關(guān)于白車身裝焊夾具的設(shè)計(jì)及點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接仿真分析

浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 葛國(guó)華

關(guān)于白車身裝焊夾具的設(shè)計(jì)及點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接仿真分析

浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 葛國(guó)華

整車產(chǎn)品想要實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的穩(wěn)步提升，離不開(kāi)白車身焊接技術(shù)的幫助，其對(duì)于整車質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響作用，同時(shí)對(duì)整車產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其行駛安全等也同樣起到了直接的正向影響。在此背景下，本文將從簡(jiǎn)單介紹白車身及焊裝夾具入手，以左前縱梁輪罩分總成為例，簡(jiǎn)要分析研究白車身裝焊夾具的設(shè)計(jì)及點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接仿真，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員提供必要參考。

白車身；裝焊夾具；點(diǎn)焊機(jī)器人；焊接仿真

引言

在轎車白車身焊裝夾具的設(shè)計(jì)當(dāng)中，最為重要的部分便是白車身左前縱梁輪罩分總成，其焊裝夾具設(shè)計(jì)直接影響這后續(xù)的焊接工作。而在白車身焊接當(dāng)中，又以點(diǎn)焊技術(shù)使用最為頻繁。因此本文將通過(guò)從主要指標(biāo)、邏輯結(jié)構(gòu)以及典型結(jié)構(gòu)等出發(fā)，對(duì)左前縱梁輪罩分總成的三維夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)之上配合相應(yīng)的仿真軟件，利用虛擬建模的方式對(duì)點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接仿真進(jìn)行分析。

一、白車身及裝焊夾具的簡(jiǎn)單介紹

所謂的白車身指的就是未進(jìn)行涂裝以及內(nèi)飾件總裝的車身，通常是由裝焊的薄板沖壓零件沖壓件構(gòu)成，也就是在安裝之前四門(mén)兩蓋的車身骨架。其作為轎車子系統(tǒng)包括電氣、行駛、動(dòng)力系統(tǒng)等在內(nèi)的重要載體之一，不僅直接影響著轎車的外觀質(zhì)量，同時(shí)也對(duì)轎車的動(dòng)力、舒適、平順等性能有著至關(guān)重要的影響。在轎車總車的生產(chǎn)制造當(dāng)中，白車身的制造技術(shù)顯得尤為重要。

裝焊夾具則指的是在裝焊階段當(dāng)中所用夾具，鑒于其在規(guī)格方面尚未統(tǒng)一，因此并不是一種標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)與制造工藝設(shè)備，不同車型、不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、不同生產(chǎn)條件等需要的裝焊夾具也各不相同。但總體來(lái)說(shuō)，一般的裝焊夾具主要包括定位件和夾緊件、支撐件和限位件、基礎(chǔ)件以及傳動(dòng)件+源動(dòng)件，依照具體要求對(duì)各零部件位置進(jìn)行明確，而后通過(guò)適當(dāng)調(diào)整焊點(diǎn)與焊縫從而順利完成焊接工作。

二、左前縱梁輪罩分總成三維夾具設(shè)計(jì)

（一）主要指標(biāo)

在設(shè)計(jì)左前縱梁輪罩分總成三維夾具的過(guò)程當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)結(jié)果，因此為有效保障設(shè)計(jì)科學(xué)合理，需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)估與判斷。而在此過(guò)程中，夾具設(shè)計(jì)的評(píng)估指標(biāo)則主要分為功能滿足情況、可制造性與可裝配性。其中在功能滿足的指標(biāo)當(dāng)中，又被細(xì)分為裝夾可靠性與精度滿足情況、剛度與功能的滿足情況[1]。而在可制造性的評(píng)估指標(biāo)當(dāng)中，其又被細(xì)分為制造時(shí)間及成本指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)夾具元件的程度及可加工性。在明確了左前縱梁輪罩分總成三維夾具設(shè)計(jì)的評(píng)估指標(biāo)后即可進(jìn)入到夾具的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

（二）邏輯結(jié)構(gòu)

在正式開(kāi)始進(jìn)行左前縱梁輪罩分總成三維夾具的設(shè)計(jì)之后，首先需要對(duì)相關(guān)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確讀取，用以分析出工件的表面形狀以及其面、孔是否已經(jīng)準(zhǔn)確定位或是存在空間曲面等，從而保障夾具設(shè)計(jì)的科學(xué)、有效、合理。此后將平面設(shè)置為夾具設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，參照這一基準(zhǔn)將其他夾具元件放置在指定位置上，并盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件，以提升夾具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化程度。在完成夾具設(shè)計(jì)后需要對(duì)其質(zhì)量特性、夾具特性等進(jìn)行全方位的嚴(yán)格檢驗(yàn)，確保其準(zhǔn)確無(wú)誤符合標(biāo)準(zhǔn)要求之后根據(jù)元件使用材料計(jì)算出質(zhì)量并在二維工程圖當(dāng)中標(biāo)注清楚，最后對(duì)三維和二維圖進(jìn)行妥善保管之后即完成整個(gè)左前縱梁輪罩分總成三維夾具的設(shè)計(jì)工作。

圖1 裝焊夾具典型結(jié)構(gòu)及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

（三）典型結(jié)構(gòu)

圖1展示的就是裝焊夾具的典型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其主要是由支撐座、過(guò)渡板、氣缸、定位銷等零件和部件組合而成。其中上下限位塊負(fù)責(zé)限位以避免因操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е聤A具夾緊時(shí)出現(xiàn)打壞工件的問(wèn)題；壓緊塊與支撐塊則相互配合用以型面定位，而過(guò)渡板顧名思義則主要用于支撐座等部分的過(guò)渡，定位和夾緊元件通常都需要安裝于此。調(diào)整墊大約有3到5mm厚，負(fù)責(zé)對(duì)方向上距離進(jìn)行精確調(diào)整；定位稍需要兩個(gè)以上同樣用于對(duì)距離進(jìn)行精密調(diào)整，通過(guò)氣缸的帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝焊夾具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如果C1、C2用分別表示活塞桿頂點(diǎn)在壓緊狀態(tài)以及打開(kāi)狀態(tài)下的具體位置，用A、B分別表示銷軸和安裝氣缸的支點(diǎn)，令氣缸圍繞B點(diǎn)擺動(dòng)，壓緊臂則在活塞桿的帶動(dòng)下圍繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，則氣缸打開(kāi)時(shí)的狀態(tài)則為AC2B。根據(jù)相關(guān)公式并代入相應(yīng)數(shù)值可以求出BC2的長(zhǎng)度值，即在本文選擇的裝焊夾具當(dāng)中。氣缸的壓緊狀態(tài)則可以用AC1B表示，且AC1與AC2相等。如果用L表示氣缸的形成，那么，打開(kāi)的壓緊臂具體角度就是。通常情況下行程L與有著線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)行程L不斷增大時(shí)，也將隨之不斷變大。

（四）設(shè)計(jì)方案

在本文的設(shè)計(jì)方案當(dāng)中選擇使用在側(cè)翻壓緊結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上改進(jìn)的支撐壓緊結(jié)構(gòu)，代替典型結(jié)構(gòu)中的支撐壓緊結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)方案中工件從水平狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài)，側(cè)翻壓緊和支撐壓緊結(jié)構(gòu)均受制于氣缸，通過(guò)帶動(dòng)壓緊臂完成打開(kāi)或是壓緊運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)壓緊臂上定位稍、壓緊塊的帶動(dòng)，使其也可以完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)和定位任務(wù)。考慮到在以往裝焊夾具典型結(jié)構(gòu)當(dāng)中其支撐壓緊結(jié)構(gòu)雖然可以有效完成豎直面上的定位，但元件放置距離比較靠近，容易出現(xiàn)相互干擾的問(wèn)題[2]。因此本文提出的設(shè)計(jì)方案則增加了壓緊臂上連接的定位稍以及壓緊塊，定位點(diǎn)與過(guò)渡板相互垂直形成一種兩翼張開(kāi)式的結(jié)構(gòu)，因此即便其需要完成大量分散的定位任務(wù)，整個(gè)機(jī)構(gòu)均在側(cè)面運(yùn)動(dòng)，元件和元件之間也能保持一定距離，彼此之間不會(huì)相互干擾。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中選擇在小車上放置夾具以方便夾具的移動(dòng)管理，而小車當(dāng)中設(shè)有兩個(gè)基準(zhǔn)槽，負(fù)責(zé)作為夾具安裝的定位基準(zhǔn)，夾具中使用了10個(gè)支撐座和11個(gè)氣缸。其設(shè)計(jì)成本比較低廉，但大量的定位塊與定位稍必將增加墊片承擔(dān)的負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)間的使用必將導(dǎo)致墊片出現(xiàn)磨損，失去原有的定位精度，因此在使用這一設(shè)計(jì)方案時(shí)還需要對(duì)墊片進(jìn)行定期檢查更換。

三、點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接仿真分析

（一）仿真軟件

在本文的點(diǎn)焊機(jī)器人仿真分析當(dāng)中，筆者選擇使用當(dāng)前應(yīng)用度最廣、仿真精確度相對(duì)較高且實(shí)驗(yàn)周期較短的Robcad軟件輔助完成仿真分析，利用軟件自帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能以及相關(guān)檢測(cè)功能，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)點(diǎn)焊機(jī)器人完成點(diǎn)焊任務(wù)的實(shí)際情況等進(jìn)行仿真模擬和有效檢驗(yàn)，以此對(duì)自身的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)修改與調(diào)整[3]。

圖2 運(yùn)用Robcad軟件虛擬建模裝焊單元幾何模型

（二）虛擬建模

裝焊夾具和輸送裝置構(gòu)成了設(shè)備的MDT集合模型，但由于本文使用的仿真軟件和MDT設(shè)計(jì)軟件之間并沒(méi)有直接的數(shù)據(jù)接口，因此需要通過(guò)模型轉(zhuǎn)換將設(shè)備MDT幾何模型轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的ACIS模型，最后再將其轉(zhuǎn)換成設(shè)備的UG幾何模型。此后通過(guò)將其和車身的CATIA幾何模型一起導(dǎo)入至Robcad仿真軟件當(dāng)中，利用軟件的一鍵生成功能自動(dòng)生成工件和設(shè)備的集合模型以及機(jī)器人焊接幾何模型，最后統(tǒng)一將其導(dǎo)入至Robcad環(huán)境下，進(jìn)行虛擬布局之后利用軟件中的虛擬建模功能建立裝焊單元的幾何模型（如圖2所示）。在這一虛擬布局當(dāng)中，軟件自動(dòng)設(shè)置了地板，其并不屬于幾何模型，而規(guī)劃調(diào)整點(diǎn)焊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡以及焊鉗姿態(tài)，協(xié)調(diào)運(yùn)行裝焊夾具的運(yùn)動(dòng)裝置則是裝焊單元幾何模型在隨后模擬仿真中的關(guān)鍵點(diǎn)。

（三）仿真結(jié)果

本文利用Robcad軟件和虛擬布局下的裝焊單元幾何模型，對(duì)點(diǎn)焊機(jī)器人補(bǔ)焊一個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行全過(guò)程仿真。在剛剛開(kāi)始進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí)，吊具吊著工具從之前的裝焊單元離開(kāi)后立刻進(jìn)入到本單元當(dāng)中。此后吊具進(jìn)入工作區(qū)并將緩慢地將工件放置在夾具上后開(kāi)始升起，夾具在夾緊工件之后點(diǎn)焊機(jī)器人正式進(jìn)入工作狀態(tài)。點(diǎn)焊機(jī)器人將依照設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，帶著焊鉗運(yùn)行至指定位置處進(jìn)行補(bǔ)焊一點(diǎn)，而后再按照既定運(yùn)動(dòng)軌跡回歸原位。當(dāng)打開(kāi)夾具時(shí)吊具將逐漸下降，此后由吊具將工件吊起并從本工作區(qū)當(dāng)中撤離，等待進(jìn)入到下一個(gè)裝焊單元中。在此次的仿真實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，焊鉗的工作狀態(tài)良好，元件與元件之間也并沒(méi)有出現(xiàn)相互干擾的問(wèn)題，因此我們可以判定點(diǎn)焊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑與相關(guān)要求完全吻合，該運(yùn)動(dòng)路徑可以被直接投入到實(shí)踐當(dāng)中。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)白車身以及焊裝夾具具體概念進(jìn)行明確的基礎(chǔ)之上，以某款普通轎車當(dāng)中的左前縱梁輪罩分總成焊裝夾具為例，通過(guò)對(duì)焊裝夾具的評(píng)價(jià)指標(biāo)和設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行明確后，選擇使用通用件設(shè)計(jì)出了一款側(cè)翻壓緊結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上改進(jìn)的支撐壓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，用以在保障焊裝夾具具有良好可制造性與可裝配性等要求之上，盡可能控制設(shè)計(jì)成本、降低設(shè)計(jì)難度。此后通過(guò)利用專業(yè)的仿真軟件，利用整體規(guī)劃的思想配合虛擬建模，驗(yàn)證了機(jī)器人補(bǔ)焊焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑合理有效。

[1]李釗.白車身制造誤差補(bǔ)償方法的研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué),2014.

[2]樊香梅,顏杰軍,黃祥,孔凡煉.淺談焊裝夾具精度調(diào)試[J].裝備維修技術(shù),2014,(01):56-60.

[3]鄧乾旺,羅正平,張麗科,崔巍.點(diǎn)焊機(jī)器人軌跡能耗模型及其優(yōu)化算法研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2016,27(01):14-20.