白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)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）

在汽車(chē)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(chē)型間通用性差，新車(chē)型生產(chǎn)線部署均需重新設(shè)計(jì)焊裝夾具，從而造成市場(chǎng)滯后，影響企業(yè)效益[1]。因此，許多學(xué)者在三維CAD系統(tǒng)中對(duì)焊裝夾具輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[2-3]等，但是研究多集中在庫(kù)的歸類(lèi)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(jiàn)涉及。文章在對(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)、繁瑣及效率低的環(huán)節(jié)，進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了汽車(chē)白車(chē)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(chē)白車(chē)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(chē)白車(chē)身焊裝工藝的輔助軟件系統(tǒng)，主要由6個(gè)模塊組成，其功能與結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

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；主控點(diǎn)面（MCP/MCS）設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)定位夾緊塊（L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(xiāo)進(jìn)行快速創(chuàng)建生成和管理，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(xiāo)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(chē)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(chē)的生產(chǎn)質(zhì)量。設(shè)計(jì)主要包括概念設(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(chē)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[4]。

根據(jù)汽車(chē)白車(chē)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)，如圖2所示。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)。

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(zhuān)用件及型材的創(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(xiāo)、定位塊及限位塊）及國(guó)標(biāo)件（螺釘和螺栓）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)零部件的快速出入庫(kù)，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。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，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)對(duì)GSMPoint和Excel等格式原始焊點(diǎn)文件讀取，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，再加以與世界坐標(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、焊槍裝配及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(chē)身坐標(biāo)系必須保持一致，所以其需要?jiǎng)?chuàng)建在特定世界點(diǎn)。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。圖5示出車(chē)身側(cè)圍的定位信息，其只有x，z 2個(gè)坐標(biāo)，而定位塊y方向上端面的形狀需與車(chē)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(chē)身面去分割定位塊，而形成貼合車(chē)身的主控面。

為實(shí)現(xiàn)定位塊的創(chuàng)建，系統(tǒng)首先創(chuàng)建軸系，并以此為基準(zhǔn)，創(chuàng)建定位塊數(shù)模，如圖6所示。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)整姿態(tài)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(chē)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(xiāo)快速裝配

批量打孔與螺栓銷(xiāo)快速裝配是對(duì)白車(chē)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2種方式，可以實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)孔、釘孔及螺紋孔的成組創(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(lèi)型及孔面顏色等參數(shù)設(shè)定，如L-Block和Clamp上的兩釘兩銷(xiāo)。螺栓銷(xiāo)快速裝配可以實(shí)現(xiàn)在不同孔源位置進(jìn)行多規(guī)格螺栓及定位銷(xiāo)的一次性批量插入、裝配、定位及打包[5]。

通過(guò)設(shè)計(jì)人員選擇孔元素和設(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，除孔徑和孔深等參數(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(xiāo)快速裝配，通過(guò)選擇類(lèi)型、一孔、一面，由系統(tǒng)自動(dòng)推薦合適規(guī)格螺栓銷(xiāo)，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(xiāo)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、粗糙度及孔符號(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[6]。本系統(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)部件和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）及尺寸等元素信息，系統(tǒng)將此信息進(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(lèi)模塊的組合與順序執(zhí)行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[7]，如圖8所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

以國(guó)內(nèi)某款車(chē)型的掀背門(mén)焊裝夾具設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行本系統(tǒng)的功能驗(yàn)證與工程應(yīng)用。

在掀背門(mén)焊裝夾具設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員根據(jù)車(chē)體數(shù)模及工藝需求已經(jīng)完成掀背門(mén)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，如圖9所示，根據(jù)喉深喉寬進(jìn)行篩選，通過(guò)用戶(hù)交互選擇焊點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的面，并在CATIA3D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，為焊槍快速操作提高途徑。

通過(guò)點(diǎn)選車(chē)身曲面，將定位夾緊塊導(dǎo)入預(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)覽圖中的指示調(diào)整平移和旋轉(zhuǎn)至合適的姿態(tài)，如圖10所示。

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(mén)焊裝夾具主體框架的三維設(shè)計(jì)。通過(guò)焊槍仿真的模擬指導(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)用批量打孔及螺栓銷(xiāo)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)，如圖11所示。三維設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)零件屬性附注和工程圖生成（如圖12所示）等模塊進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，完成夾具的工程圖批量出圖。應(yīng)用本系統(tǒng)完成該掀背門(mén)的焊裝夾具設(shè)計(jì)約經(jīng)歷30 h，充分驗(yàn)證了本系統(tǒng)的高效性，取得了明顯的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

通過(guò)研究汽車(chē)白車(chē)身焊裝夾具設(shè)計(jì)流程及技術(shù)信息，基于主流數(shù)字化制造平臺(tái)（CATIA/DELMIA）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了面向汽車(chē)白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線的數(shù)字化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，本系統(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)三大環(huán)節(jié)，同時(shí)包含了設(shè)計(jì)完成后的出圖、標(biāo)注及BOM表匯總等各個(gè)環(huán)節(jié)，形成了一套完整的汽車(chē)白車(chē)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：本系統(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：本系統(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)的高效性，可大幅提高汽車(chē)白車(chē)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。