白車身點(diǎn)焊焊點(diǎn)的三維定位數(shù)據(jù)庫

李力強(qiáng)，呂蘇華，李友力

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012；2.一汽轎車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130012)

白車身點(diǎn)焊焊點(diǎn)的三維定位數(shù)據(jù)庫

李力強(qiáng)1，呂蘇華1，李友力2

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012；2.一汽轎車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130012)

針對(duì)目前國內(nèi)汽車產(chǎn)品開發(fā)過程存在的主要問題，在滿足產(chǎn)品性能的前提下進(jìn)行了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并依據(jù)現(xiàn)有的焊鉗，通過采用電極結(jié)構(gòu)尺寸仿真法制作了一個(gè)白車身點(diǎn)焊焊點(diǎn)的三維定位數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)可焊性識(shí)別，為點(diǎn)焊的焊點(diǎn)定位設(shè)計(jì)和審查提供可靠依據(jù)，這將大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，加快國內(nèi)汽車車型更新速度，為汽車早日投入批量生產(chǎn)、搶占市場(chǎng)贏得時(shí)間，提高了中國汽車的競(jìng)爭(zhēng)力。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化；仿真；三維定位數(shù)據(jù)庫

0 前言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求量不斷上升，同時(shí)對(duì)汽車車型的需求也越來越多，這就促使汽車制造商要不斷開發(fā)新的車型。目前中國汽車行業(yè)的車型更新速度比發(fā)達(dá)國家慢，較慢的車型更新速度在一定程度上降低了中國汽車產(chǎn)業(yè)的國際競(jìng)爭(zhēng)力。新車型的更新速度取決于產(chǎn)品開發(fā)周期，開發(fā)過程主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)和試生產(chǎn)調(diào)試。其中產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定開發(fā)周期長(zhǎng)短的主要因素，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性直接決定了后續(xù)工程設(shè)計(jì)和試生產(chǎn)調(diào)試周期的長(zhǎng)短。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀和存在的主要問題

目前中國汽車業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)過程主要存在兩方面的問題：

(1)開發(fā)周期很長(zhǎng)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是由產(chǎn)品部門設(shè)計(jì)，接著由工程設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行審核，若發(fā)現(xiàn)問題反饋給產(chǎn)品部門。而這兩個(gè)步驟目前主要依靠設(shè)計(jì)人員個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，這就導(dǎo)致在工程設(shè)計(jì)中選擇夾具和焊鉗時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題，例如，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些焊點(diǎn)即使采用特種焊接也不能實(shí)現(xiàn)，造成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，整個(gè)過程重新開始，大幅度延長(zhǎng)了開發(fā)周期，使得新車型推遲投產(chǎn)，降低汽車廠商的競(jìng)爭(zhēng)力。

(2)開發(fā)過程采用傳統(tǒng)方式。目前國內(nèi)的汽車廠家大都根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)位置去選擇焊鉗和夾具，因此導(dǎo)致夾具和焊鉗結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，大幅增加了維護(hù)成本。例如，目前一汽轎車股份有限公司生產(chǎn)四種車型，在年產(chǎn)量20萬輛時(shí)，一共需要大約800種焊鉗，購買費(fèi)用就高達(dá)1 600萬元，維護(hù)和備件費(fèi)用預(yù)計(jì)還要高于這個(gè)數(shù)值。

2 理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

為了改變目前這種狀態(tài)，需要在滿足產(chǎn)品性能的前提下，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并依據(jù)現(xiàn)有的焊鉗，制作一個(gè)三維定位數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)可焊性識(shí)別，為點(diǎn)焊的焊點(diǎn)定位設(shè)計(jì)和審查提供可靠依據(jù)，既可縮短開發(fā)周期，又可降低維護(hù)成本。這對(duì)于推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，具有極其重要的實(shí)際意義，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且潛在的市場(chǎng)需求巨大。

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化

著重分析目前影響車身質(zhì)量、操作效率的結(jié)構(gòu)，盡可能避免在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中出現(xiàn)以下問題：

(1)需要CO2焊接或者其他特殊焊接方法才能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。

(2)需要特殊角度或多角度焊鉗操作才能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。

(3)避免出現(xiàn)焊接熱影響造成表面外觀變形的結(jié)構(gòu)。

(4)多層板焊接和厚板焊接結(jié)構(gòu)。

為此，需要總結(jié)白車身焊接的典型結(jié)構(gòu)種類和特征，根據(jù)常用焊鉗結(jié)構(gòu)尺寸確定最合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)評(píng)審階段對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 焊鉗三維數(shù)據(jù)庫的建立

在焊鉗設(shè)計(jì)方面，首先應(yīng)建立基于現(xiàn)有焊裝車間采用的焊鉗的3D數(shù)模數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)已有焊鉗、焊輔的規(guī)格，列出已有焊鉗窗口尺寸的選型必要參數(shù)，以此作為焊鉗選型的依據(jù)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，同步運(yùn)用三維建模軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接操作模擬仿真，以避免出現(xiàn)焊鉗難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。這樣做具有以下意義：

(1)通過建立已有焊鉗資料數(shù)據(jù)庫，為焊鉗更改設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和選型依據(jù)，有利于發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中多余的焊鉗種類，取消特殊結(jié)構(gòu)的焊鉗，減少備件，同時(shí)為后續(xù)車型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供選型基礎(chǔ)，減少后續(xù)車型所需焊鉗種類，減少備件，減少成本投入。

(2)在三維仿真焊接模擬中，引入了電極結(jié)構(gòu)尺寸仿真法，有效提高了仿真效率。

3 典型的搭接結(jié)構(gòu)

3.1 典型的結(jié)構(gòu)

白車身焊接中的幾種典型的結(jié)構(gòu)形式如圖1～圖4所示，這些結(jié)構(gòu)形式的影響有：焊點(diǎn)位置、焊接順序、焊點(diǎn)排列等，若結(jié)構(gòu)太復(fù)雜將會(huì)給操作帶來困難。

圖1 兩板皆為平面

圖2 其中一板有法蘭

圖3 法蘭外側(cè)有拐角

圖4 筒形結(jié)構(gòu)

3.2 常見的缺陷結(jié)構(gòu)類型

在產(chǎn)品各種典型結(jié)構(gòu)中，常見的缺陷結(jié)構(gòu)類型有以下幾種。

(1)修邊短，造成焊接強(qiáng)度或表面不良。

白車身總成側(cè)圍與地板焊接處門檻結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生如圖5、圖6所示的缺陷。

表1列出了在鋼板厚度和焊接技術(shù)條件相關(guān)的法蘭幾何尺寸。

圖6 半點(diǎn)缺陷

表1 與板厚和焊接條件相關(guān)的法蘭幾何尺寸

改進(jìn)方法：加長(zhǎng)修邊長(zhǎng)度，避免分流或強(qiáng)度不足，修邊尺寸如圖7所示。

圖7 修邊尺寸

(2)焊點(diǎn)熱變形影響外表面質(zhì)量。

頂蓋總成四周焊點(diǎn)由于熱變形，四周修邊出現(xiàn)了波浪缺陷，如圖8、圖9所示。

改進(jìn)方法：通過產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)，消除此類結(jié)構(gòu)。

(3)需要非點(diǎn)焊類的焊接方法。

白車身總成尾部補(bǔ)焊焊點(diǎn)由于無法點(diǎn)焊，使用CO2補(bǔ)焊和合理的點(diǎn)焊解決方法，如圖10、圖11所示。

圖8 頂蓋總成

圖9 奧迪頂蓋總成(該處無焊點(diǎn))

圖10 CO2補(bǔ)焊

圖11 奧迪點(diǎn)焊形式

改進(jìn)方法：按照其他車型搭接形式重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，減少此類結(jié)構(gòu)。

(4)特殊角度或多角度焊接。

地板輪罩總成焊接表面為相互垂直的面，且兩個(gè)面都是斜面，操作困難，如圖12所示。

圖12 兩處焊接表面相互垂直

改進(jìn)方法：通過產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)，消除此類結(jié)構(gòu)。例如采用整體鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)。

(5)多層板焊接或厚板焊接。

側(cè)圍總成與地板總成拼焊的多層板情況如圖13所示。

改進(jìn)方法：通常四層板中都是兩兩板已經(jīng)焊好的，只需將四層板中的兩層外板做鏤空處理，就將四層板轉(zhuǎn)化成了容易焊接的兩層板，并仍能保證強(qiáng)度要求。

圖13 多層板焊接

4 焊鉗三維數(shù)據(jù)庫的建立與仿真

4.1 建立已有焊鉗資料數(shù)據(jù)庫

為了更清晰的查看所有焊鉗、焊輔的資料情況，制作了焊鉗焊輔數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中列出了焊鉗型號(hào)、電極帽型號(hào)、電極柄型號(hào)、握桿型號(hào)、電極接頭型號(hào)，通過點(diǎn)擊圖紙鏈接即可快速的查看每個(gè)零件對(duì)應(yīng)的圖紙、焊鉗對(duì)應(yīng)的圖紙，如圖14所示。數(shù)據(jù)庫還列出了該焊鉗所對(duì)應(yīng)工位和制件信息，方便進(jìn)行三維仿真分析。

4.2 電極結(jié)構(gòu)尺寸仿真

4.2.1 傳統(tǒng)仿真存在的問題

用傳統(tǒng)的仿真方法進(jìn)行焊鉗操作性模擬時(shí)，通常有以下步驟：(1)焊鉗模擬；(2)焊點(diǎn)距離修邊線尺寸測(cè)量；(3)電極帽與零件間的距離測(cè)量；(4)判斷以上測(cè)量數(shù)據(jù)，能否滿足焊接要求。為此，仿真時(shí)需要測(cè)量大量的數(shù)據(jù)，白車身總成包含了6 000多個(gè)焊點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)焊點(diǎn)處進(jìn)行計(jì)算、測(cè)量，工作量非常大，仿真所消耗的時(shí)間也很長(zhǎng)。

4.2.2 電極結(jié)構(gòu)尺寸仿真

為了解決這個(gè)問題，提出了一種通過增大電極帽尺寸進(jìn)行快速仿真的方法，稱為電極結(jié)構(gòu)尺寸仿真，如圖15所示。目前所用的電極帽種類一般只有φ 16和φ 13兩種。只需在該尺寸上增加一個(gè)量，增大其模型，在仿真過程中，只要保證增大的模型滿足與工件不干涉、不越過修邊線等條件即可，該模型與工件的干涉情況可以方便的通過CATIA中的干涉檢查功能進(jìn)行觀察，直接判斷是否干涉即可，從而達(dá)到快速仿真的效果。

經(jīng)過優(yōu)化后適于仿真的電極帽：

(1)將電極端頭(模擬焊點(diǎn)區(qū))半徑增大邊緣距離V＝3.9 mm，原來端頭直徑為5.0 mm，增大后的電極端頭直徑變?yōu)?2.8 mm。

圖14 焊鉗模型數(shù)據(jù)庫

(2)將電極帽直徑量增大A，A是電極帽與導(dǎo)電體的最小距離，A＝2.0 mm。以φ 16的電極帽為例，優(yōu)化后直徑變?yōu)棣?20，如圖15所示。將車型、焊鉗3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA裝配設(shè)計(jì)中，根據(jù)工藝文件對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行仿真。

圖15 優(yōu)化后的電極帽

完成電極帽的優(yōu)化后，對(duì)CatiaV5的裝配模塊進(jìn)行干涉檢查，仿真效果如圖16～圖18所示。

在圖19中的標(biāo)注處發(fā)生了干涉，為干涉區(qū)域，干涉量為1.25 mm。

5 結(jié)論

通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性評(píng)審，將大大減少焊點(diǎn)設(shè)計(jì)影響焊接操作和焊接后白車身質(zhì)量的可能性，縮短產(chǎn)品開發(fā)所引起的焊鉗種類和焊接方法的增加，減少設(shè)備和工裝的投入。

圖16 白車身焊接總成－主焊線

圖17 焊點(diǎn)仿真

通過采用電極結(jié)構(gòu)尺寸仿真法，減少仿真時(shí)間，縮短了開發(fā)周期，為汽車早日投入量產(chǎn)，搶占市場(chǎng)贏得了時(shí)間。

Establishment of welding spots 3D positioning database for BIW

LI Li－qiang1，LV Su－h(huán)ua1，LI You－li2
(1.Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China；2.Faw Car Co.，Ltd.，Changchun 130012，China)

To resolve the main problems of designing the new products，car structures are optimized on the premise that capability is met，and 3D positioning database of welding spots in BIW is established using simulation electrode's dimension and structure，which depend on existing clamp to ensure weldability of welding spots.This 3D positioning database provides reliable database to design and check up welding spots，which can shorten the time of the design and reduced the cost.These quicken the updating speed of car types and increase competitiveness of China's automobile products in world markets.

optimized structures；simulation；3D positioning database

圖18 干涉區(qū)域

圖19 干涉尺寸

book=6,ebook=38

TG409

B

1001－2303(2012)06－0053－06

2012－05－06

李力強(qiáng)(1963—)，女，吉林長(zhǎng)春人，教授，主要從事焊接工藝方面的科研工作。