胡茶根，王志宏，胡曉兵，嚴(yán)寒冰

（1.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

1 引言

汽車車身是由數(shù)百個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄型沖壓件焊接而成，焊接時，如果沒有足夠的工裝夾具對其進(jìn)行定位夾緊，則整個車身無法正確裝焊。由此可見，焊裝夾具在汽車制造過程中極為重要。另外，焊裝夾具設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞以及研發(fā)速度已成為制約汽車產(chǎn)品快速響應(yīng)市場的決定性因素。因此，為提高汽車焊裝夾具制造企業(yè)的市場競爭力，高效、先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法及手段勢在必行。

目前，在提高夾具設(shè)計(jì)效率方面，可重構(gòu)技術(shù)[1]顯示出一定的有效性。但該技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)床夾具、組合夾具等相關(guān)領(lǐng)域[2-3]，在汽車焊裝夾具方面應(yīng)用相對較少，其主要原因在于汽車焊裝夾具通用性差、專用性強(qiáng)且至今沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，可重構(gòu)技術(shù)在這方面也有過相應(yīng)的研究。例如，文獻(xiàn)[4]采用了“一步直拉式”定位調(diào)整法來實(shí)現(xiàn)夾具的快速重構(gòu)與調(diào)整。文獻(xiàn)[5]以基臺、可重構(gòu)定位板等作為焊裝夾具的主要結(jié)構(gòu)方案，開發(fā)的“可重構(gòu)新型汽車車身焊接夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)”可實(shí)現(xiàn)夾具的快速定位與安裝，有效降低了夾具開發(fā)成本。文獻(xiàn)[6]將成組技術(shù)和重構(gòu)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行融合，開發(fā)了針對工程機(jī)械大件的“基于可重構(gòu)的焊接夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化，通過功-構(gòu)映射關(guān)系快速組裝所需的夾具。但上述方法存在的問題是：相同功能情況下存在不同的夾具結(jié)構(gòu)，使得功-構(gòu)之間的映射關(guān)系難以準(zhǔn)確給出，夾具設(shè)計(jì)效率相對較低，且夾具元件或組件的重用率不高。

針對以上不足，在已有研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種基于功能-特征-約束-結(jié)構(gòu)（Function-Feature-Constraint-Structure，F(xiàn)FCS）映射關(guān)系的汽車焊裝夾具快速重構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)從夾具元部件重用的角度，利用汽車焊裝夾具功能與結(jié)構(gòu)的分層特點(diǎn)，通過在功-構(gòu)映射關(guān)系之間添加約束條件，實(shí)現(xiàn)汽車焊裝夾具結(jié)構(gòu)方案的快速生成，提高了汽車焊裝夾具的設(shè)計(jì)速度，縮短了汽車產(chǎn)品開發(fā)周期，并應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

2 可重構(gòu)汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

可重構(gòu)技術(shù)是一種面向需求與應(yīng)用變化的設(shè)計(jì)技術(shù)，其有別于成組技術(shù)及實(shí)例推理技術(shù)，是根據(jù)被加工零件的技術(shù)要求，通過重用、組件革新等方式對夾具元件重新組態(tài)形成新的結(jié)構(gòu)形式。為使夾具可重構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有高效性、開放性，建立的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。由圖1 分析可知，夾具重構(gòu)分為以下三個階段。

圖1 焊裝夾具快速重構(gòu)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of Reconfiguration System for Welding Fixture

2.1 夾具重構(gòu)方案設(shè)計(jì)

重構(gòu)方案設(shè)計(jì)是可重構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了能有效地重構(gòu)所需夾具結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)人員需根據(jù)車身焊件的結(jié)構(gòu)和工藝要求，確定各定位點(diǎn)與夾緊點(diǎn)位置，并根據(jù)焊件定位點(diǎn)的斷面形狀確定該定位點(diǎn)的夾具結(jié)構(gòu)。

2.2 夾具元部件選用及設(shè)計(jì)

根據(jù)夾具重構(gòu)方案功能需求，從夾具元件工程數(shù)據(jù)庫中檢索出所需的標(biāo)準(zhǔn)化元部件。當(dāng)夾具元件庫中無所需元件時，則必須重新設(shè)計(jì)。

2.3 夾具重構(gòu)及修改

將前一階段選用或設(shè)計(jì)的元件按照一定規(guī)則和裝配算法進(jìn)行快速組裝，形成所需的夾具單元，然后通過適應(yīng)性修改得到最佳的夾具單元結(jié)構(gòu)方案，最終將其安裝在基座上完成整套夾具的設(shè)計(jì)。

3 可重構(gòu)焊裝夾具關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 焊裝夾具結(jié)構(gòu)層次模型

與焊裝夾具的快速重構(gòu)要求相對應(yīng)，設(shè)計(jì)結(jié)果必須滿足可重構(gòu)性、重用性及開放性要求，以便夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)能快速響應(yīng)用戶的各種要求。因此必須對汽車焊裝夾具做進(jìn)一步分析。

由于汽車車身是薄型殼體且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了防止焊接時發(fā)生過大的熱變形，定位時通常采用N（N＞3）-2-1 定位方式[7]，因此一套完整的汽車焊裝夾具通常包含基座、多個夾具單元和輔助單元組件等幾部分，其中夾具單元是使車身焊接過程中具有正確位置的根本保證。因此，夾具單元的快速重構(gòu)是整個設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，重點(diǎn)研究夾具單元的重構(gòu)。

在車身焊接過程中，由于車身相應(yīng)位置處所需夾具功能要求不同，導(dǎo)致各處夾具單元的結(jié)構(gòu)也各不相同。按照汽車車身焊裝夾具單元的功能分類，夾具單元結(jié)構(gòu)大致可以分為以下幾類，如圖2 所示。每一功能單元又可以進(jìn)一步細(xì)分直到夾具元件。

圖2 夾具單元功能-結(jié)構(gòu)層次模型Fig.2 Hierarchical Model of Function-Structure for Fixture

3.2 夾具元部件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)

夾具重構(gòu)實(shí)際上是將標(biāo)準(zhǔn)化元部件進(jìn)行重組的過程，因此，對夾具元部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化以及模塊化設(shè)計(jì)是夾具快速重構(gòu)的關(guān)鍵。為此，可將不同功能的常用元部件，如定位銷、定位塊等分離出來，預(yù)先設(shè)計(jì)成企業(yè)通用的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的元部件。在新產(chǎn)品開發(fā)時，設(shè)計(jì)者可根據(jù)設(shè)計(jì)要求參考以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選用這些元部件，以此提高夾具的開發(fā)速度。利用CATIA 的DesignTable功能模塊來實(shí)現(xiàn)表格數(shù)據(jù)與元件模型的關(guān)聯(lián)驅(qū)動，從而形成一系列的參數(shù)化零件族，以便重構(gòu)過程中夾具元件的快速修改。的元件或組件，圓圈表示兩者間的裝配關(guān)系，如孔同心等。重構(gòu)算法庫是根據(jù)已建立的裝配關(guān)系庫，通過采用遞歸算法進(jìn)行搜索，找出與已有元件具有裝配關(guān)系的元件，從而實(shí)現(xiàn)夾具的快速重構(gòu)。

3.3 焊裝夾具工程數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要構(gòu)建夾具設(shè)計(jì)資源庫、裝配關(guān)系庫及重構(gòu)算法庫等多個相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫。其中夾具設(shè)計(jì)資源庫主要包括夾具元部件圖形庫、夾具元部件數(shù)據(jù)庫兩部分，前者用于存儲夾具元部件3D 模型及JPG 圖片等信息；后者主要存儲元部件的結(jié)構(gòu)、功能和尺寸等信息。裝配關(guān)系庫是為了描述夾具元件間的裝配關(guān)系而建立的數(shù)據(jù)庫，采用圖論[8]建立夾具各元件間的裝配關(guān)系，如圖3 所示。

圖3 夾具單元裝配關(guān)系有向圖Fig.3 Directed Graph of Assembly Relationship for Fixture Unit

4 焊裝夾具FFCS 映射模型

映射推理是解決不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域或設(shè)計(jì)階段的信息間的轉(zhuǎn)換問題[9]。在重構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通常采取功-構(gòu)映射關(guān)系來獲取所需的結(jié)構(gòu)方案[10]。但這種方法使得功能與結(jié)構(gòu)之間存在一對多或多對多關(guān)系，從而無法快速獲取合理的結(jié)構(gòu)方案。因此，在已有的功-構(gòu)映射關(guān)系基礎(chǔ)上將約束這一概念引入，建立的功能-特征-約束-結(jié)構(gòu)映射關(guān)系模型，如圖4 所示。

圖4 焊裝夾具FFCS 映射模型Fig.4 FFCS Mapping Model of Welding Fixture

功能分解的目的是獲得更小的功能單元，進(jìn)而找到與之相匹配的特征。特征集合是用來描述各功能單元的信息集合，其中包含了結(jié)構(gòu)的功能屬性。由于與特征匹配的結(jié)構(gòu)可能存在多種，因此必須引入約束條件加以限制。約束條件可以是活動的，也可以是固定的。例如，在采用孔定位時，既可采用棱形銷，也可采用圓柱銷。但為了防止熱變形而引起車身的彎曲，則必須采用棱形銷定位以緩沖微小位移。此時必須加入限制條件以減少夾具元件的選用時間。

5 基于FFCS 的夾具重構(gòu)系統(tǒng)工作流程

車焊裝夾具快速重構(gòu)系統(tǒng)的工作流程，如圖5 所示。在導(dǎo)入車身焊件3D 實(shí)體模型后，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)工藝需求信息分析工件焊接時各定位點(diǎn)位置信息，并根據(jù)車身焊件尺寸選擇夾具基座模型，然后再根據(jù)定位點(diǎn)處焊件主控截面形狀判斷夾具單元的結(jié)構(gòu)類型。若夾具單元庫存在所需結(jié)構(gòu)模型時，可直接選取相應(yīng)的夾具單元，否則需從夾具元件庫中選取所需標(biāo)準(zhǔn)元件，在裝配關(guān)系庫及裝配算法庫的作用下進(jìn)行自動裝配，形成所需夾具單元。當(dāng)元件不存在時，必須重新設(shè)計(jì)并將其存儲在元件庫中以便重用。由于元件是參數(shù)化設(shè)計(jì)，因此可根據(jù)實(shí)際情況對夾具單元結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行適應(yīng)性修改并保存在夾具單元庫中。最后通過交互式約束條件將夾具單元及相關(guān)輔助單元安裝在基座上，完成整套夾具的設(shè)計(jì)。拼裝好的夾具單元也可存儲到夾具單元數(shù)據(jù)庫中。

圖5 焊裝夾具快速重構(gòu)系統(tǒng)工作流程Fig.5 The Workflow of Rapid Configuration System for Welding Fixture

6 應(yīng)用實(shí)例

基于上述夾具工程知識庫的構(gòu)建，采用VB 定制整個軟件系統(tǒng)界面，并選用SQL Server 2008 建立夾具元件信息數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)資源庫，開發(fā)了汽車焊裝夾具可重構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其主體界面，如圖6 所示。

圖6 夾具重構(gòu)系統(tǒng)界面Fig.6 Interface of Reconfiguration System for Welding Fixture

以左前門外板總成組焊夾具為例進(jìn)一步闡述其重構(gòu)步驟。已知該焊接工位是由前門外蒙皮和左側(cè)后視鏡上安裝板組件兩部分組成。由于車身尺寸相對較大，根據(jù)焊接工藝（焊點(diǎn)信息）分析可知，為防止焊接時車身變形，該工位采用7 個夾具單元。其重構(gòu)的具體步驟如下：

（1）根據(jù)車身焊件信息導(dǎo)入基座組件，并將其放置合適位置。（2）根據(jù)焊件定位點(diǎn)的信息判斷夾具單元的功能類型，并選出對應(yīng)的夾具單元結(jié)構(gòu)。（3）根據(jù)已選好的夾具單元結(jié)構(gòu)從模型庫中依次選出所需的夾具元件。（4）通過“拾取”按鈕選取基座平面以及定位點(diǎn)的坐標(biāo)（約束條件），以便確定夾具單元的安裝位置。（5）在裝配關(guān)系庫的驅(qū)動下完成夾具單元的自動裝配及安裝。（6）重復(fù)（2）至（5）直到完成整套夾具方案的生成。重構(gòu)夾具實(shí)例，如圖7 所示。

7 結(jié)論

（1）根據(jù)車身焊接各工位的定位夾緊需求不同，建立了汽車焊裝夾具功能-結(jié)構(gòu)層次模型；（2）建立了以提高零件重用為目的的汽車焊裝夾具工程數(shù)據(jù)庫；（3）提出一種基于功能-特征-約束-結(jié)構(gòu)映射關(guān)系的汽車焊裝夾具快速重構(gòu)方法。該方法在功-構(gòu)映射關(guān)系的基礎(chǔ)上通過引入約束條件來提高重構(gòu)夾具結(jié)構(gòu)方案的準(zhǔn)確性，有效地縮短了汽車焊裝夾具的開發(fā)周期。