鄭聯(lián)語 高浩 吳約旺

（北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院；數(shù)字化設(shè)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(shè)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(xué)者在三維CAD系統(tǒng)中對焊裝夾具輔助設(shè)計進(jìn)行了研究，如文獻(xiàn)[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(dá)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(shè)計上鮮見涉及。文章在對焊裝夾具整個設(shè)計過程，尤其是工作內(nèi)容重復(fù)、繁瑣及效率低的環(huán)節(jié)，進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)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(shè)計系統(tǒng)，以提高設(shè)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(shè)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(jìn)行批量格式化導(dǎo)入和焊點劃分；主控點面（MCP/MCS）設(shè)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(biāo)準(zhǔn)件、外購件以及型材和定位銷進(jìn)行快速創(chuàng)建生成和管理，為夾具設(shè)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(biāo)系變換和批量打孔；工程圖生成模塊可進(jìn)行由三維模型到二維工程圖的批量生成與工程圖快速標(biāo)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(jìn)而確保汽車的生產(chǎn)質(zhì)量。設(shè)計主要包括概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計3個階段。概念設(shè)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(shè)計則是進(jìn)行夾具的三維建模，將設(shè)計的各元件進(jìn)行裝配組合，對車身板件進(jìn)行定位夾緊；優(yōu)化設(shè)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(shè)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(yīng)用，可快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出與夾具設(shè)計，如圖2所示。焊點處理和MCP/MCS模塊主要作用于概念設(shè)計；資源庫、實用工具和工程圖模塊主要作用于結(jié)構(gòu)設(shè)計；焊槍仿真模塊主要作用于優(yōu)化設(shè)計。

3 關(guān)鍵功能模塊

3.1 資源庫管理

資源庫管理包括標(biāo)準(zhǔn)件（含企標(biāo)）、外購件、專用件及型材的創(chuàng)建與管理等，這為夾具設(shè)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(shè)計的基礎(chǔ)。

通常性夾具設(shè)計過程中，只需設(shè)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(shè)計，如圖3所示，該定位夾緊單元主要由外購件（氣缸）、企標(biāo)件（支撐座、定位銷、定位塊及限位塊）及國標(biāo)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(jìn)行庫資源維護(hù)，同時，通過服務(wù)器共享即可實現(xiàn)所有其他夾具設(shè)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(shè)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(shè)計者應(yīng)當(dāng)如何修改焊裝夾具的三維結(jié)構(gòu)，修改后再進(jìn)行焊槍仿真，如此反復(fù)直至成功保證所有焊點的焊接可達(dá)性。目前焊槍插入都是靠設(shè)計者手動操作與調(diào)整，如圖4所示，從世界坐標(biāo)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(fù)的過程成為控制焊裝夾具三維結(jié)構(gòu)設(shè)計的瓶頸。

在該系統(tǒng)中，以上復(fù)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(biāo)板件的三維數(shù)模，獲知焊點的法向，再加以與世界坐標(biāo)軸系的統(tǒng)一變換，從而建立包含坐標(biāo)原點及法向信息的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(zhǔn)，因此其坐標(biāo)系與車身坐標(biāo)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(biāo)，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(shè)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(zhǔn)，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(jìn)行更改，實現(xiàn)數(shù)模在世界坐標(biāo)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(biāo)軸向量信息外，同時定義6條標(biāo)記線（x，y，z用于世界坐標(biāo)系下位置調(diào)整；u，v，w 用于當(dāng)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(shè)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(xì)節(jié)設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jìn)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(shè)計人員選擇孔元素和設(shè)定孔參數(shù)進(jìn)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(shè)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(shè)計人員即可進(jìn)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(jìn)行裝配，該操作可重復(fù)進(jìn)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(biāo)注

在焊裝夾具三維設(shè)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(biāo)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(jìn)行基準(zhǔn)尺寸、尺寸公差、粗糙度及孔符號等圖紙標(biāo)注。通過零件屬性快速附注等功能，該系統(tǒng)快速輔助設(shè)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(jìn)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(biāo)題欄、明細(xì)表（包括裝配氣泡圖）及尺寸等元素信息，系統(tǒng)將此信息進(jìn)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(jìn)行工程圖生成時，只需循環(huán)進(jìn)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(yīng)用

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

在掀背門焊裝夾具設(shè)計之前，設(shè)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(jìn)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(jìn)行篩選，通過用戶交互選擇焊點及其對應(yīng)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(shè)計了焊槍姿態(tài)的反向和復(fù)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(dǎo)入預(yù)覽圖中，此時可按二維定位信息文件對其世界坐標(biāo)值進(jìn)行約整，而后按照預(yù)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(shè)計。通過焊槍仿真的模擬指導(dǎo)夾具的三維詳細(xì)設(shè)計，設(shè)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(jìn)行夾具的細(xì)節(jié)設(shè)計，最終完成夾具三維數(shù)模的設(shè)計，如圖11所示。三維設(shè)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(jìn)行二維設(shè)計，完成夾具的工程圖批量出圖。應(yīng)用本系統(tǒng)完成該掀背門的焊裝夾具設(shè)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(yīng)用效果。

5 結(jié)論

通過研究汽車白車身焊裝夾具設(shè)計流程及技術(shù)信息，基于主流數(shù)字化制造平臺（CATIA/DELMIA）設(shè)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(shè)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(shè)計三大環(huán)節(jié)，同時包含了設(shè)計完成后的出圖、標(biāo)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)計效率，增強其自動化與數(shù)字化程度。