淺談翻轉(zhuǎn)拼臺設(shè)計及BASE板框架結(jié)構(gòu)改進

洪俊　傅偉　陳周生　程芝群

摘 要：文章介紹一種翻轉(zhuǎn)式雙面安裝工裝夾具的柔性側(cè)圍生產(chǎn)線拼臺，并主要介紹其中BASE板結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用有限元對BASE板框架進行靜力分析，對原BASE板中設(shè)計不合理的地方提出改進方案。為后續(xù)BASE板框架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：BASE結(jié)構(gòu)；工裝夾具；結(jié)構(gòu)改進

近兩年隨著汽車銷量市場火爆，主機廠乘勢加快車型快速研發(fā)及生產(chǎn)，越來越多的新型生產(chǎn)設(shè)備投入生產(chǎn)線。隨之而來的對在利用有限場地生產(chǎn)更多的車型并盡可能少投資設(shè)備的需求也越來越緊急且重要，柔性制造也就順理成章地被各主機廠重視起來，與柔性制造相關(guān)的設(shè)備也逐漸被大量使用，同時柔性制造也是中國制造2025提倡的方向之一。翻轉(zhuǎn)式AB兩面工裝平臺也屬于柔性制造中的一種，此結(jié)構(gòu)利用在一個BASE板的兩面都安裝上可以整體切換的工裝夾具，達到可以柔性生產(chǎn)多種車型目的，簡而言之就是一個可以快速適應(yīng)多種產(chǎn)品生產(chǎn)的夾具平臺；其原理是在BASE板的其中一個面上安裝工裝夾具，以生產(chǎn)一個車型產(chǎn)品；在BASE板另一面上安裝另外一種車型工裝夾具可以準(zhǔn)備著隨時生產(chǎn)另外一種車型產(chǎn)品。這樣的一條翻轉(zhuǎn)BASE板AB面工裝平臺生產(chǎn)線可以滿足在一條生產(chǎn)線上快速生產(chǎn)2種不同車型，并且通過整體切換BASE板面上的工裝達到生產(chǎn)多種車型目的。翻轉(zhuǎn)式AB面BASE板工裝夾具生產(chǎn)線不僅節(jié)約空間，也節(jié)省設(shè)備成本，同時不影響后繼新車型的工裝開發(fā)、驗證，因此類似AB面BASE板柔性生產(chǎn)線應(yīng)用將會更廣泛。

本文主要探討白車身側(cè)圍生產(chǎn)線中的翻轉(zhuǎn)拼臺AB面BASE板結(jié)構(gòu)設(shè)計并借助于CAE做結(jié)構(gòu)剛性分析，以實際3坐標(biāo)測量值驗證在BASE板的結(jié)構(gòu)剛性不足并與CAE的分析結(jié)果比較，最后用CAE分析探索類似AB面翻轉(zhuǎn)BASE板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，并給出以后BASE板設(shè)計優(yōu)化方向。

1 翻轉(zhuǎn)拼臺主要組成

翻轉(zhuǎn)式AB側(cè)圍柔性生產(chǎn)線其中一個拼臺主視圖如圖1所示（翻轉(zhuǎn)式AB側(cè)圍柔性生產(chǎn)線其他的拼臺與此拼臺結(jié)構(gòu)一致，所以僅用一個拼臺來做說明）；AB翻轉(zhuǎn)式側(cè)圍拼臺柔性生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)主要由以下幾大系統(tǒng)組成：（1）AB面BASE板框架結(jié)構(gòu)；（2）支撐座；（3）翻轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置；（4）工裝夾具；（5）電氣控制調(diào)水平裝置；（6）鎖定裝置。

1.1 AB面BASE板框架結(jié)構(gòu)

AB面BASE板框架是翻轉(zhuǎn)式AB側(cè)圍柔性生產(chǎn)線拼臺核心結(jié)構(gòu)件，拼臺工裝單元都安裝在這個承重框架上，如圖2所示。AB面BASE板框架決定工裝夾持車身零件精確性、穩(wěn)定性。故BASE板框架的剛度直接影響到車身側(cè)圍焊接的尺寸合格率。整個BASE板框架最初版結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

如圖2所示，設(shè)計AB面BASE板框架長、寬、高分別為4200mm，1650mm，250mm；安裝工裝鋼板尺寸1950mm×1650mm×20mm， 長條鋼板安裝板（圖3）1650mm×120mm×20mm，方鋼尺寸120mm×80mm×6mm；平臺總重約3500kg。

1.2 支撐架結(jié)構(gòu)

支撐架有左右兩邊鋼構(gòu)組成，鋼構(gòu)底部由可調(diào)螺釘調(diào)節(jié)高度。左邊支撐架由厚30mm鋼板拼焊而成，右邊支撐架由于要承受翻轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置故右邊結(jié)構(gòu)需要比左邊更結(jié)實。右邊支撐架采用150mm×150mm×6mm的方管及16mm厚鋼板作為輔助支撐。

1.3 翻轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置

此翻轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置由1：150減速比齒輪箱及驅(qū)動裝置組成；驅(qū)動裝置通過減速箱把安裝在左右支撐架軸承座上的AB面BASE板框架進行往復(fù)180°翻轉(zhuǎn)。

1.4 工裝夾具

AB兩面分別有34套及35套工裝夾具組成，A面工裝總重約780kg，B面工裝總重約820kg，其重心位置在平臺中心偏向車體尾部；

1.5 電氣控制調(diào)水平裝置

當(dāng)AB面開始翻轉(zhuǎn)并快到位時，就需要電氣控制調(diào)水平裝置自動引導(dǎo)并固定AB面框架在水平位置，保證在混批生產(chǎn)2種車型時AB面工裝來回切換的重復(fù)位置精度；

1.6 鎖定裝置

當(dāng)AB面翻轉(zhuǎn)到位并被電氣控制調(diào)水平后，鎖定裝置把AB面位置最終鎖定，并承受相應(yīng)的壓力。

2 AB面框架結(jié)構(gòu)簡化建模、CAE分析、實際測量結(jié)果

由于翻轉(zhuǎn)拼臺最主要并且能保證生產(chǎn)過程中側(cè)圍產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性的就是AB面BASE板框架，故以下將重點對BASE板結(jié)構(gòu)存在問題及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析做詳細說明。

2.1 AB面框架結(jié)構(gòu)實際存在問題

在用3坐標(biāo)測量后，如下圖4所示框架紅色區(qū)域最大形變量有2.009mm（如圖5 三坐標(biāo)測量的數(shù)據(jù)：Y向坐標(biāo)值所示），局部形變過大導(dǎo)致在現(xiàn)場安裝完后時需更多的時間進行現(xiàn)場調(diào)整、整改；因此引入CAE后，能在設(shè)計之初找到結(jié)構(gòu)剛性判斷依據(jù)及一些關(guān)鍵參數(shù)，并對后續(xù)框架設(shè)計改進提供理論基礎(chǔ)、實踐經(jīng)驗；

2.2 AB面框架結(jié)構(gòu)建模

按照加工數(shù)模來做CAE不僅時間成本及硬件成本需求很大，而且所得數(shù)據(jù)對精度貢獻微乎其微，故需要對原設(shè)計的AB面框架結(jié)構(gòu)數(shù)模進行簡化及優(yōu)化處理；簡化后的BASE板數(shù)模如下圖6所示。

2.3 有限元模型建立

在劃分網(wǎng)格前先對模型進行預(yù)處理：選好材料參數(shù)，這里選擇普通碳鋼Q235，選定彈性模量2.065e5Mpa，泊松比0.3，材料密度7850kg/m3；對AB面分別加載均布820kg及780kg；設(shè)定重力方向；設(shè)定好邊界條件；將上述簡化后數(shù)模按照步驟開始做網(wǎng)格劃分，并優(yōu)化局部網(wǎng)格精度；網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。整個模型共生成271781個單元。根據(jù)以上步驟得出結(jié)構(gòu)位移云圖，如圖8所示。

按照圖8所示，最大位置在圖形中央位置A區(qū)域內(nèi)，Y方向變形位移為1.217mm；考慮到還有焊接質(zhì)量、安裝裝配質(zhì)量及軸承間隙等影響，實際AB板的變形位移量將會更大。由于此CAE分析是在加工完成后才做的，因此沒有用CAE結(jié)果指導(dǎo)原設(shè)計方案改進，導(dǎo)致現(xiàn)場安裝、調(diào)試、整改時花費大量時間。但從CAE提供的BASE板變形數(shù)據(jù)結(jié)果上看，雖然結(jié)果與實際3坐標(biāo)測量的數(shù)據(jù)（圖8所示）有出入，但是考慮到分析過程中沒有計算到額外重量及加工、裝配條件，這個分析結(jié)果還是有指導(dǎo)意義的，并且所顯示的最大位移區(qū)域與3坐標(biāo)測量值顯示的區(qū)域一致。因此，CAE對于此AB板結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義將是用于在設(shè)計前期就用CAE對設(shè)計的設(shè)備結(jié)構(gòu)剛度進行校核分析，在達到位移要求的設(shè)計量后才能加工，減少現(xiàn)場安裝調(diào)試時間。

2.4 對后續(xù)框架設(shè)計提出的優(yōu)化方向及相應(yīng)分析結(jié)果

由圖8 Y向位移云圖可知，剛性薄弱的地方出現(xiàn)在BASE板中部，與力學(xué)分析認(rèn)知一致，故加強中間橫梁的剛性是解決主要方式。改進設(shè)計如下：（1）增加一根縱梁，并把原貼在橫梁上的板改為貼在縱梁上，以加強縱梁剛性；（2）在縱梁中部貼板（此加強板可以進一步優(yōu)化減重設(shè)計）；（3）把原整塊的夾具安裝板進一步挖空、減重，僅留下安裝工裝夾具區(qū)域；BASE板改進結(jié)構(gòu)如下圖9所示，并對新結(jié)構(gòu)按照同樣的條件做CAE分析；新結(jié)構(gòu)結(jié)果在Y方向的位移量為0.2508mm，是原設(shè)計的結(jié)構(gòu)變形量約20%；改進結(jié)果還是較為滿意的，并繼續(xù)按照這個方向改進，不僅可以保持BASE相對重量變化不大，還能大幅減少形變。

3 結(jié)束語

本文主要對一種翻轉(zhuǎn)式AB面?zhèn)葒嵝陨a(chǎn)線拼臺中的BASE板框架結(jié)構(gòu)存在的剛性問題進行分析，建立BASE板框架簡化數(shù)模，并使用CAE進行剛度分析，找出問題的原因，并提供優(yōu)化后的設(shè)計方案。從最初設(shè)計框架的實際測量數(shù)據(jù)顯示，雖然BASE板的強度和剛度都沒有超過材料的屈服強度，但是對于生產(chǎn)工藝中要求的BASE板框架結(jié)構(gòu)不僅滿足材料強度，更重要的是滿足整體剛度，而CAE提供了方便、快捷、準(zhǔn)確的計算出結(jié)構(gòu)剛度方法并提供改進方向。經(jīng)過此次設(shè)計、安裝、整改驗證，為后續(xù)類似翻轉(zhuǎn)AB面BASE板框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造及改進提供了較好的理論依據(jù)及實踐經(jīng)驗。

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作者簡介：洪俊（1982，11-），男，廣西柳州人，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，主要從事車身焊裝方面的工作。