郑联语;高浩;吴约旺
【摘 要】针对多平台与高节拍汽车车身柔性焊装自动化生产线研发过程的用户化和专业化,基于CATIA软件平台设计开发了汽车白车身焊装生产线数字化夹具设计系统.进行了涵盖从白车身焊装生产线布局规划到夹具设计工程图生成各个模块功能研究与开发,尤其创新性地基于MBD技术实现了夹具二维工程图自动批量出图,解决了夹具设计数字化与我国以二维图纸作为加工标准现状的衔接问题,提高了汽车白车身夹具设计自动化与数字化程度,实现了夹具设计的快速高效,缩短了产品开发周期.本系统已得到企业工程应用,实际应用本系统对夹具设计效率提高在40％以上.
【期刊名称】《汽车工程师》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】5页(P55-59)
【关键词】白车身;生产线;数字化;焊装夹具;设计系统
【作 者】郑联语;高浩;吴约旺
【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院;数字化设计与制造北京市重点实验室;北京航空航天大学机械工程及自动化学院;数字化设计与制造北京市重点实验室;北京航空航天大学机械工程及自动化学院;数字化设计与制造北京市重点实验室
【正文语种】中 文
在汽车制造过程中，相对于涂装线和总装线来说，焊装线的刚性强，不同车型间通用性差，新车型生产线部署均需重新设计焊装夹具，从而造成市场滞后，影响企业效益[1]。因此，许多学者在三维CAD系统中对焊装夹具辅助设计进行了研究，如文献[2-3]等，但是研究多集中在库的归类整理以及资源文件的机智调用上，在与焊的可达性干涉关系、定位夹紧块以及夹具二维与三维关联等设计上鲜见涉及。文章在对焊装夹具整个设计过程，尤其是工作内容重复、繁琐及效率低的环节，进行分析研究的基础上，设计开发了汽车白车身焊装生产线数字化工艺与夹具设计系统，以提高设计的工作效率。 气钉1 结构与功能
汽车白车身焊装生产线工艺及夹具设计软件系统是面向汽车白车身焊装工艺的辅助软件系统，主要由6个模块组成，其功能与结构，如图1所示。
图1 汽车白车身焊装生产线数字化夹具设计系统功能与结构示意图
其中，焊点批处理能够对焊点进行批量格式化导入和焊点划分；主控点面（MCP/MCS）设计能够实现定位夹紧块（L块）的快速创建和断面剖切；焊仿真能够实现焊的快速插入以及批量替换；生产线资源库管理则对标准件、外购件以及型材和定位销进行快速创建生成和管理，为夹具设计提供资源支撑；实用工具能够实现螺栓销批量装配、坐标系变换和批量打孔；工程图生成模块可进行由三维模型到二维工程图的批量生成与工程图快速标注。
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2 工作流程
焊装夹具的作用是保证汽车零部件之间的装配关系以及焊接操作的可行性，进而确保汽车的生产质量。设计主要包括概念设计、结构设计和优化设计3个阶段。概念设计主要是确定焊装工位布局与焊接规划，决定夹具的主要结构和功能；结构设计则是进行夹具的三维建
模，将设计的各元件进行装配组合，对车身板件进行定位夹紧；优化设计的工作是验证焊点焊接可行性以及夹具空间结构的合理性[4]。
根据汽车白车身焊装夹具设计工艺流程，通过系统中不同模块在不同工艺环节的应用，可快速实现数据输出与夹具设计，如图2所示。焊点处理和MCP/MCS模块主要作用于概念设计；资源库、实用工具和工程图模块主要作用于结构设计；焊仿真模块主要作用于优化设计。
图2 汽车白车身焊装生产线数字化夹具设计系统工作流程
3 关键功能模块
3.1 资源库管理
资源库管理包括标准件（含企标）、外购件、专用件及型材的创建与管理等，这为夹具设计提供了庞大的数据库资源支持，是实现自动化夹具设计的基础。
通常性夹具设计过程中，只需设计人员通过资源库中数模的调用即可实现夹具单元的初步
三维设计，如图3所示，该定位夹紧单元主要由外购件（气缸）、企标件（支撑座、定位销、定位块及限位块）及国标件（螺钉和螺栓）组成，这些零部件均可通过资源库按规格参数调用装配。
图3 定位夹紧单元示意图
通过多层级的数据结构，该系统以Catalog的数据形式实现零部件的快速出入库，极大地方便了管理员进行库资源维护，同时，通过服务器共享即可实现所有其他夹具设计者的快速调用。
3.2 焊点处理与焊仿真
焊点处理与焊仿真是焊装夹具三维设计中必不可少的重要环节，焊仿真的结果直接决定了设计者应当如何修改焊装夹具的三维结构，修改后再进行焊仿真，如此反复直至成功保证所有焊点的焊接可达性。目前焊插入都是靠设计者手动操作与调整，如图4所示，从世界坐标系原点位置A到仿真最终位置B的调整，费时费力。因此，如此反复的过程成为控制焊装夹具三维结构设计的瓶颈。
毛毡带图4 焊装配变换图
在该系统中，以上复杂过程都通过程序自动执行实现，大大提高了焊插入与仿真的效率。系统通过对GSMPoint和Excel等格式原始焊点文件读取，获取焊点信息，配合焊点目标板件的三维数模，获知焊点的法向，再加以与世界坐标轴系的统一变换，从而建立包含坐标原点及法向信息的标准焊点信息模型。在焊点处理的同时，在资源库模块完成了对焊库的建立。因此，设计者只需选择焊点与焊规格即可直接实现焊插入、焊装配及焊替换等所有仿真操作，有效地突破设计瓶颈。
3.3 定位夹紧块自动创建
定位夹紧块是整个焊装夹具的定位基准，因此其坐标系与车身坐标系必须保持一致，所以其需要创建在特定世界点。主机厂提供的工艺文件一般都是以Excel文件存在，定位点在文件中的表示只有二维信息。图5示出车身侧围的定位信息，其只有x，z 2个坐标，而定位块y方向上端面的形状需与车身曲面一致，此时一般需要设计者手工提取定位块所在的车身面去分割定位块，而形成贴合车身的主控面。
图5 车身侧围主控点分布图
为实现定位块的创建，系统首先创建轴系，并以此为基准，创建定位块数模，如图6所示。通过参数驱动的方式对轴系进行更改，实现数模在世界坐标系下的定位与姿态调整。定位块模型定义时，除轴系包含的原点信息和3个坐标轴向量信息外，同时定义6条标记线（x，y，z用于世界坐标系下位置调整；u，v，w 用于当前轴系下姿态调整）。参数化驱动调整姿态的流程，如图7所示。姿态调整完成之后，系统批量化一次性完成所有定位块与车身数模相交面的提取，以此作为整个焊装夹具单元的MCS，至此，就完成定位块的自动布局和三维设计。
图6 车身侧围定位块数模定义
红枣去核机图7 定位块参数化调整姿态流程图
3.4 批量打孔与螺栓销快速装配
批量打孔与螺栓销快速装配是对白车身焊装夹具细节设计的高效处理模块。批量打孔功能系统提供无孔源打孔和有孔源打孔2种方式，可以实现销孔、钉孔及螺纹孔的成组创建，同时，按照企业设计标准规范一次性完成所有孔的孔径、孔深、孔类型及孔面颜等参数设
定，如L-Block和Clamp上的两钉两销。螺栓销快速装配可以实现在不同孔源位置进行多规格螺栓及定位销的一次性批量插入、装配、定位及打包[5]。
通过设计人员选择孔元素和设定孔参数进行批量打孔，无孔源打孔需要选择“两线一面”作为一组孔元素，有孔源打孔需要选择“多孔一面”或者“一面一孔”作为一组孔元素，除孔径和孔深等参数外，无孔源打孔还可以设置孔与孔元素的定位尺寸，并随时关联修改。批量打孔完成之后，设计人员即可进行螺栓销快速装配，通过选择类型、一孔、一面，由系统自动推荐合适规格螺栓销，并获取双向装配元素信息进行装配，该操作可重复进行，从而实现批量化螺栓销的自动装配。硅胶表面电晕处理
3.5 工程图生成与标注
在焊装夹具三维设计完成之后，国内企业需要生成工程图，用于夹具的机械加工。工程图生成与标注模块用于实现从夹具三维数模直接生成二维图各个视图，同时，快速进行基准尺寸、尺寸公差、粗糙度及孔符号等图纸标注。通过零件属性快速附注等功能，该系统快速辅助设计者完成三维结构件必备信息，甚至搭建完整MBD三维模型[6]。本系统工程图模块对全部基于MBD的三维零件信息进行遍历，从而实现部件和零件工程图的一次性批量生
成。
一张完整的工程图包含所有图幅、视图、标题栏、明细表（包括装配气泡图）及尺寸等元素信息，系统将此信息进行数据模块化处理，通过不同数据模块的组合与顺序执行，完成一张完整二维图，因此在系统进行工程图生成时，只需循环进行类模块的组合与顺序执行即可完成全部零部件工程图，从而实现工程图批量性自动化生成[7]，如图8所示。
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