毛衛(wèi)國(guó),趙炳婕,李斌
(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007;2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司,廣西柳州 545616)
汽車樣車的試制是汽車整個(gè)研發(fā)體系中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié),且有著舉足輕重的作用,樣車試制對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、優(yōu)化指導(dǎo)、產(chǎn)品定型起著決定性的作用。樣車試制的主要目的在于驗(yàn)證和改進(jìn)制造工藝,驗(yàn)證尺寸,保證精度并降低成本。同時(shí),使汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)者能夠通過(guò)后期的試驗(yàn)來(lái)改進(jìn)前期的設(shè)計(jì),以確保最終的量產(chǎn)車型的整車性能滿足要求,達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)值。焊裝是汽車的主要工藝之一,因此樣車焊裝夾具的設(shè)計(jì)與制造是樣車試制必不可少的部分。
隨著樣車試制朝著短周期、高質(zhì)量、低成本的方向發(fā)展,樣車焊裝夾具也朝著更深層次的柔性化夾具發(fā)展。目前,雖然柔性工裝、組合工裝、模塊化工裝等概念已經(jīng)出現(xiàn),但是同行中只有少數(shù)人能夠上升到理論層次進(jìn)行研究,且多被運(yùn)用在正式焊接工裝的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中。樣車試制對(duì)各類工裝的通用性提出了很高的要求,模塊化的設(shè)計(jì)和制造是汽車行業(yè)解決上述問(wèn)題的可行方案之一。
模塊是一組具有相同功能和連接要素的單元,能夠互換卻有不同的規(guī)格、性能和結(jié)構(gòu)。
產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品根據(jù)使用要求,分成若干個(gè)部分,即若干個(gè)模塊,每個(gè)模塊都是具有獨(dú)立功能的單元。同時(shí),產(chǎn)品的不同模塊能夠通過(guò)一致的幾何連接接口和輸入、輸出接口單元進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在模塊化設(shè)計(jì)下,同一種類的模塊在該產(chǎn)品族中能夠重復(fù)使用以及相互替換,并能夠經(jīng)過(guò)排列組合成所需要的產(chǎn)品。故通過(guò)模塊的組合配置,能夠創(chuàng)造出具有不同功能的產(chǎn)品,滿足不同客戶的私人定制需求。通過(guò)相似性模塊的復(fù)用,整個(gè)產(chǎn)品的生命周期流程得到了極大的簡(jiǎn)化。
模塊化設(shè)計(jì)的三大特點(diǎn)為:(1)獨(dú)立性。各個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、制造,便于后期的存儲(chǔ)與組合;(2)通用性。接口部位的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、尺寸標(biāo)準(zhǔn)化,以便實(shí)現(xiàn)互換;(3)互換性。能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品間模塊的通用,組合成不同的產(chǎn)品,節(jié)省時(shí)間與成本。
模塊化設(shè)計(jì)主要經(jīng)歷了原始模塊化、經(jīng)典模塊化、現(xiàn)代模塊化及模塊化時(shí)代等幾個(gè)主要階段。模塊化的設(shè)計(jì)思維起源較早,可追溯到人類文明早期文字出現(xiàn)的時(shí)期。東西方的象形文字、字母都可以看作一個(gè)個(gè)獨(dú)立的模塊單元,經(jīng)過(guò)組合便形成不同意思的文字。自此以后,如活字印刷術(shù)等,也是通過(guò)單元模塊進(jìn)行組合,形成不同的書籍。發(fā)展至20世紀(jì)中期,現(xiàn)代模塊化出現(xiàn)。歐美國(guó)家的高校和企業(yè)逐步提出“模塊化設(shè)計(jì)(Modluar Design)”這一概念,并且越來(lái)越多地受到學(xué)者與開(kāi)發(fā)工程師的重視。隨著經(jīng)濟(jì)全球化、社會(huì)需求多樣性與個(gè)性化的發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)的興起,產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)于時(shí)間與成本的控制愈發(fā)重視,如今的社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了模塊化的時(shí)代。模塊化理論被深化,并在更高層次、更廣泛的范圍內(nèi)被運(yùn)用,如被擴(kuò)展到經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、IT行業(yè)等領(lǐng)域。
目前,“模塊化設(shè)計(jì)(Modluar Design)”在汽車行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,例如大眾汽車的MQB平臺(tái),如圖1所示。
圖1 大眾汽車的MQB平臺(tái)
傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法以模塊化設(shè)計(jì)的基本原理為基礎(chǔ),分析一定范圍內(nèi)功能、性能、規(guī)格不同的產(chǎn)品[1],將其劃分并設(shè)計(jì)成多個(gè)具有不同功能的零部件模塊。產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)以劃分不同的產(chǎn)品功能模塊為前提和基礎(chǔ),其劃分是否合理將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造成本產(chǎn)生影響。因此,一般情況下需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都要從調(diào)查分析客戶對(duì)產(chǎn)品的需求開(kāi)始。
設(shè)計(jì)前需明確產(chǎn)品模塊劃分與設(shè)計(jì)間的關(guān)系:(1)產(chǎn)品模塊劃分程度受到客戶對(duì)產(chǎn)品的功能需求域與產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)域的映射關(guān)系影響;(2)模塊劃分要使得產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)域之間的相互影響程度最小。在明確關(guān)系的基礎(chǔ)上,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析規(guī)劃時(shí),通過(guò)采用恰當(dāng)?shù)姆椒ê侠矸治鲈O(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié),特別是產(chǎn)品的功能域和結(jié)構(gòu)域之間的映射關(guān)系[2]。此外,還要保證劃分的產(chǎn)品模塊在功能和結(jié)構(gòu)上具有一定的相對(duì)獨(dú)立性,即把它們之間的影響因素降到最小。模塊劃分設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 模塊劃分設(shè)計(jì)
在傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上[3],改進(jìn)并創(chuàng)新提出了廣義模塊化設(shè)計(jì)方法,其本質(zhì)上是一種將參數(shù)化、變量化和模塊化集成一體的設(shè)計(jì)方法。
廣義模塊化設(shè)計(jì)方法表達(dá)式為
QT=[FR1,FR2,......,FRi]
(1)
式中:QT為產(chǎn)品結(jié)構(gòu);FRi為產(chǎn)品功能模塊,i=1,2,3,......,n。
產(chǎn)品功能模塊又受到設(shè)計(jì)參數(shù)和約束條件的影響,其表達(dá)式為
FRi=(xi,yj,zk)
(2)
式中:xi為產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)參數(shù),表示模塊結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)約束,i=1,2,......,n;yj為產(chǎn)品模塊工作時(shí)所受的載荷,產(chǎn)品的應(yīng)力、應(yīng)變及剛度、強(qiáng)度等工程約束,j=1,2,......,n;zk為產(chǎn)品模塊由其工作特性而確定的材料特性等參數(shù),k=1,2,......,n。結(jié)構(gòu)參數(shù)xi又可通過(guò)物理參數(shù)yj、zk進(jìn)行優(yōu)化。
當(dāng)產(chǎn)品模塊結(jié)構(gòu)組成鏈中的結(jié)構(gòu)不變時(shí),模塊結(jié)構(gòu)組成鏈之間均通過(guò)接口進(jìn)行互相關(guān)聯(lián),且結(jié)構(gòu)部件可以用參數(shù)來(lái)表達(dá),如式(3)。該類產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)即為廣義模塊化設(shè)計(jì)方法。
FRi=f(xi)
(3)
例如某主機(jī)廠R平臺(tái)的前地板焊合總成零件的結(jié)構(gòu)比較接近,如圖3所示,在GD&T圖中的零件主定位孔的數(shù)量與大小、支撐夾緊面的高度與位置一致性高。因此焊裝夾具定位結(jié)構(gòu)、支撐夾緊結(jié)構(gòu)及檢測(cè)結(jié)構(gòu)也基本一致,能夠?qū)崿F(xiàn)焊裝夾具模塊化設(shè)計(jì)。
圖3 R平臺(tái)前地板焊合總成數(shù)模
夾具結(jié)構(gòu)單元的部品零件分為標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件,分析該主機(jī)廠R平臺(tái)前地板總成的焊裝夾具使用的定位結(jié)構(gòu)以及支撐夾緊結(jié)構(gòu),其標(biāo)準(zhǔn)化程度達(dá)到了75%以上。前地板總成夾具結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)如圖4所示。
圖4 前地板總成夾具結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)
該主機(jī)廠R平臺(tái)前地板總成的焊裝夾具設(shè)計(jì),是使用圖3中的單元組合而成,針對(duì)不同系列不同車型的前地板總成的夾具設(shè)計(jì),只需調(diào)整擺放位置及非標(biāo)件的設(shè)計(jì),如圖5。焊裝夾具制作完成后能滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接的操作要求,如圖6,且焊接總成精度達(dá)到97.4%,如圖7所示。
圖5 前地板總成夾具設(shè)計(jì)
圖6 前地板總成焊接現(xiàn)場(chǎng)
圖7 前地板總成檢測(cè)報(bào)告
基于模塊化設(shè)計(jì)方法的研究,以多款車型總成為研究對(duì)象,根據(jù)總成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及焊裝要求,開(kāi)發(fā)出一款通用性極高的焊裝夾具,模塊化的標(biāo)準(zhǔn)件比例在75%以上,大幅度降低了開(kāi)發(fā)與制造成本。文中的開(kāi)發(fā)思路可進(jìn)一步運(yùn)用到汽車其他總成的焊裝夾具之中。