（机械电子工程专业论文）基于robcad的焊装线三维建模、仿真与评价方法研究.pdf

基于r o b c a d 的焊装线三维建模、仿真与评价方法研究 摘要 本论文结合汽车白车身的结构，研究了目前车身常用的制造工艺，对焊接 工艺的原理和影响进行分析，概述当前焊装线及相关设备技术；研究乘用车白 车身焊装线的规划理论与过程；通过虚拟现实技术实现了汽车焊装线工艺设计 平台，通过三维建模和仿真技术对焊装线方案进行设计和验证；建立了焊装线 方案分析评价体系，通过模糊理论的评价方法的应用，实现在焊装线不同的工 艺方案的决策中选优。 关键词：白车身，焊装线，工艺，虚拟仿真，模糊评价 r e s e a r c ho n3 dm o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n de v a l u a t i o n a b s t r a c t b i wf a b r i c a t i o ns y m b o l i z e st h el e v e lo fa u t o m o b i l em a n u f a c t u r e t h el o c a l k e yt e c h n o l o g yi sl a i db e h i n dt h eo v e r s e a ss o p h i s t i c a t e di np l a n n i n g ，d e s i g n ，a n d p r o c e s s t h ep l a n n i n ga p p r o a c ho fbi ww e l d i n ga s s e m b l yl i n ew a sd i s c u s s e d ，w i t hc a r b o d ys t r u c t u r e sb e i n ga n a l y z e d ，a n df a c i l i t i e sa n dp r o c e s s e sf o rb i wf a b r i c a t i o n b e i n ge x p l o r e d s i m u l a t i o n o nr o b c a d p l a t f o r m w a ss t u d i e d ，w h i l ev m t e c h n o l o g yw a se x p l o i t e dt o v a l i d a t et h ep l a n to fr o b o t i ca u t o m a t i o ns t a t i o n c r u c i a lf u n c t i o n a l i t i e so ft h i sp a c k a g el i k es o p , g u nc h e c k ，t i m ee s t i m a t i o na n d o l pe t c w e r ep u ti n t oa p p l i c a t i o n s i m u l a t i o na n do l pc o u l dh e l pt ol o w e rt h e c o s ti no n - s i t ei n s t a l l a t i o na n de a s em a n u a lw o r k l o a di nr o b o tp r o g r a m m i n ga n d c o m m i s s i o n i n g i nt h ee n d ，a na u d i tc r i t e r i o nf o rb i wp l a n n i n gb a s e do nf u z z y m a t h e m a t i c a la p p r o a c h e sw e r ec r e a t e da n di m p l e m e n t e d 。 o n ep r o je c tw a st a k e na sa ni n s t a n c ef o ri m p l e m e n t a t i o no fp l a n n i n g ， s i m u l a t i o n ，a n da u d i t 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 ga s s e m b l yl i n e ，p r o c e s s ，s i m u l a t i o n ，f u z z y c r i t e r i o n 插图清单 图1 1 中国乘用车和轻型商用车产量及预测2 图2 1 车身生产流程5 图2 2 带车架的非承载式客车结构6 图2 3 带骨架结构的承载式车身地板总成6 图2 - 4 轿车白车身典型部件组成8 图2 5 白车身焊接工艺流程9 图2 - 6 点焊电阻10 图2 7 激光复合焊接示意图1 4 图2 8c m t 焊接过程1 4 图2 9 焊点电流分流1 7 图3 】白车身焊装自动线1 9 图3 2m c p 二维信息2 0 图3 3 葫芦输送系统2 l 图3 4 助力机械手输送2 2 图3 5 带定位机构的空中自动输送抓手2 2 图3 - 6 一体式焊钳结构2 3 图3 7 焊钳两种结构2 4 图3 8 两种焊接电源的电流时间图2 4 图3 - 9 免修磨焊钳2 5 图3 1 06 轴机器人各轴分布和活动方向2 6 图3 1 1 机器人工作范围2 7 图3 1 2 机器人安装法兰坐标2 7 图3 1 3k u k a 机器人示教盒2 8 图3 1 4k u k a 机器人软件界面2 8 图3 1 5 典型的往复杆输送贯通式焊装线示意图3 3 图4 1 仿真流程图4 2 图4 2r o b c a d 界面4 3 图4 3r o b c a d 支持的仿真功能模块4 3 图4 4 项目的p r o j e c t 设置4 4 图4 5r o b c a d 数据接口4 4 图4 6 组件调入界面4 5 图4 7k i n e m a t i c s 运动建模4 5 图4 8 焊钳t c p 坐标示意图4 6 图4 9 焊钳坐标设置4 6 图4 1 0r o b c a d 三维建模4 6 图4 1 1 点焊任务( p a t h ) 4 6 图4 1 2o p e r a t i o n 的内容设置界面4 8 图4 1 3 机器人工位r o b c a d 三维布局效果4 9 图4 1 4 基于r o b c a d 的焊点断面图及焊钳形状的验证4 9 图4 1 5 自动补焊工位机器人工作量平衡表5 0 图4 1 6 离线编程相关参数设置5 l 图4 1 7 生成的程序5 1 表格清单 表2 1 白车身常见厚度的板件点焊熔核直径表1 5 表2 2 多层点焊参数选择原则1 6 表3 1 焊装线自动化程度对比表3 2 表3 2 常见输送结构焊装线对比表3 4 表3 3 自车身焊点数量统计3 6 表3 4 工序动作时间估算经验值3 6 表3 5 侧围焊点数量统计3 7 表5 1 方案一工位时间表5 6 表5 2 方案二工位时间表5 6 表5 3 本项目方案模糊综合评价体系一5 6 表5 4 判断矩阵元素值表5 8 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得盒月曼王些太堂 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 明并表示谢意。 学位论文作者签字啪 签字日期护乍髟月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目旦工些盔堂 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，允许论文被查阅或借阅o 本人 授权 金月巴王些盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文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适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期砂汐印年甲月6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：弘哆年月s e t | 电话： 邮编： 致谢 两年半的研究生生活丰富而有意义。在毕业论文成稿之际，谨向在学习、 工作和生活上给予过我帮助、支持、关心的人们表示真挚的谢意。 本文是在尊敬的导师林巨广教授的指导下完成的。近三年来，导师无论在 学习上对我的关心、还是生活上对我的帮助都是巨大的，导师给了我许多的鼓 励和支持，更为我提供了很好的机会和舞台，使我在学习生活中能够积累更多 的工作经验和项目实际操作能力，受益匪浅；导师对我的信任激励我不断地前 进。林老师渊博的知识、远瞻的眼光、严谨的治学态度，将激励着我在今后的 科研道路务实、求实地探索。 在我的硕士学习生活中，得到了王健强教授许多的指导和帮助。他引领我 在汽车装备这个相对崭新的领域探索，教授我无价的知识和宝贵的经验，也为 我的学业和论文倾注了许多精力，王老师在学术上的不断探索和追求带给我许 多前进的动力。 感谢王淑旺老师在学术和论文方面给了我许多的帮助和指导：感谢张天华、 王桂周、张婧慧、汤东华等师兄、师弟和师妹给予的许多支持和关心。感谢合 肥工业大学汽车装备工程技术研究所的所有老师和安徽巨一自动化装备有限公 司的员工协助我成长，在技术和业务水平上得到很大的提高。他们的敬业、务 实、谦虚、团结的作风，对我起着潜移默化的作用。 我要特别感谢我的父母和许多亲人。他们对我寄托着希望，默默地支持我， 在我的学习和生活的中给了莫大的支持。在我困难的时候，是他们给予了我战 胜困难的信心和力量，使我得以顺利完成了学业。我的学业及论文中凝结了他 们许多的心血。 最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在百忙 中给予的悉心指导，对曾给予我帮助和关心我的老师、同学和朋友们表示衷心 感谢! 作者：崔鹏 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 汽车制造业是我国国民经济的支柱产业。其发展适应了汽车市场需求，带 动了汽车产品消费。与此同时，汽车产业的竞争越来越激烈，用户对汽车外观、 性能、安全性、舒适性和性价比要求也越来越高，再加上目前汽车产品车型周 期短、市场变化快的情况，必然要求汽车企业具备产品多样性、能够满足市场 要求制造出满足客户要求的产品。 汽车车身是汽车的关键组成之一，为驾驶员、乘客或货物提供空间，还可 以对汽车行驶时产生的噪声、振动及恶劣天气的影响有抵御能力，车身对汽车 行驶安全起到重要的作用，也是对车型外观的重要体现。市场的发展使得汽车 车型更新速度加：陕，包括车身的更新。 白车身的制造是车身制造的关键环节，焊装是白车身生产的重要内容。白 车身的制造工艺复杂，通常由上百个具有复杂空间曲面的薄板冲压件经焊接、 铆接或机械连接等多种连接方式组成，其中焊接是主要的连接方式，在四大工 艺中起着承上启下的作用。白车身焊装的高精度、高柔性和高自动化生产是白 车身焊装技术发展的趋势。目前从整体上看，我国汽车白车身焊装线与国外先 进水平相比仍有不少差距，主要体现在自主开发能力薄弱、关键设备依赖进口、 自动化水平低等方面。因此，对白车身焊装线的研究已经成为汽车制造行业重 要研究课题之一。 1 1 白车身焊装自动线研究的背景 汽车行业是中国国民经济发展的重要产业，也是资金、技术、人才密集型 产业，正是由于这三个要素的短缺，导致我国起步并不算晚的汽车工业发展缓 慢。从19 5 6 年国内具备汽车的生产能力后，中国汽车工业已经经历了5 0 多年 的历程，虽然通过合资和引进技术，产业水平有一定程度的提高，但直到上世 纪末期，汽车行业的整体发展状况仍远落后于发达国家。入世后，我国汽车产 业迅猛发展，汽车工业保持高速发展态势，2 0 0 6 年我国汽车产量7 2 8 万辆，比 上年增长2 7 6 ，仅次于美国、日本，居世界第三位；2 0 0 7 年我国汽车产量达 8 8 8 万辆，实现连续9 年保持两位数的增长速度。中国汽车工业第一个10 0 万 辆用了4 0 年，第二个10 0 万辆用了8 年，第三个10 0 万辆用了2 年，第四个 1 0 0 万辆仅用了一年不到的时间。图1 1 显示了近年来中国汽车行业乘用车和 轻型商用车的产量和预测，从个侧面反映了汽车作为普通消费品的需求量和 市场潜力不断增加。汽车的高速发展、汽车市场规模骤然扩大，对汽车工业产 能提出很高的要求【1 j 【2 】。 l 豳总计( 万辆)l r _ 。 - o 。1 i _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ o - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 。一 黝 脬 黝 秽缵 隰 笏l 搦 嘲 印 圹 一 石， i l ；墨 ，、 。二囊 ；缯 l i 誓 ； ；荔旁 。 # 末 b7 i ；驽 ； ， “+ 1 i 乎“ k 7 9：麓g l ? 黝溉锄籀彩测黝 2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 92 0 1 02 0 112 0 1 2 图1 1 中国乘用车和轻型商用车产量及预测 国内汽车装备业的水平却与汽车行业的高速发展不相适应，装备业整体上 大而不强，自主创新能力薄弱，关键、重大技术装备主要依赖进口，与国际先 进水平相比至少落后1 0 年以上。国家明确提出要引导和支持国内企业开展重大 装备的研究开发，旨在通过对汽车装备的研发提高国内汽车制造装备水平。 汽车白车身焊装线是完成汽车白车身焊接装配的重大装备。随着行业竞争 和市场变化，车身会向美观、安全、多样化和低成本方向发展，这就对白车身 焊装线精度、柔性和自动化提出很高的要求。汽车国产化需要有自主品牌的装 备业，因此，对汽车白车身焊装线的自主研发是目前汽车行业迫切需要解决的 重大装备技术之一。 1 2 白车身焊装自动线研究的意义 我国白车身焊装自动线装备技术自主创新能力薄弱，国际竞争力不强，与 国际先进水平相比，还有较大差距，主要表现在【3 】： 1 、劳动生产率和工业增加值率低； 2 、在产业结构上所占比重小，基础薄弱； 3 、焊装线的新技术、新产品的研发能力薄弱，缺少自主知识产权，主体技 术依赖国外，多数设备主要依赖进口； 4 、产学研联合的装备研发企业更少。 在当前我国汽车业繁荣、装备需求量如此之大的市场面前，这些差距的存 在，造成我国装备制造业远远不能满足国民经济发展的需要。统计显示，从“七 五”到“十五”，我国汽车工业装备的国产化率较低，主要生产设备如焊接生产线、 检测设备等，基本上都是整机引进。从整体看，国内装备制造业水平尚不能满 足汽车工业发展的需要，很多关键技术过分依赖国外，部分技术确为国外所垄 断【4 】o 在汽车生产中，汽车车身是汽车的重要组成部分，轿车车身质量约占整车 的4 0 6 0 ，制造成本占5 0 7 0 ；载货车身质量约占整车的2 0 3 0 ，制 造成本占15 3 0 ，且车身直接影响整车的外形、性能和安全，所以白车身制 2 鲫蝴姜：咖啪鲫枷啪。 造是汽车生产过程中的一个重要环节。汽车车身制造主要为点焊，对焊点位置、 焊接质量都有很高的要求：对于普通一个轿车的白车身有多达3 0 0 0 5 0 0 0 个焊 点，使用约1o o 多套大型夹具，5 0 0 8 0 0 个定位器【5 】，这对汽车车身焊装线 的自动化提出了较高要求；汽车市场多变、客户要求不同，要求汽车车身焊装 线具备高柔性化。国内汽车生产数量与国外逐渐接近，但国内汽车焊装技术装 备与国外差距逐渐加大。如何更好更快的缩小这种差距，使汽车厂家在生产多 种车型车身的同时降低成本、提高生产效率和产品质量，具有重大的现实意义： ( 1 ) 车身焊装线的研究，尤其是柔性焊装线方案研究、关键装备的研究 与应用，对于提高国产汽车多品种的制造能力、降低国产汽车制造成本有重要 价值： ( 2 ) 车身焊装线的研究可以提高车身的焊接工艺，对整车的焊接质量、 焊装精度及整线效率有指导作用； ( 3 ) 车身焊装线的研究涉及机器人集成应用技术的自动化部分，可以降 低工人的劳动强度、改善车间的劳动环境，对人与自然的和谐发展有实际意义。 1 3 汽车自车身焊装线的发展状况 汽车车身焊装线的重点集中于车身点焊，其发展经历了以下四个阶段：2 0 世纪5 0 、6 0 年代的手工焊装阶段；7 0 年代的刚性焊装生产阶段；8 0 9 0 年代 的柔性焊装生产线阶段以及2 1 世纪以后的高柔性无人化焊装线阶段【6 】。手动焊 装人力操作点焊，生产质量不稳定，生产效率低下；刚性焊装生产即机械化点 焊，可以同时进行多个焊点的焊接，效率高，但这种方式柔性较差，不能适应 多变的市场需求；柔性焊装生产线能适应车身的高效焊接，变品种时只需对工 艺装备进行一定量的调整，具有一定的柔性；高柔性无人化焊装线能混线制造 多种型号的车身或变型品种，可实现车型识别、焊接、输送等全自动无人操作， 实现真正意义的柔性化生产。 国内汽车车身焊装线方面，在改革开放前汽车焊接生产是以手工操作为主， 局部实现了机械化生产，生产规模较小，焊接质量稳定性较差。产品的最终结 果表现为驾驶室密封性不能保证、振动及噪声较大、车门间隙不稳定、焊装后 的整体尺寸精度得不到保证。2 0 世纪8 0 年代中期，我国的部分汽车生产厂家 有机会了解到国外先进的汽车焊接技术，并将一部分技术应用到了生产中，使 国内焊接装备技术在一定程度上得到提高。进入2 1 世纪，我国的汽车企业部分 车身焊装线接近国际水平，这些焊装线多数是由国外装备企业设计制造，如重 庆长安、一汽一大众、奇瑞等企业的部分焊装线由意大利c o m a u 公司设计制 造，上海大众部分焊装线由e d a g 、k u k a 、德国大众设计制造，其中机器人 部分几乎全部进口。面对汽车行业的激烈竞争又不允许国内的汽车生产厂家用 国产的装备进行试验，只能成套引进，使得国内焊装厂家近年来与国外水平的 3 差距较大。 国外的车身焊装线已经普遍采用机器人大型自动化焊装生产线，机器人群 的复杂系统控制技术和高度柔性的机器人焊装线已开始在国外应用，主要是利 用仿真系统、虚拟制造技术、计算机和信息技术等多种高新技术进行大型自动 化生产线的设计开发、控制协调和管理。国际著名汽车企业的车身焊装线均已 具备高精度、高柔性、高系统集成技术的特点，如通用、宝马、奔驰等汽车巨 头，用于焊装系统集成的机器人都已在万台套以上，日本丰田汽车公司的一条 高柔性车身点焊自动线能同时生产3 种基型的7 个变型品种。另外，国外也积 极研究高新技术如在线检测及监控技术、模块化和可重构技术、激光焊接技术、 机器人视觉等并应用于车身焊装线中，为高质量的车身焊接提供技术保障。 1 4 本文研究的内容 车身焊装线作为汽车生产制造中的一个关键装备，对其精度、柔性和自动 化都有一定的要求。本文以先进的焊装线为基础，对焊装线的基本功能和已有 焊装线方案进行概述和比较，通过对白车身制造中关键工艺研究，对目前焊装 线方案设计中的要素点内容进行分析，应用三维技术建立生产线的相关设备模 型，运用基于r o b c a d 的虚拟仿真技术对焊装线的布局和工艺进行方案设计， 对方案可行性进行仿真验证，并结合模糊评价对焊装线方案评价方法进行研究。 具体研究内容如下： ( 1 ) 乘用车白车身焊装线及点焊工艺研究 通过分析白车身关键工艺和焊装线基本功能与方案，并结合点焊工艺和规 范对白车身焊装线的组成和规划进行研究； ( 2 ) 基于r o b c a d 的焊装自动线方案设计及验证方法研究 通过基于虚拟仿真平台r o b c a d 方法，结合一个具体的焊装线项目方 案及其关键设备进行设计，并对方案可行性进行验证； ( 3 ) 基于模糊评价的焊装自动线评价方法研究 结合模糊评价理论，针对焊装线的几个关键评价因素进行模糊评价理论的 研究，并结合一个具体的焊装线项目方案进行评价。 4 2 1 白车身概述 第二章乘用车白车身焊装工艺研究 2 1 1 白车身定义与特点 白车身( b o d yi nw h i t e ) ，一般指车身生产流程( 图2 1 ) 中在完成车身焊 装但未进行涂装工艺的、形状复杂的白皮车身，结构为空间薄壁壳体；此外， 还包括车身制件、车门，不包括车身附属设备和装饰件【7 1 。 图2 1 车身生产流程 白车身具备以下特点： ( 1 ) 复杂的形状。白车身是由具有各自形状的薄板冲压件组成，其形状 不能用简单的几何方程式描述其空间曲面，并具有复杂的局部形状； ( 2 ) 很大的体积。白车身及部分总成件体积较大； ( 3 ) 薄壁结构。组成白车身的薄板冲压件多由o 8 m m 1 2 m m 的薄钢板组 成； ( 4 )良好的质量和刚性。白车身直接体现整车外观，不仅对尺寸、形状 精度有很高的要求，且对表面质量要求无变形、无损伤。 2 1 2 白车身的分类及特点 汽车车身常按车身的承载形式对车身进行分类，分为非承载式车身、承载 式车身和半承载式车身三大类。 非承载式车身：图2 2 示意了非承载式客车的结构图。这种结构的车身一 般装有单独的刚性车架，并将车身通过缓冲元件安装在车架上吸收对车身的冲 击载荷，大部分负载由车架承担，车身本身结构的承载能力相对来说较少，但 仍一定程度上承受车架扭转变形引起的负载。此种结构车身变形小，平移性和 安全性好，车身内部噪音低，但整体质量大，质心高，比较笨重，不适应高速 行驶，多用于载货汽车、客车及专用汽车。 图2 - 2 带市架的非承载式客车结构 承载式车身：承载式车身省去了剐性车架，通过本身刚性空间结构承载车 身固有载荷及其他各种载荷。车身通过在发动机舱、前围、侧围、地板等关键 部分加强结构，提高车身本体的刚性。车身本体具有较大的抗弯、抗扭性能， 且质量较非承载式车身轻，高度和质心也比非承载式车身低，具有高速行驶的 稳定性，因车身本体一体式，刚度鞍大，所以行驶时噪音和振动会较大。该类 车身改型牵涉到整体结构，所以改型成本高、难度太。目前承载式车身是车身 结构发展的方向，多数轿车采用承载式车身。部分轻型客车也采用全封闭式承 载式车身，地板由地板骨架和地板上板组成。图2 3 所示为一款轻型客车的地 板分总成，地板骨架是由两根纵梁冲压件为主、多根横梁板件组成的网格状总 成。地板分总成与发动机舱、车身侧围连接组成丰车身，是典型的承载式车身 结构。 倒2 - 3 h 目装结构的，r 栽式乍身地板芭成 半承载式车身：半承载式车身是介于非承载式车身和承载式车身z l 训的过 渡型车身结构，它的车身本体与车架用焊接或螺栓刚性连接，加强了部分车身 底架而起到一部分车架的作用。 2l3 常见乘用车白车身的组成 本文研究的乘用车白车身指乘用车承载式车身，常见于是轿车、s u v 、m p v 等车型。 这类白车身，在结构和工艺上通常分为以下四大类分总成： 地板总成( u n d e rb o d ya s s e m b l y ) ：地板总成通常分为地板骨架和地板上 板两部分。轿车的地板形状复杂，通过板件的形状和结构保证刚度；载货车驾 驶室车身地板由左右纵梁支撑车身，纵梁不但有支撑的作用，还是重要的纵向 受力元件。对于部分大型乘用车或商务车地板总成，除了有纵梁外，会焊有横 梁组成横纵梁交错的网格结构( 图2 3 ) 。地板总成除了地板骨架和地板上盖板 外，还有门槛、地板裙边、中央通道，有的地板还带有轮罩。 侧围总成( s i d eb o d ya s s e m b l y ) ：侧围总成是形成车身外观的大型总成件， 并保证人员在侧向的出入和安全。白车身焊装线中，侧围总成常在总拼工位上 件。侧围总成的定位和焊接对整车的外观和精度影响很大。 发动机舱总成( e n g i n er o o ma s s e m b l y ) ：容纳和承载发动机的白车身分总 成，分总成通常带有前围板加固形成可搬运的总成结构； 项盖总成( r o o fa s s e m b l y ) ：包含项盖横梁和顶盖盖板。顶盖横梁加强项 盖和车身结构，但常将顶盖横梁与顶盖盖板分开上件，横梁使白车身焊接时侧 围侧向加固： 门盖总成( d o o ra n dh o o d ) ：车门的加工和装配精度要求很高，否则会形 成门缝，影响车门的开合和整车外观质量。门盖包含加强件和内外板，外板通 过包边，在板件边缘处与内板压合。包边分为压力机包边与机器人包边，近年 来机器人柔性化包边技术的应用越来越多。包边完成后需要进行点焊加强连接。 图2 4 是本项目自车身爆炸图，除了车门、发动机舱盖、行李箱盖、翼子 板外，其余通过焊接方式拼装到一起。车门等车身安装件在调整线打磨、调整 后再安装。 2 2 白车身制造工艺分类 白车身焊装工艺方法包含焊接、涂胶、包边、铆接等。 焊接是目前国内白车身常见的一种金属连接方法。焊接工艺包含点焊、弧 焊、凸焊、螺柱焊等焊接方法。点焊是利用金属通过大电流的电阻热融化金属 使板件之间相连。弧焊是熔焊的一种，是利用高热量熔化金属母材和填充金属。 因点焊的热输入比弧焊小得多，在白车身焊接中所占的比例最高。 涂胶是对车身板件间涂工艺胶的过程，胶型也分为多种。通过涂胶保证车 身的密封、隔振性能，提高车身的舒适性。 包边是实现零件内外层板连接的方法，通过机械结构施加在外板上的力使 外板边缘发生折弯变形将内板包住。包边的实现方法主要有：压机式、夹具式 和机器人式。压机式包边效率高，但投入成本高，需通过更换模具实现柔性。 随着机器人技术的发展，使用机器人包边越来越多，机器人利用工具端安装的 滚边工具实现板件包边。白车身需要包边的部分有门盖、翼子板等。 铆接的车身制造工艺是在不方便使用焊接的情况下实现板件问的连接，在 锱材料的轻量化 i 车身有较多的应用。 一般白车身焊装工艺顺序采用“分级”的生产模式，如图2 - 5 所示u 圈2 2 4 轿1 白午身典型部件组成 1 白车身( b d y - iw h i t e ) ；2 - 地板总h ( u n d e r b o d ) r a s s e m b l y ) ；3 - 左侧刚总成( $ i d e b o d y a s s 删b ll h l 4 - 左后车门总成( d o o r as s e m b l yl r ) ：5 - 左前车门总成( d o o r a s s e m b l yl f ) 6 一左翼子扳( f c n d c rl h ) ；7 - 发动机舱总成( e n g i n er o o m a s s e m b l y ) ：8 - 发动机舱盖总成 f e n g i n eh o o d a s s e m b l y l ：9 - 右雕于板( f e n d e r r h ) ：1 0 - 右侧围总成( s i d e b o d y a s s e m b l y r h ) 1 1 廿前午门总成( d o o r a s s e m b l yr f ) 1 2 右后车门总成( d o o r r r ) 13 - 顶盖总成( r o o f a s s e m b l y l ：i 4 - 行李箱与行李箱盖总成( l u g g a g ec o m p a r t m e n tw i t hd e c k l i d ) 。婿州颦驶亦朴皿状鲜凶一婿辎驶辚舞状鲟凶”郑驶镁硇求隧世状鼙凶 醛蹭桐h颦吉：亦料岬n匝 2 3 白车身焊接工艺 向车身焊装工艺是汽车制造关键下艺领域之一。如前所述，一般一个汽车 白车身一般由3 0 0 5 0 0 个复杂的钣金件经过5 5 7 5 个工位组成，在制造中一般 需要1 7 0 0 2 5 0 0 个定位器具和4 0 0 0 5 0 0 0 个焊点。 根据车身焊接的自动化要求，合理规划焊装线的布局和工位划分，焊点的 合理分配，节拍平衡，保证无漏焊、重复焊接及确保生产节拍是白车身工艺规 划的重点和难点。白车身工艺规划的特点主要有以下三个方向： ( 1 )减少焊点数量，使用先进的焊接工艺( 如中频焊接和激光焊接) 保 证和提高车身的焊接质量，提高生产率； ( 2 )焊装线的工艺设计及优化是保证焊装节拍和白车身的整体质量重要 途径，国外已经实现白车身焊接工作量的9 0 以上由机器人完成； ( 3 )数字化验证技术是保证机器人焊装线设计质量和工艺规划可行性的 必要手段。为了保证设计质量，要求超过9 5 的实际制造过程被模拟和仿真， 从而缩短调试与试运行时间。 2 3 1 点焊工艺 点焊是白车身制造过程中使用最多、应用最广的一种焊接方法，白车身的 上千个焊点均是通过点焊连接，白车身就是一个典型的点焊结构件。 点焊是电阻焊的一种，其原理是大电流通过板件时，利用板件间的电阻产 生电阻热熔化金属。焊接区域形成的电阻如图2 - 6 所示，总电阻为： r = r 1 + r 2 - 4 - r 3 + r 4 + r 5 ( 2 1 ) 图2 - 6 点焊电阻 r 1 、r 5 焊钳电极与板件的接触电阻；r 2 、r 4 板件自身电阻； r 3 板件间接触电阻 电阻焊的电阻分为物体间的接触电阻和板件内部电阻两类，这两部分电阻 在点焊时起着不同的作用。 接触电阻的形成机制是焊钳加压时非绝对光滑的零件表面形成的个别点接 触很好而其他接触不良的情况。电流优先通过接触好的点，导电面积减小，电 1 0 流线弯曲收缩，电流阻尼增大，产生电阻热。影响接触电阻的因素主要是零件 表面、点焊压力和焊件温度。零件表面存在油污或氧化物时会严重阻碍电流通 过，接触电阻显著增加；压力越大则接触面积增大，接触电阻越小；焊件温度 越高，则金属强度下降，接触电阻下降。接触电阻仅是在点焊初始瞬间对总热 量有贡献，但占比重不大。为了避免电极过热缩短寿命并烧坏板件，需要尽量 减小电极与板件的接触电阻r 1 、r 4 的值。因此，焊钳电极需周期性打磨以清 除电极表面的焊渣和氧化物。同时，电极采用循环水冷却方式。 板件内部电阻是产生焊点热量的主要热源，其影响因素主要是板件自身电 阻、电极接触面积、板件厚度以及温度，公式可表达为： 一 万 心= 岛i( 2 - 2 ) - ) 式中：所板件的电阻系数，此物理量与温度有关； 万焊点所在位置的板件厚度； 卜点焊时电极与板件的接触面积。 可见，板件的内部电阻与板件的电阻系数成正比，与板件的厚度成正比， 与电极与板件的接触面积成反比。 电阻焊的总发热量根据焦耳定律，其计算公式为： w = 【。i 2 ( t ) r ( t ) d t( 2 3 ) 式中：f _ 点焊通电时间通过板件的焊接电流( a ) ； 震两电极间形成的电阻( q ) ； 焊接电流通过时间( s ) 。 点焊过程中焊接电流和板件电阻都是随时间变化的函数。 点焊的热量分为两部分：形成熔核的热量阢和散发造成热量损失。热 平衡方程可写成： 肛矿i + w 2 ( 2 - 4 ) 损失的热量主要通过电极导热、板件导热及辐射方式，约占总热量的 5 5 7 5 左右。 点焊的过程可分为预压、焊接、锻压三个阶段。 预压是指从电极接触板件并开始加压到开始通电为止的这段时间。板件预 压是给板件一个垂直于板件表面的压力消除板件间隙。预压力的大小根据板件 厚度、状态和性质等条件选择，预压在焊接时形成封闭的塑性环防止飞溅。压 力不足时会造成板件间接触电阻过大而烧坏板件。 焊接是点焊过程中实现板件连接的最重要的阶段，是指在预压后通电形成 大电流回路，使板件熔化形成熔核。通电时间也是有严格的限制，时间太长或 太短都会影响焊接强度。通电时间常用“周波 为单位，对于工频5 0 h z 的电 源来说，一周波相当于0 0 2 s 。 锻压是通电完成后熔核冷却结晶时电极仍继续加压的阶段。锻压力大小的 选择应大于板件刚度以确保熔核结晶能在中心彼此成长，形成牢固的焊点。锻 压力的时间也不宜过早或过迟，否则会产生喷射飞溅或锻压力无效。完成这三 个点焊过程后，电极松开并移至下一个焊点位置进行循环。 在焊接过程中若通电过急板件还未形成封闭环时内部金属就己气化，或熔 核扩展速度过快，或熔核轴向增长过高破坏了封闭的塑性环时，会造成飞溅。 飞溅使液化的金属减少，在表面形成凹坑，严重影响焊点的连接强度和表面质 量，飞溅的金属冷却后形成飘浮物和焊渣，污染劳动环境。 2 3 2 弧焊工艺 早在18 0 1 年英国人d a v y 发现电弧放电现象，产生了早期的弧焊；l8 8 5 年的碳弧焊用金属电极代替了碳电极；2 0 世纪初，瑞典人实现焊条进行弧焊； 2 0 世纪3 0 年代美国人开发了埋弧焊技术并实现了连续送丝峰j 。 弧焊的焊接热能由电弧产生，母材被连接的局部位置熔化再结晶形成一体 的焊接方法。电弧焊产生高温在空气中会产生金属氧化物影响焊接件质量，所 以弧焊通常采取保护措施，较常用的是使用保护气体，依靠保护气体的不同可 分为c 0 2 保护焊、熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 、熔化极混合气体保护焊 ( m a g ) 、钨极氩弧焊( t i g ) 等，按采用的电极类型可分为熔化极气体保护焊 和非熔化极气体保护焊，按焊丝类型可分为实芯焊丝气体保护焊和药芯焊丝气 体保护焊等。其中，c 0 2 气体保护焊是在白车身焊接使用较多的焊接方法，一 套c 0 2 气体保护焊系统一般包含：焊接电源、控制系统、送丝机构、焊炬、保 护气供气系统等设备。它具有如下特点p j ： ( 1 ) 其焊接的质量和生产率高。焊接时，焊丝和电流根据需要加工的板件 厚度进行选择，厚板焊接时用粗焊丝、大电流以加大焊丝的熔化速度和熔深， 薄板焊接时使用细焊丝、小电流以实现熔滴短路过渡、电弧对工件间接加热， 降低工件热能吸收并减小焊接变形，缩短了焊接后的校正时间，提高效率。 ( 2 ) 焊接的成本低。气体保护焊的成本消耗主要体现在两个方面：焊丝成 本和保护气体的成本。c 0 2 保护焊焊丝便宜，c 0 2 保护气成本也较其他焊接方 式的保护气成本低很多，得到普遍应用。 ( 3 ) 焊接能耗低。对相同材质、相同厚度和相同长度的焊缝的焊接能耗上， c 0 2 气体保护焊相对于焊条电弧焊和t i g 焊具有熔化效率高、焊接速度高从而 节省能源，成本仅为手工电弧焊和埋弧焊的3 0 一6 0 。 ( 4 ) 应用范围较广，焊接质量相对较好。c 0 2 保护焊的应用范围不仅体现 在对各种行业、复杂零件形状的适应性较好，而且在世界各地都可以广泛应用， 且c 0 2 保护焊焊缝抗裂性能好，对工件表面的杂质( 油、水或锈等) 不敏感， 较容易实现自动化焊接。 c 0 2 气体保护焊的缺点主要是飞溅大，产生的烟雾粉尘对空气的污染严重， 1 2 其原因是c 0 2 虽然作为保护气体，但焊接电弧作用下会产生分解： c 0 2 c o + o ( 2 5 ) c 0 2 分解的氰对金属零件铁有氧化作用牛成f e o ，同时f e o 又与c 0 2 发 生氧化还原反应生成f e 和c o ，因此c 0 2 除了产生飞溅外，还会在焊缝处形成 气孔。 c 0 2 气体保护焊对于低碳钢和低合金钢等黑色金属焊接件外的其他非铁金 属焊接适用性较差，且因c 0 2 保护焊的热能输入高，易产生零件变形。 c 0 2 保护焊有两种熔滴过渡形式：短路过渡的短弧焊和非轴向颗粒状过渡 的长弧焊。因短弧焊是电弧将焊丝熔化形成熔滴接触零件形成短路，这种方式 对薄板件的热量输入( h e a ti n p u t ) 不易损坏板件质量，所以在车身焊接中常用 短路过渡的c 0 2 焊接方式。 c 0 2 气体保护焊之所以在白车身焊接中得以广泛应用除了上述优点外，其 操作的便利性、汽车覆盖件复杂曲面焊接的适应性使之与点焊焊接工艺形成互 补。 由于车身冲压件通常存在误差、变形以及板件定位精度的问题，焊缝轨迹 的空间位置通常不是稳定的。采用机器人自动弧焊时，需加装激光跟踪传感器 实时检测焊缝位置，并将误差反馈至机器人控制器重新对轨迹进行校正，因此 采用机器人自动弧焊的成本大大增加，故车身弧焊多以手动操作。 2 3 3 凸焊工艺 凸焊也是电阻焊的一种，它的焊接原理与点焊基本一样，主要用于焊接如 螺母、垫片等小零件。凸焊件上有为了保证接触良好而预先加工的凸点。凸焊 的条件与点焊类似，需要较大的压力和电流。凸焊件与板件的接触面积集中在 凸点上，所以凸点接触压力和电流密度都相应提高，电流在凸点处产生高热量 使凸点熔化。因为凸焊件多为标准件，可使用凸焊机提高生产效率。 2 3 4 其他先进焊接工艺 激光焊接是采用激光聚能产生的热量熔化并填充金属的焊接方法，它的能 量密度很高，热能输入小，焊接变形小，熔化区和热影响区窄，并得到较深的 熔深。激光焊接因为能量聚集且热能输入少，所以冷却速度快，得到组织微细 的焊缝，焊接性能好。激光焊接对板件的搭接边无要求，且是单面焊接，无需 额外增加焊接设备，避免干涉。激光焊接速度快、适应性强、可靠性高、易于 实现自动化，在焊接效率、精度、效果上都比传统焊接有很大的优势。激光焊 接的设备成本较高，对板件的搭接位置精度和板件厚度要求严格。 为了提高激光焊接效果，通常将激光与电弧复合使用，形成激光复合焊接， 这种焊接是将激光与电弧的能量同时作用于焊接位置以提高焊接综合性能。激 光热丝钎焊是复合焊接方式之一，可实现对镀锌板的焊接。在轻量化车身制造 中剥铝顿的焊接也使用激光复台焊接技术，以增加熔深，提高焊接效率及焊接 性能( 图2 7 ) 。 m 一 图2 7 激光复台焊接示意幽 传统的车身弧焊e 溅、焊清和焊缝表面氧化都较严重。国外有一种c m t ( c o l d m e t a lt r a n s f e r ，冷金属过渡) 焊接技术，这种工艺的关键是当焊接电源 检删到电流短路时则控制焊接电流下降，使金属熔滴在分离和转移的过程中无 飞溅，焊丝回抽，这个循环频率很高，焊接过程焊丝在送丝机构控制下快速往 复抽动( 图2 - 8 ) 。c m t 焊接工艺与传统的弧焊工艺相比，飞溅大大减少，焊接 时热董输入较传统的弧焊低，且具有良好的熔深，焊缝均匀，可适用1 二如钢和 铝的不同零件材质的焊接”oj 。 墨廖，屠 上上翻鼬盆嘲圈上 圈2 - 8c m t 焊接过柞 焊接循环过程：产生f u 弧_ 分离焙滴叶焊丝刚抽_ 产生电弧 2 4 白车身点焊焊接质量和工艺 24l 点焊失效形式与检查 点焊存在多种失效形式，在车身低碳钢点焊中常见的失效形式有：虽然经 过点焊但板件间没有形成熔核的虚焊失效，点焊过秤中未形成符台要求的熔核 直径的熔核过小失效，点焊中对板件表面形成的严重损坏的板件烧伤，点焊造 成板件凹陷严重的焊点压陷，以及熔核撕开焊点、“缺口”焊点等。 焊点是百合格，最有效的检查方法足进行焊点撕裂试验。将两层试验板件 经过点焊后，用楔形t 具或拉力机将板件撕开，观察焊点处的情况。若撕开板 件后焊点的熔核尺寸符合要求且熔核处仍然粘贴有母材，则说明焊点合格。 白车身试焊后，常通过撕裂焊点所在的搭接边对焊点台格率进行统计。 2 4 2 点焊质量评定标准 焊点的质量分为外观质量和内部质量，外观质量影响白车身焊接的整体外 观，内部质量影响焊点连接的强度，严重的会造成焊点失效。 焊点外观质量要求焊点表面压坑浅，平滑，呈均匀过渡，无明显凸凹，无 明显裂纹，板件表面无烧伤或粘附，内部完全结合，无严重裂纹、缩孔等缺陷。 焊点的失效形式主要有虚焊、熔核偏小、焊接过度等。 点焊