基于逆向工程的焊接夾具改造技術(shù)研究

吳鈞

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

隨著制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇。企業(yè)必須以最低的成本、最快的速度、高質(zhì)量的產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于領(lǐng)先位置。汽車(chē)的制作精度以及汽車(chē)車(chē)體的生產(chǎn)周期同汽車(chē)焊接夾具的要求相關(guān)性非常高，人們對(duì)于汽車(chē)焊接夾具的要求越來(lái)越高，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們要格外的注意。傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)，都是在通過(guò)產(chǎn)品已知的性能要求的情況下，按照產(chǎn)品的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)圖稿的定稿，然后再根據(jù)圖稿的要求去設(shè)計(jì)夾具，是從無(wú)到有的正向設(shè)計(jì)。然而將一些實(shí)物模型在沒(méi)有任何生產(chǎn)參數(shù)的情況下進(jìn)行生產(chǎn)，我們就需要通過(guò)一定的手段對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行三維的模擬，還原其原始數(shù)據(jù)，這時(shí)候就需要逆向工程。

逆向工程（也稱(chēng)逆向技術(shù)）是產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的復(fù)制過(guò)程，通常分為三類(lèi)：軟件逆向工程，產(chǎn)品逆向工程與影像逆向工程。逆向工程是將物理對(duì)象轉(zhuǎn)化為與CAD模型相關(guān)的數(shù)字技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)的總稱(chēng)。也就是說(shuō)，目標(biāo)產(chǎn)品根據(jù)獲得的信息對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行反向分析和深入研究，掌握關(guān)鍵技術(shù)，并解釋和推導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)。產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，加工流程，功能特性和技術(shù)規(guī)格的設(shè)計(jì)元素被用于生產(chǎn)具有類(lèi)似功能但不完全相同的同類(lèi)產(chǎn)品。逆向工程源于商業(yè)和軍事領(lǐng)域的硬件分析，其主要目的是直接從成品中分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理，而不會(huì)輕易獲得必要的生產(chǎn)信息。

1 汽車(chē)焊接夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)起步較晚，焊接夾具的技術(shù)不夠成熟。在焊接夾具的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，缺乏完善的系統(tǒng)和管理方法，對(duì)焊接夾具的進(jìn)一步發(fā)展和進(jìn)步造成了影響。近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，雖然焊工夾具制造商逐漸增多，但規(guī)模和管理水平不多，尤其是在實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)計(jì)中仍然存在著缺陷和不足，管理人員的管理水平及能力不夠理想，在實(shí)際使用過(guò)程中，不能充分考慮焊接夾具的各種需要。所以，大型汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的焊接夾具基本上依賴(lài)進(jìn)口，設(shè)計(jì)成本和加工成本增加，影響汽車(chē)價(jià)格。

2 汽車(chē)焊接夾具在設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

在汽車(chē)焊接生產(chǎn)線中，焊接操作實(shí)際使用的工作量只有30%到40%，輔助和夾緊工作的工作量從60%到70%不等。由于夾具是在焊接夾具上完成的，所以?shī)A具在整個(gè)焊接過(guò)程中起著重要的作用。在焊接過(guò)程中，合理的夾具結(jié)構(gòu)有利于生產(chǎn)線的合理布置，便于時(shí)間平衡，減少非生產(chǎn)時(shí)間。對(duì)于有多種型號(hào)的公司，如果能夠科學(xué)地考慮共用或混合夾具，也有利于混合型裝配流水線的建設(shè)，提高生產(chǎn)效率。汽車(chē)車(chē)身焊接夾具的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常全面和綜合的技術(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定生產(chǎn)程序，熟悉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，了解變形特點(diǎn)，掌握零件和裝配精度，熟悉工藝要求。只有這樣才能將焊接夾具設(shè)計(jì)成各個(gè)方向。

（1）汽車(chē)焊接夾具的主要分類(lèi)。從驅(qū)動(dòng)形式方面我們對(duì)焊接夾具進(jìn)行分類(lèi)，可以分為無(wú)驅(qū)動(dòng)形式、氣動(dòng)形式、手動(dòng)形式、真空形式、液壓形式、混合形式的焊接夾具。在汽車(chē)生產(chǎn)制作過(guò)程中最為廣泛的手動(dòng)形式以及氣動(dòng)形式的汽車(chē)焊接夾具。在細(xì)分情況下，無(wú)驅(qū)動(dòng)形式的焊接夾具又可以分為應(yīng)用定位塊來(lái)進(jìn)行焊接定位的焊接夾具和應(yīng)用定位塊進(jìn)行焊接定位的焊接夾具。從汽車(chē)車(chē)身焊接夾具的用途功能分類(lèi)，主要包括：裝配用夾具、焊接用夾具和檢驗(yàn)用夾具等。汽車(chē)車(chē)身焊接夾具的工作范圍分類(lèi)主要有兩種，特殊夾具和萬(wàn)能夾具。還有三類(lèi)固定裝置，固定裝置、可移動(dòng)裝置和懸掛裝置。

（2）汽車(chē)焊接夾具設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著科技的發(fā)展以及人們對(duì)汽車(chē)文化的追求，舒適安全又不失個(gè)性成為追逐的共同點(diǎn)，這使車(chē)身結(jié)構(gòu)朝著穩(wěn)定化、結(jié)構(gòu)合理化發(fā)展。所以伴隨著新的車(chē)身材料和新的車(chē)身結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，車(chē)身結(jié)構(gòu)也開(kāi)始朝著輕量化和合理化的方向發(fā)展，使得同時(shí)對(duì)焊接方法提出新的要求，從而對(duì)汽車(chē)焊裝夾具的設(shè)計(jì)和制造提出新的要求。生產(chǎn)規(guī)模和管理水平難以達(dá)到我們理想的水平。所以基于逆向工程的汽車(chē)焊接夾具設(shè)計(jì)便應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)逆向工程研究三維汽車(chē)焊接夾具可以降低制造成本，縮短設(shè)計(jì)周期并使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。因此，它逐漸取代了傳統(tǒng)的前向設(shè)計(jì)和二維平面設(shè)計(jì)。縮短設(shè)計(jì)周期，搶占市場(chǎng)先機(jī)，大大提高設(shè)計(jì)效率，提高設(shè)計(jì)效率還可以復(fù)制現(xiàn)有產(chǎn)品，恢復(fù)損壞的產(chǎn)品或零件。這在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

3 焊接夾具改造基本流程和內(nèi)容

基于逆向工程的汽車(chē)焊接夾具自動(dòng)化的改造主要包括CAD模型重構(gòu)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集等，這兩點(diǎn)是焊接夾具改造的重中之重。掃描前要做一些前期準(zhǔn)備工作，要對(duì)被測(cè)件進(jìn)行觀察，對(duì)一些反光點(diǎn)表面噴涂顯影劑。之后再對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行光學(xué)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一般采用TRITOP和ATIOS系統(tǒng)，便攜式TRITOP攝影測(cè)量系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地測(cè)量物體的三維坐標(biāo)。相對(duì)傳統(tǒng)接觸式三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x而言，現(xiàn)在可以用TRITOP系統(tǒng)更輕松地展開(kāi)測(cè)量工作。不需要任何復(fù)雜、沉重和精密維護(hù)的硬件，像接觸式坐標(biāo)測(cè)量?jī)x一樣，TRITOP能記錄任何特征空間的坐標(biāo)及其方向：曲面點(diǎn)和截面基元、孔、沖孔和邊、直徑、長(zhǎng)度、角度等，確定三維坐標(biāo)以后，測(cè)量系統(tǒng)將會(huì)把測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到部件坐標(biāo)系統(tǒng)中，把實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與CAD數(shù)據(jù)（IGES、VDA、STEP、Catia、ProE、UG 等）進(jìn)行比較，TRITOP是一套便攜、易用的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，能精確定義準(zhǔn)靜態(tài)條件下物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并由此計(jì)算出各種物體和組件的三維位移及形變。

ATOS系統(tǒng)在很多工業(yè)領(lǐng)域中，接觸式坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)和量具正在被光學(xué)三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)所取代。運(yùn)用新技術(shù)，可顯著縮短測(cè)量時(shí)間，同時(shí)保證有效攝取物體，獲取的信息數(shù)據(jù)更詳細(xì)、更易于評(píng)估。ATOS采用普通光作為光源，利用投影光柵原理通過(guò)CCD采集數(shù)據(jù)，它的工作原理如下：將光源投影到異性工件的表面，此時(shí)光柵影像發(fā)生變形。從不同角度用數(shù)碼相機(jī)抓取，經(jīng)過(guò)數(shù)字圖像處理后，大約四十萬(wàn)個(gè)攝像像素中每一個(gè)像素點(diǎn)的3D坐標(biāo)系值獨(dú)立而較精確的計(jì)算出來(lái)，并在每一步的測(cè)量過(guò)程中同時(shí)校準(zhǔn)圖形特征，因而投影中可能出現(xiàn)的變化，但是不會(huì)影響最后的結(jié)果。測(cè)量過(guò)程中測(cè)量?jī)x可以自由地繞著被測(cè)物體移動(dòng)。物體的表面數(shù)據(jù)一般是由許多不同位置的測(cè)量區(qū)域拼接組成，然后把結(jié)果直接變換到目標(biāo)坐標(biāo)系中。

通過(guò)ATOS系統(tǒng)，可獲得關(guān)于三維坐標(biāo)跟CAD數(shù)據(jù)間偏差的全場(chǎng)數(shù)據(jù)。由于這些測(cè)量數(shù)據(jù)包含了相關(guān)物體的所有信息，因此除了與CAD的曲面偏差，其應(yīng)用軟件還自動(dòng)提供類(lèi)似形位公差（GD&T）、剪切值和孔位等詳細(xì)檢測(cè)信息。掃描后，ATOS軟件自動(dòng)根據(jù)已標(biāo)識(shí)參考點(diǎn)將各次掃描數(shù)據(jù)將它們轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系中，然后就能得到完整的汽車(chē)焊接夾具點(diǎn)云。之后進(jìn)行點(diǎn)云的數(shù)字網(wǎng)格化等預(yù)處理，以stl格式輸出數(shù)據(jù)。將處理之后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入指定軟件中（一般有UG、CATIA、Solid Works、Pro/E），CATIA是 集 CAD/CAE/CAM于一體的軟件，并擁有強(qiáng)大的逆向設(shè)計(jì)應(yīng)用功能。然后用CATIA進(jìn)行CAD曲面重構(gòu)，建立模型。然后結(jié)合自動(dòng)化改造的一些要求對(duì)逆向建立好的模型進(jìn)行干涉性分析，主要是對(duì)自動(dòng)化之后加工的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，看路徑是否合理。然后根據(jù)干涉性分析出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)更改和調(diào)整，直至最終確定結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)焊接夾具的逆向設(shè)計(jì)和改造極大地提高了焊接的準(zhǔn)確性和焊接的可靠性，為汽車(chē)焊接夾具的未來(lái)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著生產(chǎn)力的提高，汽車(chē)行業(yè)也在迅速發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)要想在世界占有一席之地就必須提高自主創(chuàng)新能力，不能一直依賴(lài)進(jìn)口汽車(chē)焊接夾具，要提高管理人員的管理水平及能力，在實(shí)際使用過(guò)程中，充分考慮焊接夾具的各種需要，做出自己的汽車(chē)焊接夾具。目前，逆向工程被用于研究汽車(chē)焊接夾具的三維正向汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展，而正向的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和二維飛機(jī)設(shè)計(jì)正在逐步取代生產(chǎn)成本低、設(shè)計(jì)周期短和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。