布置 小件的模式，从节约成本的角度看是不可取的。 ( 6 ) 焊钳的选型不容易做好，在焊接生产线调试过程中更换5 的焊钳是比 较低的，故需要进行三维焊钳与夹具的焊接过程动态模拟，提高选型准确性。 ( 7 ) 有条件的项目建议应用数字化工厂软件虚拟焊接车间，将以往设计中 不宜发现的问题经过计算机仿真，较早地被发现和解决，提高设计方案、图纸的 准确性和节拍平衡。 ( 8 ) 工艺设计不能脱离生产管理系统，计算机系统在那些工位取得生产信息， 就要求在设备定货技术任务书明确功能及接口条件。 2 5 本章小结 本章介绍了L G 1 整车项目的车身的焊接工艺设计过程及步骤，焊接工艺设 计步骤涉及的知识领域宽，受到制约同样比较多，比如产品系列、用户观念、工 艺水平、质量精度要求、周边物流状况、投资限制、原有厂房及厂区等，因此要 求工艺设计人员见多识广。生产线技术水平和自动化率不是越高越好，也不是生 产线投资越低越好，在保证产品质量的前提下，高性价比的焊接生产线是工艺设 计永恒的追求目标。随着我国汽车行业自主品牌的不断增加，焊接工艺设计也必 实现由多为国外设计而转变成多由国内设计，将会有更多的自主品牌焊接生产线 得到广泛应用。 第三章焊装夹具设计 3 1 引言 第三章焊装夹具的设计原理 轿车车身装配的典型特征之一是柔性薄板冲压件多工位焊装。冲压件偏差和 焊装夹具是影响车身尺寸质量的主要因素。在焊装过程中，由于薄板刚性差易变 形，为了保证零部件之间正确的相对位置和焊接间隙，必须通过焊装夹具将其固 定。为保证白车身装配尺寸的准确性，最重要的手段就是正确的工装定位。汽车 焊装夹具与其他夹具相比，定位单元型面复杂，精度要求高，设计制造难度大。 另外，由于汽车零件尺寸大，定位单元无法做成整体结构，一般采用独立的定位 板，安装在整体底板上。在夹具使用过程中，如果发生偏移，磨损等现象，将导 致零部件扭曲变形，出现定位偏差，引起焊接间隙的变动，最终导致装配尺寸误 差和构件受力状态的恶化，直接影响到白车身的质量。 焊装夹具的功能是为了实现车身零件的正确匹配，工程上通常从装配精度、 缩短制造周期和可调整性等方面来评价汽车焊装夹具设计的好坏。围绕着提高产 品装配精度这个主题，国内外关于焊装夹具设计的研究主要集中在工件定位的问 题上，即选择最优定位点数并确定他们的最佳位置，以实现工件正确的约束定位。 另外在此基础上应考虑更多的实际因素，例如焊接偏差、工具磨损等，作为新的 约束条件来进行更深一步的研究；焊装夹具可以按照不同的方式来进行分类，按 照设计内容包括硬件和软件的设计，其中