白車身焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

鄭聯(lián)語(yǔ)，高浩，吳約旺

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

0 引言

在汽車制造過(guò)程中，相對(duì)于涂裝線和總裝線來(lái)說(shuō)，焊裝線的剛性強(qiáng)，不同車型的通用性差，新車型的生產(chǎn)線部署，均需要重新設(shè)計(jì)焊裝夾具，從而造成市場(chǎng)滯后，影響企業(yè)效益［1］。

隨著三維CAD系統(tǒng)的廣泛使用，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證均可虛擬實(shí)現(xiàn)，這在很大程度上縮短了設(shè)計(jì)周期。為了追求效率的最大化，許多學(xué)者對(duì)焊裝夾具輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。如王翔、康飛等利用CATIA自有功能研究了運(yùn)用知識(shí)工程參數(shù)化建立標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的方法，為資源的快速調(diào)用提供了支撐［2］;劉政等人則對(duì)焊裝夾具的零件組成進(jìn)行分類與編碼，研究了推理機(jī)制，并基于CATIA開發(fā)設(shè)計(jì)了夾具輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)［3］;Sun等提出了一種基于案例推理的智能夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，此系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的規(guī)則知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用事件來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)遇到新問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)就能檢索出最相近的案例，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)母?，?dāng)滿足設(shè)計(jì)要求后，新的案例又被重新存入案例庫(kù)［4］。以上研究多集中在庫(kù)的歸類整理以及資源文件的機(jī)智調(diào)用上，在與焊槍的可達(dá)性干涉關(guān)系、定位夾緊塊以及夾具二維與三維關(guān)聯(lián)等設(shè)計(jì)上鮮見報(bào)道。作者在對(duì)焊裝夾具整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，尤其是工作內(nèi)容重復(fù)、繁瑣、效率低的環(huán)節(jié)，進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了汽車白車身焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化工藝與夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以提高設(shè)計(jì)的工作效率。

1 結(jié)構(gòu)與功能

汽車白車身焊裝生產(chǎn)線工藝及夾具設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)是面向汽車白車身焊裝工藝的輔助軟件系統(tǒng)，主要由焊點(diǎn)批處理、MCP/MCS設(shè)計(jì)、焊槍仿真、生產(chǎn)線資源庫(kù)管理、實(shí)用工具和工程圖生成6個(gè)模塊組成，見圖1。

其中，焊點(diǎn)批處理能夠?qū)更c(diǎn)進(jìn)行批量格式化導(dǎo)入和焊點(diǎn)劃分;MCP/MCS設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)定位夾緊塊的快速創(chuàng)建和斷面剖切;焊槍仿真能夠?qū)崿F(xiàn)焊槍的快速插入以及批量替換;生產(chǎn)線資源庫(kù)管理則對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件、外購(gòu)件以及型材和定位銷進(jìn)行快速創(chuàng)建生成、管理，為夾具設(shè)計(jì)提供資源支撐;實(shí)用工具能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓銷批量裝配、坐標(biāo)系變換和批量打孔;工程圖生成模塊可進(jìn)行由三維模型到二維工程圖的批量生成與工程圖快速標(biāo)注。

2 工作流程

焊裝夾具的作用是保證汽車零部件之間的裝配關(guān)系以及焊接操作的可行性，進(jìn)而確保汽車的生產(chǎn)質(zhì)量。設(shè)計(jì)主要包括了概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)3個(gè)階段，概念設(shè)計(jì)主要是確定焊裝工位布局與焊接規(guī)劃，決定夾具的主要結(jié)構(gòu)和功能;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則是進(jìn)行夾具的三維建模，將設(shè)計(jì)的各元件進(jìn)行裝配組合，對(duì)車身板件進(jìn)行定位夾緊;優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作是驗(yàn)證焊點(diǎn)焊接可行性以及夾具空間結(jié)構(gòu)的合理性［5］。

根據(jù)汽車白車身焊裝夾具設(shè)計(jì)工藝流程，通過(guò)系統(tǒng)中不同模塊在不同工藝環(huán)節(jié)的應(yīng)用，可快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出與夾具設(shè)計(jì)。焊點(diǎn)處理和MCP/MCS模塊主要作用于概念設(shè)計(jì)，資源庫(kù)、實(shí)用工具和工程圖模塊主要作用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焊槍仿真模塊主要作用于優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)工作流程見圖2。

3 關(guān)鍵功能模塊

3.1 資源庫(kù)管理

資源庫(kù)管理包括標(biāo)準(zhǔn)件 (含企標(biāo))、外購(gòu)件、專用件、型材創(chuàng)建與管理等，這為夾具設(shè)計(jì)提供了龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)資源支持，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化夾具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

通常性?shī)A具設(shè)計(jì)過(guò)程中，只需設(shè)計(jì)人員通過(guò)資源庫(kù)中數(shù)模的調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)夾具單元的初步三維設(shè)計(jì)。如圖3所示，該定位夾緊單元主要由外購(gòu)件 (氣缸)、企標(biāo)件 (支撐座、定位銷、定位塊、限位塊)、國(guó)標(biāo)件 (螺釘、螺栓)組成，這些零部件均可通過(guò)資源庫(kù)按規(guī)格參數(shù)調(diào)用裝配。

通過(guò)多層級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)以CATALOG的數(shù)據(jù)形式實(shí)現(xiàn)零部件的快速入庫(kù)出庫(kù)，這極大地方便了管理員進(jìn)行庫(kù)資源維護(hù)，同時(shí)，通過(guò)服務(wù)器共享即可實(shí)現(xiàn)所有其他夾具設(shè)計(jì)者的快速調(diào)用。

3.2 焊點(diǎn)處理與焊槍仿真

焊點(diǎn)處理與焊槍仿真是焊裝夾具三維設(shè)計(jì)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，焊槍仿真的結(jié)果直接決定了設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)如何修改焊裝夾具的三維結(jié)構(gòu)，修改后再進(jìn)行焊槍仿真，如此反復(fù)直至成功保證所有焊點(diǎn)的焊接可達(dá)性。而且目前焊槍插入都是靠設(shè)計(jì)者手動(dòng)操作與調(diào)整，如圖4所示的從世界坐標(biāo)系原點(diǎn)位置A到仿真最終位置B的調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，如此反復(fù)的過(guò)程成為控制焊裝夾具三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的瓶頸。

在該系統(tǒng)中，以上復(fù)雜過(guò)程都通過(guò)程序自動(dòng)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)，大大提高了焊槍插入與仿真的效率。系統(tǒng)通過(guò)讀取GSMPoint和EXCEL等格式原始焊點(diǎn)文件，獲取焊點(diǎn)信息，配合焊點(diǎn)目標(biāo)板件的三維數(shù)模，獲知焊點(diǎn)的法向，再加上與世界坐標(biāo)軸系的統(tǒng)一變換，從而建立包含坐標(biāo)原點(diǎn)及法向信息的標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)信息模型。在焊點(diǎn)處理的同時(shí)，在資源庫(kù)模塊完成了對(duì)焊槍庫(kù)的建立。因此，設(shè)計(jì)者只需選擇焊點(diǎn)與焊槍規(guī)格即可直接實(shí)現(xiàn)焊槍插入、焊槍裝配、焊槍替換等所有仿真操作，有效地突破設(shè)計(jì)瓶頸。

3.3 定位夾緊塊自動(dòng)創(chuàng)建

定位夾緊塊是整個(gè)焊裝夾具的定位基準(zhǔn)，因此其坐標(biāo)系與車身坐標(biāo)系必須保持一致，所以需要在特定世界點(diǎn)創(chuàng)建它。主機(jī)廠提供的工藝文件一般都是以EXCEL文件存在，定位點(diǎn)在文件中的表示只有二維信息，如圖5是車型側(cè)圍的定位信息，它只有x、z兩個(gè)坐標(biāo)，而定位塊y方向上端面的形狀需與車身曲面一致，此時(shí)一般需要設(shè)計(jì)者手工提取定位塊所在的車身面去分割定位塊，從而形成貼合車身的主控面。

為實(shí)現(xiàn)定位塊的創(chuàng)建，首先創(chuàng)建軸系，并以此為基準(zhǔn)，創(chuàng)建定位塊數(shù)模，見圖6。

通過(guò)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)軸系進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)數(shù)模在世界坐標(biāo)系下的定位與姿態(tài)調(diào)整。定位塊模型定義時(shí)，除軸系包含的原點(diǎn)信息和3個(gè)坐標(biāo)軸向量信息外，同時(shí)定義6條標(biāo)記線 (x、y、z用于世界坐標(biāo)系下位置調(diào)整;u、v、w用于當(dāng)前軸系下姿態(tài)調(diào)整)。參數(shù)化驅(qū)動(dòng)調(diào)姿的流程如圖7所示。姿態(tài)調(diào)整完成之后，系統(tǒng)批量化一次性完成所有定位塊與車身數(shù)模相交面的提取，以此作為整個(gè)焊裝夾具單元的MCS，至此，就完成定位塊的自動(dòng)布局和三維設(shè)計(jì)。

3.4 批量打孔與螺栓銷快速裝配

批量打孔與螺栓銷快速裝配是對(duì)白車身焊裝夾具細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的高效處理模塊。批量打孔功能系統(tǒng)提供無(wú)孔源打孔和有孔源打孔兩種方式，可以實(shí)現(xiàn)銷孔、釘孔、螺紋孔的成組創(chuàng)建;同時(shí)，按照企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范一次性完成所有孔的孔徑、孔深、孔類型、孔面顏色等參數(shù)設(shè)定，如L－Block和Clamp上的兩釘兩銷。螺栓銷快速裝配可以實(shí)現(xiàn)在不同孔源位置進(jìn)行多規(guī)格螺栓、定位銷的一次性批量插入、裝配、定位、打包［6］。

該模塊的工作流程如圖8所示，設(shè)計(jì)人員通過(guò)選擇孔元素和設(shè)定孔參數(shù)進(jìn)行批量打孔，無(wú)孔源打孔需要選擇“兩線一面”作為一組孔元素，有孔源打孔需要選擇“多孔一面”或者“一面一孔”作為一組孔元素，除孔徑、孔深等參數(shù)外，無(wú)孔源打孔還可以設(shè)置孔與孔元素的定位尺寸，并隨時(shí)關(guān)聯(lián)修改。批量打孔完成之后，設(shè)計(jì)人員即可進(jìn)行螺栓銷快速裝配，通過(guò)選擇類型、一孔、一面，由系統(tǒng)自動(dòng)推薦合適規(guī)格螺栓銷，并獲取雙向裝配元素信息進(jìn)行裝配。該操作可重復(fù)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)批量化螺栓銷的自動(dòng)裝配。

3.5 工程圖生成與標(biāo)注

在焊裝夾具三維設(shè)計(jì)完成之后，國(guó)內(nèi)企業(yè)需要生成工程圖，用于夾具的機(jī)械加工。工程圖生成與標(biāo)注模塊用于實(shí)現(xiàn)從夾具三維數(shù)模直接生成二維圖各個(gè)視圖，同時(shí)，快速進(jìn)行基準(zhǔn)尺寸、尺寸公差、粗糙度、孔符號(hào)等圖紙標(biāo)注。通過(guò)零件屬性快速附注等功能，該系統(tǒng)快速輔助設(shè)計(jì)者完成三維結(jié)構(gòu)件必備信息，甚至搭建完整MBD三維模型［7］。該系統(tǒng)工程圖模塊對(duì)全部基于MBD的三維零件信息進(jìn)行遍歷，從而實(shí)現(xiàn)部件、零件工程圖的一次性批量生成。

一張完整的工程圖包含所有圖幅、視圖、標(biāo)題欄、明細(xì)表(包括裝配氣泡圖)、尺寸等元素信息，系統(tǒng)對(duì)此信息進(jìn)行數(shù)據(jù)模塊化處理，通過(guò)不同數(shù)據(jù)模塊的組合與順序執(zhí)行，完成一張完整二維圖，因此在系統(tǒng)進(jìn)行工程圖生成時(shí)，只需循環(huán)進(jìn)行類模塊的組合與順序即可完成全部零部件工程圖，從而實(shí)現(xiàn)工程圖批量性自動(dòng)化生成［8］。工程圖生成流程見圖9。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

以國(guó)內(nèi)某一知名汽車公司設(shè)計(jì)的一款車型的掀背門焊裝夾具設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行此系統(tǒng)的功能驗(yàn)證與工程應(yīng)用。

在掀背門焊裝夾具設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員根據(jù)車體數(shù)模及工藝需求已經(jīng)完成掀背門的焊點(diǎn)劃分，可直接進(jìn)行焊槍仿真模塊操作。利用系統(tǒng)的焊槍篩選功能 (圖10)，根據(jù)喉深喉寬進(jìn)行篩選，通過(guò)用戶交互選擇焊點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的面，并在CATIA 3D視圖中選擇焊槍或從庫(kù)中選擇 (換槍則需重選)。系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)了焊槍姿態(tài)的反向和復(fù)制功能，為焊槍快速操作提供途徑。

通過(guò)點(diǎn)選車身曲面，將定位夾緊塊導(dǎo)入到預(yù)覽圖中，此時(shí)可按二維定位信息文件對(duì)其世界坐標(biāo)值進(jìn)行約整，而后按照預(yù)覽圖中指示調(diào)整平移和旋轉(zhuǎn)至合適的姿態(tài) (圖11)。

焊槍庫(kù)與定位夾緊塊都是通過(guò)資源庫(kù)模塊直接調(diào)用使用。同時(shí)，利用資源庫(kù)中的常用夾具零部件調(diào)用裝配，即可初步完成掀背門焊裝夾具主體框架的三維設(shè)計(jì)。通過(guò)焊槍仿真模擬指導(dǎo)夾具的三維詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后再次仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證無(wú)誤之后調(diào)用批量打孔、螺栓銷快速裝配等實(shí)用工具模塊進(jìn)行夾具的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，最終完成夾具三維數(shù)模的設(shè)計(jì) (圖12)。三維設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)零件屬性附注和工程圖生成等模塊 (圖13)進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，完成夾具的工程圖定稿出圖 (圖14)。應(yīng)用此系統(tǒng)完成該掀背門的焊裝夾具設(shè)計(jì)，約花費(fèi)30個(gè)工作時(shí)，充分驗(yàn)證了此系統(tǒng)的有效性、高效性，取得了明顯的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

通過(guò)研究汽車白車身焊裝夾具設(shè)流程及技術(shù)信息，基于主流數(shù)字化制造平臺(tái) (CATIA/DELMIA)開發(fā)了面向汽車白車身焊裝生產(chǎn)線的數(shù)字化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)功能完整性。系統(tǒng)涵蓋了焊裝夾具設(shè)計(jì)3大環(huán)節(jié)，同時(shí)包含了設(shè)計(jì)完成后的出圖、標(biāo)注、BOM表匯總等各個(gè)環(huán)節(jié)，形成了一套完整的汽車白車身焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

(2)信息集成性。該系統(tǒng)可完全融于企業(yè)現(xiàn)有三維設(shè)計(jì)軟件 (CATIA/DELMIA)，實(shí)現(xiàn)與原有功能的無(wú)縫集成。

(3)實(shí)用高效性。該系統(tǒng)已經(jīng)在企業(yè)得到了廣泛工程應(yīng)用，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性、高效性，可大幅度提高汽車白車身生產(chǎn)線設(shè)計(jì)效率，增強(qiáng)其自動(dòng)化與數(shù)字化程度。

【1】李文忠，高保雷，邵丹.淺析汽車車身的焊接工藝設(shè)計(jì)［J］.汽車工藝與材料，2006(2):17 －21，28.

【2】游海.汽車車身夾具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、調(diào)試及發(fā)展［J］.機(jī)械工程師，2007(7):68－69.

【3】王翔.基于CATIA V5的汽車三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的建立［J］.汽車零部件，2011(6):70－73.

【4】Sun Shu Huang，Chen Jahau Lewis.A Fixture Design System using Case-based Reasoning［J］.Engineering Application of Artificial Intelligence，1996，9(5):533 －540.

【5】徐偉.基于PDM的夾具輔助設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2006.

【6】李如忠.利用UG NX二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量孔的創(chuàng)建［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2008(6):98－100.

【7】Quintana Virgilio，Rivest Louis，Pellerin Robert，et al.Will Modelbased Definition Replace Engineering Drawings Throughout the Product Lifecycle?A Global Perspective from Aerospace Industry［J］.Computers in Industry，2010，61(5):497 －508.

【8】邵曉明.CATIA工程圖國(guó)標(biāo)化與輔助精度設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2010.