模塊化汽車焊接夾具設(shè)計與開發(fā)

毛衛(wèi)國，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)

0 引言

汽車樣車的試制是汽車整個研發(fā)體系中必不可少的一個環(huán)節(jié)，且有著舉足輕重的作用，樣車試制對后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計驗證、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證和改進(jìn)制造工藝，驗證尺寸，保證精度并降低成本。同時，使汽車設(shè)計開發(fā)者能夠通過后期的試驗來改進(jìn)前期的設(shè)計，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，且多被運用在正式焊接工裝的設(shè)計開發(fā)中。樣車試制對各類工裝的通用性提出了很高的要求，模塊化的設(shè)計和制造是汽車行業(yè)解決上述問題的可行方案之一。

1 模塊化設(shè)計

1.1 模塊化設(shè)計概念與發(fā)展

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)計是將產(chǎn)品根據(jù)使用要求，分成若干個部分，即若干個模塊，每個模塊都是具有獨立功能的單元。同時，產(chǎn)品的不同模塊能夠通過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)過排列組合成所需要的產(chǎn)品。故通過模塊的組合配置，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。通過相似性模塊的復(fù)用，整個產(chǎn)品的生命周期流程得到了極大的簡化。

模塊化設(shè)計的三大特點為:(1)獨立性。各個模塊單獨設(shè)計、制造，便于后期的存儲與組合；(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)省時間與成本。

模塊化設(shè)計主要經(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代等幾個主要階段。模塊化的設(shè)計思維起源較早，可追溯到人類文明早期文字出現(xiàn)的時期。東西方的象形文字、字母都可以看作一個個獨立的模塊單元，經(jīng)過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)。歐美國家的高校和企業(yè)逐步提出“模塊化設(shè)計(Modluar Design)”這一概念，并且越來越多地受到學(xué)者與開發(fā)工程師的重視。隨著經(jīng)濟(jì)全球化、社會需求多樣性與個性化的發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)的興起，產(chǎn)業(yè)發(fā)展對于時間與成本的控制愈發(fā)重視，如今的社會已經(jīng)進(jìn)入了模塊化的時代。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(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，如圖1所示。

圖1 大眾汽車的MQB平臺

1.2 模塊化設(shè)計方法

傳統(tǒng)模塊化設(shè)計方法以模塊化設(shè)計的基本原理為基礎(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)計成多個具有不同功能的零部件模塊。產(chǎn)品模塊化設(shè)計以劃分不同的產(chǎn)品功能模塊為前提和基礎(chǔ)，其劃分是否合理將會對產(chǎn)品的設(shè)計制造成本產(chǎn)生影響。因此，一般情況下需要進(jìn)行模塊化設(shè)計的產(chǎn)品都要從調(diào)查分析客戶對產(chǎn)品的需求開始。

設(shè)計前需明確產(chǎn)品模塊劃分與設(shè)計間的關(guān)系：(1)產(chǎn)品模塊劃分程度受到客戶對產(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，對產(chǎn)品進(jìn)行分析規(guī)劃時，通過采用恰當(dāng)?shù)姆椒ê侠矸治鲈O(shè)計過程中各個環(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)上具有一定的相對獨立性，即把它們之間的影響因素降到最小。模塊劃分設(shè)計如圖2所示。

圖2 模塊劃分設(shè)計

在傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計方法基礎(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)計方法。

廣義模塊化設(shè)計方法表達(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)計參數(shù)，表示模塊結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計參數(shù)約束，i=1,2,......,n;yj為產(chǎn)品模塊工作時所受的載荷，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，模塊結(jié)構(gòu)組成鏈之間均通過接口進(jìn)行互相關(guān)聯(lián)，且結(jié)構(gòu)部件可以用參數(shù)來表達(dá)，如式(3)。該類產(chǎn)品的模塊化設(shè)計即為廣義模塊化設(shè)計方法。

FRi=f(xi)

(3)

2 汽車總成焊裝夾具模塊化開發(fā)

2.1 焊裝夾具模塊化可行性

例如某主機(jī)廠R平臺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。

圖3 R平臺前地板焊合總成數(shù)模

2.2 焊裝夾具的模塊化單元設(shè)計

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)計如圖4所示。

圖4 前地板總成夾具結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計

3 模塊化夾具制造與焊接

該主機(jī)廠R平臺前地板總成的焊裝夾具設(shè)計，是使用圖3中的單元組合而成，針對不同系列不同車型的前地板總成的夾具設(shè)計，只需調(diào)整擺放位置及非標(biāo)件的設(shè)計，如圖5。焊裝夾具制作完成后能滿足現(xiàn)場焊接的操作要求，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

圖6 前地板總成焊接現(xiàn)場

圖7 前地板總成檢測報告

4 結(jié)論

基于模塊化設(shè)計方法的研究，以多款車型總成為研究對象，根據(jù)總成的結(jié)構(gòu)特點及焊裝要求，開發(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，大幅度降低了開發(fā)與制造成本。文中的開發(fā)思路可進(jìn)一步運用到汽車其他總成的焊裝夾具之中。