白車身焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化夾具設計系統(tǒng)及應用*

鄭聯(lián)語 高浩 吳約旺

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院；數(shù)字化設計與制造北京市重點實驗室）

在汽車制造過程中，相對于涂裝線和總裝線來說，焊裝線的剛性強，不同車型間通用性差，新車型生產(chǎn)線部署均需重新設計焊裝夾具，從而造成市場滯后，影響企業(yè)效益[1]。因此，許多學者在三維CAD系統(tǒng)中對焊裝夾具輔助設計進行了研究，如文獻[2-3]等，但是研究多集中在庫的歸類整理以及資源文件的機智調(diào)用上，在與焊槍的可達性干涉關(guān)系、定位夾緊塊以及夾具二維與三維關(guān)聯(lián)等設計上鮮見涉及。文章在對焊裝夾具整個設計過程，尤其是工作內(nèi)容重復、繁瑣及效率低的環(huán)節(jié)，進行分析研究的基礎(chǔ)上，設計開發(fā)了汽車白車身焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化工藝與夾具設計系統(tǒng)，以提高設計的工作效率。

1 結(jié)構(gòu)與功能

汽車白車身焊裝生產(chǎn)線工藝及夾具設計軟件系統(tǒng)是面向汽車白車身焊裝工藝的輔助軟件系統(tǒng)，主要由6個模塊組成，其功能與結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

其中，焊點批處理能夠?qū)更c進行批量格式化導入和焊點劃分；主控點面（MCP/MCS）設計能夠?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)線資源庫管理則對標準件、外購件以及型材和定位銷進行快速創(chuàng)建生成和管理，為夾具設計提供資源支撐；實用工具能夠?qū)崿F(xiàn)螺栓銷批量裝配、坐標系變換和批量打孔；工程圖生成模塊可進行由三維模型到二維工程圖的批量生成與工程圖快速標注。

2 工作流程

焊裝夾具的作用是保證汽車零部件之間的裝配關(guān)系以及焊接操作的可行性，進而確保汽車的生產(chǎn)質(zhì)量。設計主要包括概念設計、結(jié)構(gòu)設計和優(yōu)化設計3個階段。概念設計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)設計則是進行夾具的三維建模，將設計的各元件進行裝配組合，對車身板件進行定位夾緊；優(yōu)化設計的工作是驗證焊點焊接可行性以及夾具空間結(jié)構(gòu)的合理性[4]。

根據(jù)汽車白車身焊裝夾具設計工藝流程，通過系統(tǒng)中不同模塊在不同工藝環(huán)節(jié)的應用，可快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出與夾具設計，如圖2所示。焊點處理和MCP/MCS模塊主要作用于概念設計；資源庫、實用工具和工程圖模塊主要作用于結(jié)構(gòu)設計；焊槍仿真模塊主要作用于優(yōu)化設計。

3 關(guān)鍵功能模塊

3.1 資源庫管理

資源庫管理包括標準件（含企標）、外購件、專用件及型材的創(chuàng)建與管理等，這為夾具設計提供了龐大的數(shù)據(jù)庫資源支持，是實現(xiàn)自動化夾具設計的基礎(chǔ)。

通常性夾具設計過程中，只需設計人員通過資源庫中數(shù)模的調(diào)用即可實現(xiàn)夾具單元的初步三維設計，如圖3所示，該定位夾緊單元主要由外購件（氣缸）、企標件（支撐座、定位銷、定位塊及限位塊）及國標件（螺釘和螺栓）組成，這些零部件均可通過資源庫按規(guī)格參數(shù)調(diào)用裝配。

通過多層級的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)以Catalog的數(shù)據(jù)形式實現(xiàn)零部件的快速出入庫，極大地方便了管理員進行庫資源維護，同時，通過服務器共享即可實現(xiàn)所有其他夾具設計者的快速調(diào)用。

3.2 焊點處理與焊槍仿真

焊點處理與焊槍仿真是焊裝夾具三維設計中必不可少的重要環(huán)節(jié)，焊槍仿真的結(jié)果直接決定了設計者應當如何修改焊裝夾具的三維結(jié)構(gòu)，修改后再進行焊槍仿真，如此反復直至成功保證所有焊點的焊接可達性。目前焊槍插入都是靠設計者手動操作與調(diào)整，如圖4所示，從世界坐標系原點位置A到仿真最終位置B的調(diào)整，費時費力。因此，如此反復的過程成為控制焊裝夾具三維結(jié)構(gòu)設計的瓶頸。

在該系統(tǒng)中，以上復雜過程都通過程序自動執(zhí)行實現(xiàn)，大大提高了焊槍插入與仿真的效率。系統(tǒng)通過對GSMPoint和Excel等格式原始焊點文件讀取，獲取焊點信息，配合焊點目標板件的三維數(shù)模，獲知焊點的法向，再加以與世界坐標軸系的統(tǒng)一變換，從而建立包含坐標原點及法向信息的標準焊點信息模型。在焊點處理的同時，在資源庫模塊完成了對焊槍庫的建立。因此，設計者只需選擇焊點與焊槍規(guī)格即可直接實現(xiàn)焊槍插入、焊槍裝配及焊槍替換等所有仿真操作，有效地突破設計瓶頸。

3.3 定位夾緊塊自動創(chuàng)建

定位夾緊塊是整個焊裝夾具的定位基準，因此其坐標系與車身坐標系必須保持一致，所以其需要創(chuàng)建在特定世界點。主機廠提供的工藝文件一般都是以Excel文件存在，定位點在文件中的表示只有二維信息。圖5示出車身側(cè)圍的定位信息，其只有x，z 2個坐標，而定位塊y方向上端面的形狀需與車身曲面一致，此時一般需要設計者手工提取定位塊所在的車身面去分割定位塊，而形成貼合車身的主控面。

為實現(xiàn)定位塊的創(chuàng)建，系統(tǒng)首先創(chuàng)建軸系，并以此為基準，創(chuàng)建定位塊數(shù)模，如圖6所示。通過參數(shù)驅(qū)動的方式對軸系進行更改，實現(xiàn)數(shù)模在世界坐標系下的定位與姿態(tài)調(diào)整。定位塊模型定義時，除軸系包含的原點信息和3個坐標軸向量信息外，同時定義6條標記線（x，y，z用于世界坐標系下位置調(diào)整；u，v，w 用于當前軸系下姿態(tài)調(diào)整）。參數(shù)化驅(qū)動調(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身數(shù)模相交面的提取，以此作為整個焊裝夾具單元的MCS，至此，就完成定位塊的自動布局和三維設計。

3.4 批量打孔與螺栓銷快速裝配

批量打孔與螺栓銷快速裝配是對白車身焊裝夾具細節(jié)設計的高效處理模塊。批量打孔功能系統(tǒng)提供無孔源打孔和有孔源打孔2種方式，可以實現(xiàn)銷孔、釘孔及螺紋孔的成組創(chuàng)建，同時，按照企業(yè)設計標準規(guī)范一次性完成所有孔的孔徑、孔深、孔類型及孔面顏色等參數(shù)設定，如L-Block和Clamp上的兩釘兩銷。螺栓銷快速裝配可以實現(xiàn)在不同孔源位置進行多規(guī)格螺栓及定位銷的一次性批量插入、裝配、定位及打包[5]。

通過設計人員選擇孔元素和設定孔參數(shù)進行批量打孔，無孔源打孔需要選擇“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，無孔源打孔還可以設置孔與孔元素的定位尺寸，并隨時關(guān)聯(lián)修改。批量打孔完成之后，設計人員即可進行螺栓銷快速裝配，通過選擇類型、一孔、一面，由系統(tǒng)自動推薦合適規(guī)格螺栓銷，并獲取雙向裝配元素信息進行裝配，該操作可重復進行，從而實現(xiàn)批量化螺栓銷的自動裝配。

3.5 工程圖生成與標注

在焊裝夾具三維設計完成之后，國內(nèi)企業(yè)需要生成工程圖，用于夾具的機械加工。工程圖生成與標注模塊用于實現(xiàn)從夾具三維數(shù)模直接生成二維圖各個視圖，同時，快速進行基準尺寸、尺寸公差、粗糙度及孔符號等圖紙標注。通過零件屬性快速附注等功能，該系統(tǒng)快速輔助設計者完成三維結(jié)構(gòu)件必備信息，甚至搭建完整MBD三維模型[6]。本系統(tǒng)工程圖模塊對全部基于MBD的三維零件信息進行遍歷，從而實現(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、標題欄、明細表（包括裝配氣泡圖）及尺寸等元素信息，系統(tǒng)將此信息進行數(shù)據(jù)模塊化處理，通過不同數(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)進行工程圖生成時，只需循環(huán)進行類模塊的組合與順序執(zhí)行即可完成全部零部件工程圖，從而實現(xiàn)工程圖批量性自動化生成[7]，如圖8所示。

4 系統(tǒng)應用

以國內(nèi)某款車型的掀背門焊裝夾具設計為例，進行本系統(tǒng)的功能驗證與工程應用。

在掀背門焊裝夾具設計之前，設計人員根據(jù)車體數(shù)模及工藝需求已經(jīng)完成掀背門的焊點劃分，可直接進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)喉深喉寬進行篩選，通過用戶交互選擇焊點及其對應的面，并在CATIA3D視圖中選擇焊槍或從庫中選擇（換槍則需重選）。系統(tǒng)同時設計了焊槍姿態(tài)的反向和復制功能，為焊槍快速操作提高途徑。

通過點選車身曲面，將定位夾緊塊導入預覽圖中，此時可按二維定位信息文件對其世界坐標值進行約整，而后按照預覽圖中的指示調(diào)整平移和旋轉(zhuǎn)至合適的姿態(tài)，如圖10所示。

焊槍庫與定位夾緊塊都是通過資源庫模塊直接調(diào)用使用。同時，利用資源庫中的常用夾具零部件調(diào)用裝配，即可初步完成掀背門焊裝夾具主體框架的三維設計。通過焊槍仿真的模擬指導夾具的三維詳細設計，設計完成后再次仿真驗證，驗證無誤之后調(diào)用批量打孔及螺栓銷快速裝配等實用工具模塊進行夾具的細節(jié)設計，最終完成夾具三維數(shù)模的設計，如圖11所示。三維設計完成后，通過零件屬性附注和工程圖生成（如圖12所示）等模塊進行二維設計，完成夾具的工程圖批量出圖。應用本系統(tǒng)完成該掀背門的焊裝夾具設計約經(jīng)歷30 h，充分驗證了本系統(tǒng)的高效性，取得了明顯的應用效果。

5 結(jié)論

通過研究汽車白車身焊裝夾具設計流程及技術(shù)信息，基于主流數(shù)字化制造平臺（CATIA/DELMIA）設計開發(fā)了面向汽車白車身焊裝生產(chǎn)線的數(shù)字化夾具設計系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下特點：

1）功能完整性：系統(tǒng)涵蓋了焊裝夾具設計三大環(huán)節(jié)，同時包含了設計完成后的出圖、標注及BOM表匯總等各個環(huán)節(jié)，形成了一套完整的汽車白車身焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化夾具設計系統(tǒng)；

2）信息集成性：本系統(tǒng)可完全融于企業(yè)現(xiàn)有三維設計軟件（CATIA/DELMIA），實現(xiàn)與原有功能的無縫集成；

3）實用高效性：本系統(tǒng)已經(jīng)在企業(yè)得到了廣泛工程應用，充分驗證了該系統(tǒng)的高效性，可大幅提高汽車白車身生產(chǎn)線設計效率，增強其自動化與數(shù)字化程度。