白車身焊裝工藝三維表達(dá)方法及系統(tǒng)研究*

趙曉峰，屈亞寧，邱慧慧

（1.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100；2.山東山大華天軟件有限公司，濟(jì)南 250101）

白車身焊裝工藝三維表達(dá)方法及系統(tǒng)研究*

趙曉峰1，屈亞寧2，邱慧慧2

（1.山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100；2.山東山大華天軟件有限公司，濟(jì)南 250101）

白車身焊裝二維工藝圖復(fù)雜且看圖困難，因此企業(yè)已經(jīng)開始利用三維模型進(jìn)行焊裝工藝表達(dá)。為解決各種焊裝工藝圖的三維表達(dá)問題，在分析焊裝工藝三維表達(dá)的需求以及業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，建立了基于MBD產(chǎn)品模型的工藝表達(dá)信息結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了爆炸圖、工位布置圖、焊點(diǎn)分布圖表達(dá)方案，研發(fā)了焊縫、焊點(diǎn)、涂膠工藝的標(biāo)注方法。通過在某轎車焊裝線進(jìn)行驗(yàn)證，該方案及系統(tǒng)滿足了白車身焊裝工藝的三維表達(dá)需求。

白車身；焊接工藝；工藝三維表達(dá)；焊點(diǎn)標(biāo)注

0 引言

隨著基于模型定義（MBD，Model Based Definition）技術(shù)的發(fā)展，利用產(chǎn)品三維模型進(jìn)行工藝表達(dá)已經(jīng)成為應(yīng)用和研究熱點(diǎn)［1-2］，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)也在預(yù)研中［3］，未來將成為工藝規(guī)劃系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。目前已經(jīng)出現(xiàn)了基于MBD的機(jī)加工藝系統(tǒng)［4-6］、裝配工藝系統(tǒng)研究［7-8］，白車身焊接工藝圖要表達(dá)復(fù)雜車身曲面及不同類型的所有焊點(diǎn)，采用傳統(tǒng)二維視圖、剖視圖方式表達(dá)非常困難且不直觀，因此采用三維方式進(jìn)行白車身焊接工藝表達(dá)已經(jīng)成為企業(yè)的普遍做法。

國內(nèi)部分汽車企業(yè)已經(jīng)開始采用DELMIA、Process Designer［9-11］等焊裝工藝規(guī)劃系統(tǒng)，進(jìn)行焊點(diǎn)分配、焊接參數(shù)設(shè)計(jì)、焊接設(shè)備選型、焊接路徑規(guī)劃，采用截圖方式輸出焊裝工藝圖。另一類方法，也是目前企業(yè)的主要方法，是在三維CAD中裝好白車身三維模型，截取多個視圖，分別在截取的圖片上，再標(biāo)注各種不同類型的焊點(diǎn)符號，創(chuàng)建焊裝工序圖及工位圖等。前一種方法，受工藝規(guī)劃系統(tǒng)功能限制，標(biāo)注形式和符號一般不符合企業(yè)規(guī)范以及國家標(biāo)準(zhǔn)。后一種方法，可以方便的在圖片上標(biāo)注企業(yè)自定制或國標(biāo)規(guī)定的焊點(diǎn)符號及其他注釋，但修改工藝圖形時非常困難，效率很低，圖片上三維模型無法旋轉(zhuǎn)，存在三維模型理解困難的問題。本文在分析目前焊裝工藝三維表達(dá)問題的基礎(chǔ)上，推出適合國內(nèi)的白車身焊裝工藝3DCAPP系統(tǒng)及其解決方案。

1 焊裝工藝三維表達(dá)業(yè)務(wù)流程

1.1 焊裝工藝三維表達(dá)需求

依據(jù)MBD技術(shù)創(chuàng)建的產(chǎn)品工藝模型，理論上能夠達(dá)到三維下廠時制造、檢驗(yàn)等崗位的瀏覽查看要求，但實(shí)施時，需要大量的計(jì)算機(jī)及瀏覽器等軟硬件投入，因此，目前企業(yè)在制造和檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，仍然主要采用二維圖紙進(jìn)行表達(dá)。主要的焊裝工藝表達(dá)文檔包括：焊裝工序圖和焊裝作業(yè)指導(dǎo)書。

工序圖及作業(yè)指導(dǎo)書中的表格模板及表中文本信息主要通過CAPP系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)，本文主要討論各種三維圖樣的表達(dá)要求，主要包括：零部件爆炸裝配圖、工位布置圖、焊點(diǎn)分布圖、本工位零部件圖、本工位焊點(diǎn)分布圖等。

（1）零部件爆炸裝配圖，采用爆炸圖表達(dá)當(dāng)前工序要焊裝的零部件，采用箭頭及編號表達(dá)裝件順序。

（2）工位布置圖，表達(dá)當(dāng)前工序中的工人數(shù)量、工人編號及工位。

（3）焊點(diǎn)分布圖，采用多個視圖，完整的表達(dá)當(dāng)前工序需要焊裝的所有焊點(diǎn)。包含焊點(diǎn)的位置及編號。

（4）本工位零部件圖，單獨(dú)表達(dá)本工位的某一個零部件的三維視圖，允許注釋零件序號、型號及名稱

（5）本工位焊點(diǎn)分布圖，重點(diǎn)表達(dá)本工位需要焊接的焊點(diǎn)，含焊點(diǎn)位置及編號，用于指導(dǎo)不同工人。

1.2 焊裝工藝表達(dá)的業(yè)務(wù)流程

依據(jù)本3DCAPP系統(tǒng)進(jìn)行白車身焊裝工藝設(shè)計(jì)，其主要業(yè)務(wù)流程圖1所示，①讀入白車身零部件總成，即讀入已經(jīng)裝配好的白車身三維數(shù)模EBOM，這個數(shù)模由三維CAD系統(tǒng)創(chuàng)建。②根據(jù)工藝過程重新組織零部件結(jié)構(gòu)，形成工藝PBOM，然后，對PBOM中所有零部件進(jìn)行工序分配，工序分配是指按焊裝順序，分別將零部件組織到相應(yīng)工序里。首先選定基礎(chǔ)零部件，第一道工序包括基礎(chǔ)件和第一道工序?qū)⒁秆b上的幾個零部件，第二道工序包括首道工序完成后的零部件和第二道工序?qū)⒑秆b上的零部件，依次類推。③創(chuàng)建所有焊點(diǎn)、焊縫及涂膠工藝標(biāo)注，這里支持兩種方法進(jìn)行創(chuàng)建，一種方法是利用本系統(tǒng)功能，直接進(jìn)行三維標(biāo)注逐個添加焊點(diǎn)、焊縫；另一種方法是，讀入由其他系統(tǒng)輸出的焊點(diǎn)文件，解析所有焊點(diǎn)信息，然后進(jìn)行焊點(diǎn)分配，焊點(diǎn)分配是指將所有焊點(diǎn)根據(jù)工序順序組織到相應(yīng)的工序里，完成后，補(bǔ)充創(chuàng)建焊點(diǎn)引線、序號、類型標(biāo)注。④添加各種視圖，就是根據(jù)三維圖樣的表達(dá)要求，補(bǔ)充標(biāo)注其他必要符號，并創(chuàng)建相應(yīng)的視圖，完成工藝表達(dá)所需三維圖樣定義。

焊點(diǎn)自動分配的算法過程如下，①依次讀取焊點(diǎn)的名稱、編號、類型、位置坐標(biāo)、法向矢量、關(guān)聯(lián)零部件序號、焊點(diǎn)特性表；②對每個焊點(diǎn)或焊縫，根據(jù)其關(guān)聯(lián)零部件名稱，按工序前后順序，依次與每個工序的零部件名稱集進(jìn)行匹配，每個工序的零部件名稱集就是本工序完工后的零部件名稱集，依據(jù)零部件分配算法，后道工序總是包含前道工序的結(jié)果零部件，因此，每道工序的零部件名稱集都是下一道工序的子集。匹配成功則將該焊點(diǎn)或焊縫劃到該工序中，繼續(xù)下一個焊點(diǎn)分配。自動分配的焊點(diǎn)不一定符合工作量平衡原則，因此，允許用戶將部分焊點(diǎn)調(diào)整到其他工序。由于前序工序缺少當(dāng)前欲調(diào)整焊點(diǎn)的零部件，因此焊點(diǎn)只能向后序工序調(diào)整。

圖1 焊裝工藝三維表達(dá)的流程

2 焊裝工藝表達(dá)信息結(jié)構(gòu)

根據(jù)焊裝工藝三維圖樣表達(dá)要求，圖2給出了本系統(tǒng)建立的信息模型。

圖2 焊裝工藝表達(dá)信息模型

如圖所示，零部件總成，是所有零部件焊接裝配完成后的總成裝配體，依據(jù)工藝PBOM結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯示。焊點(diǎn)焊縫涂膠清單，按照序號次序，顯示所有的焊點(diǎn)、焊縫及膠裝標(biāo)注信息，焊點(diǎn)可以是導(dǎo)入的，也可以是三維標(biāo)注獲得的?；A(chǔ)零部件，第一道焊接工序前的產(chǎn)品模型。焊裝工序（1-N），按工序次序，組織每個工序的焊裝信息。其中，當(dāng)前工序零部件BOM，通過前述零部件分配獲得。PMI組織當(dāng)前工序的焊點(diǎn)、涂裝、膠裝、零部件序號及其他一些文字注釋信息，可以通過導(dǎo)入再補(bǔ)充引線的方式，也可以通過直接三維標(biāo)注方式獲得。視圖用于組織表達(dá)當(dāng)前工序所需的爆炸視圖和工位布置圖。工步節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)名稱建議為工步一/二安裝零件X），表達(dá)安裝某一個安裝件需要的焊點(diǎn)編號分布圖、按照工位分解的焊點(diǎn)編號分布圖、焊鉗工作姿態(tài)圖。

3 焊裝工藝視圖

3.1 零部件三維爆炸圖

零部件三維爆炸圖設(shè)計(jì)如圖3所示，0號件代表焊裝基礎(chǔ)零部件，1-4號焊裝件代表將在0號件上焊裝的零部件，基礎(chǔ)件和焊裝件都可能包含多個零件。1-4號零部件相對0號件，僅僅是位置進(jìn)行了平移，姿態(tài)均保持焊裝后的姿態(tài)，采用三維指引線方式標(biāo)明焊裝件的編號和名稱，名稱是焊裝件合件的名稱，不必說明其中的每個零件。

零部件標(biāo)注采用三維標(biāo)注，類似零部件中的序號標(biāo)注方法，包含指引線、箭頭或圓點(diǎn)線端、相應(yīng)文字，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)提供圓圈、無、下橫線三種形式，序號及文字標(biāo)注在指定的標(biāo)注平面內(nèi)，通常為XY、YZ、ZX平面，文字允許隨著視點(diǎn)的變化，自動調(diào)整閱讀方向。

圖3 某工序零部件爆炸圖

3.2 工位布置三維圖

三維的工位布置圖設(shè)計(jì)如圖4所示。零部件是當(dāng)前工序需要焊接的所有焊裝件和基礎(chǔ)件，人形符號代表當(dāng)前工序的一個“工位”，采用一個簡化的平面圖形表示，旁邊文字代表工位編號，都標(biāo)注在某一標(biāo)注平面內(nèi)。必要時可以讀入流水線、工件暫存區(qū)等其他設(shè)備模型，允許標(biāo)注工件移動方向符號。視圖允許采用軸測視圖，也可以采用俯視視圖等。

圖4 當(dāng)前工序工位布置圖

3.3 焊點(diǎn)編號及分布圖

三維的焊點(diǎn)編號及分布圖設(shè)計(jì)如下?？梢圆捎枚鄠€視圖表達(dá)所有焊點(diǎn)，如圖5用正面和背面兩個視圖，表示了當(dāng)前工序的所有43個焊點(diǎn)位置及編號。顯示的零部件是當(dāng)前工序涉及的基礎(chǔ)件和所有焊裝件。具體某工位的焊點(diǎn)分布圖，設(shè)計(jì)如圖6所示，該圖是本工序中2號工人的工位焊點(diǎn)分布圖，表達(dá)了2號工人需要焊接的所有焊點(diǎn)編號及位置。

圖5中焊點(diǎn)采用平面圖形符號表示，三維指引標(biāo)注包括指引線、序號文本。序號文本通常都標(biāo)注在某個特定的標(biāo)注平面內(nèi)。輸出時，允許旋轉(zhuǎn)模型以便選擇最方便的觀察角度進(jìn)行焊點(diǎn)表達(dá)。

圖5 當(dāng)前工序焊點(diǎn)編號及分布圖

圖6 某工位焊點(diǎn)分布圖（工位二要焊接的所有焊點(diǎn)）

4 焊縫、焊點(diǎn)及涂裝的三維標(biāo)注

4.1 焊縫標(biāo)注方法

國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 324-2008焊縫符號表示法》［12］中關(guān)于焊縫的表達(dá)，主要用于二維工程圖，且焊縫符號較復(fù)雜，工人難以理解，因此，在白車身焊裝工藝階段，多數(shù)企業(yè)都定義并簡化了焊縫三維表達(dá)方式。

圖7 焊縫標(biāo)注

本系統(tǒng)將焊縫簡化為如圖7形式，主要包括焊縫、指引線、序號三部分內(nèi)容。圖中涂黑的線條代表焊縫，通過用戶交互指定焊縫經(jīng)過的關(guān)鏈位置點(diǎn)依次連接而成；指引線端部可以選擇箭頭、圓點(diǎn)等；焊縫序號允許選擇方框及圓圈框格。未顯示的焊縫其他屬性，如類型及其他參數(shù)等采用文本進(jìn)行表達(dá)，通過對話框方式錄入，當(dāng)光標(biāo)移到框格上時，自動顯示。

4.2 焊點(diǎn)標(biāo)注方法

點(diǎn)焊接在國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 324-2008焊縫符號表示法》中是焊縫的一種，其基本符號是“圓圈”，沒有區(qū)別白車身點(diǎn)焊時常見的二層、三層、甚至四層板焊等不同類型，不能滿足白車身點(diǎn)焊接的表達(dá)需要。

本系統(tǒng)允許采用國家標(biāo)準(zhǔn)及自定義方式進(jìn)行焊點(diǎn)標(biāo)注。采用國家標(biāo)準(zhǔn)時，焊點(diǎn)符號依據(jù)GB/T 324進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用自定義方式時，焊點(diǎn)標(biāo)注包括焊點(diǎn)位置及類型標(biāo)識、指引線、序號三部分內(nèi)容，線端采用不同符號表示焊點(diǎn)類型，如圖8所示。

圖8 可視化焊點(diǎn)標(biāo)注及焊點(diǎn)類型說明

4.3 涂膠標(biāo)注方法

三維涂膠標(biāo)注同上，如圖9所示在三維模型上標(biāo)注涂膠線，采用三維指引線和序號指明涂膠編號。

圖9 涂膠標(biāo)注方法

5 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)已在某轎車集團(tuán)CAPP系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)施驗(yàn)證，該轎車工業(yè)集團(tuán)自2009年開始應(yīng)用華天CAPP系統(tǒng)（Info-center），應(yīng)用范圍覆蓋汽車沖、焊、涂、總四大工藝專業(yè)的工藝規(guī)劃、設(shè)計(jì)以及工藝文件管理。隨著系統(tǒng)的不斷深入應(yīng)用，三維工藝逐步在工藝過程中使用。本文中涉及的白車身焊接三維工藝表達(dá)方案已經(jīng)在該公司車身焊接工藝規(guī)劃中得到實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，圖10是三維CAPP系統(tǒng)的界面，除傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)的工藝過程管理、工藝文檔模板管理、工藝知識管理、工藝BOM管理等功能外，通過集成華天軟件自主的輕量化瀏覽器SView，可以實(shí)現(xiàn)三維模型瀏覽、工藝信息三維標(biāo)注、三維工藝視圖生成及管理等功能。與CAPP集成可以自動生成三維表達(dá)的焊裝工藝卡、工序卡、作業(yè)指導(dǎo)書等工藝規(guī)程，圖11是某工序的焊接作業(yè)指導(dǎo)書。

圖10 三維CAPP系統(tǒng)界面

圖11 焊裝作業(yè)指導(dǎo)書

6 結(jié)束語

采用三維模型如何表達(dá)焊接工藝，目前在國際上還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在結(jié)合企業(yè)焊裝工藝二維表達(dá)方案和三維表達(dá)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了多種焊裝工藝三維圖樣表達(dá)方法，形成了一套完整的焊裝工藝三維表達(dá)方案，解決了焊裝三維模型工藝下廠的問題。在某轎車企業(yè)的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了該方案的可行性，大大提高了焊裝工藝設(shè)計(jì)效率和易讀性。

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（編輯 趙蓉）

Study on BIW Welding Process 3D Expression Method and System

ZHAO Xiao-feng1，QU Ya-ning2，QIU Hui-hui2
（1.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture，Ministry of Education，Shandong University，Jinan 250100，China；2.Shandong Hoteam Technologies Co.，Ltd.，Jinan 250101，China）

It is difficult to express and read two-dimension welding process drawings of Body in White，so three-dimension models have being used in process drawings.In order to solve the three-dimensional welding process expression issues，the demand and work flow are analyzed.A process information structure based on MBD models and an expression solution are put forward.This solution contains typical process view program，includes exploded view，workplace layout and welding point distribution.Three-dimensional mark methods of welding seams，welding spots，coating process and some basic notation are developed.This solution is tested and verified at a car welding line，the results shows that this solution could meet the demand of three-dimension welding process.

BIW（body in white）；welding process；3D annotation of process information；welding spot marked

TH165；TG506

A

1001-2265（2015）06-0130-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.035

2014-10-10；

2014-11-11

工信部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金招標(biāo)項(xiàng)目（2012［407］號）

趙曉峰（1977—），男，山東膠南人，山東大學(xué)講師，工學(xué)博士，研究方向?yàn)镃AD、虛擬制造，（E-mail）martin-zxf@163.com。