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車身焊裝線上的工裝夾具定位單元柔性化設計開發

添加時間:2020/07/06 來源:湖南大學 作者:楊旭磊
多車型柔性化生產線是未來的重要發展方向,多車型混線生產最大的困難就是各車型的定位基準不統一,因此急需實現車身焊裝線上的工裝夾具定位單元柔性化設計開發。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  隨著國內汽車業的快速發展,人們對汽車的乘用舒適性、外觀感知、安全系數等的要求越來越高,汽車新產品更新換代速度一再加快,而對國內汽車制造業也提出更高的要求,單一車型生產線無法滿足汽車快速迭代的需求。多車型柔性化生產線是未來的重要發展方向,多車型混線生產最大的困難就是各車型的定位基準不統一,因此急需實現車身焊裝線上的工裝夾具定位單元柔性化設計開發。

  本文將介紹多車型柔性夾具的設計開發,以下是本文主要的工作和研究內容:

  首先,研究及總結車身零件的結構特點,結合制造特點,以此為依據分析零件總成焊接過程中,焊裝夾具的設計要求。根據現代汽車夾具設計理論,充分研究、對比適用的定位、裝夾的機構,指導后續的開發。

  其次,針對白車身由 400 多個沖壓單件組成,零件種類繁多且樣式各異,這些零件在 100 套左右的焊接夾具上裝配焊接而成為白車身,這些夾具是車身裝配和焊接的重要載體,作用重要且影響因素多、開發難度極大。本文創造性的提出了基于零件不同特點,組合不同的夾具以滿足零件定位需求及柔性生產需求的柔性焊接夾具設計開發理論,通過柔性頂蓋夾具的成功案例進行論證。

  再次,汽車開發正在朝著"高質量、短周期、低成本"的趨勢發展,客戶需求車型盡快推陳出新,車型開發成本也一再降低,車身制造技術的發展方向是優化廠房設計、工藝技術,實現資源節約、效率提高,車身夾具未來的發展趨勢是簡單化、輕量化、小型化、集約化、柔性化、低成本、可重構以及模塊化的。本文以側圍夾具開發為例,研究低成本柔性化的設計方法,具有重要的意義。

  本文結合國內外焊裝夾具的技術發展趨勢,對柔性焊裝夾具的設計理論開展研究,通過基于多定位需求及典型使用工況等技術特點進行深入研究,總結提煉出車身柔性焊接夾具的設計優化方法。系統介紹了焊裝夾具的組成、結構和設計方法,對柔性焊裝夾具方案進行了闡述、著重介紹了基于實例的柔性焊裝夾具的設計開發方法,通過柔性側圍夾具開發實際運用,顯著降低了開發成本,取得了較好的經濟和社會效益。

  關鍵詞:車身;焊接夾具;柔性夾具;設計優化

柔性夾具

Abstract

  With the rapid development of domestic automobile industry, people have higher and higher requirements for comfort, appearance perception and safety factor of automobile. The renewal speed of new automobile products has been accelerated, and higher requirements have been put forward for domestic automobile manufacturing industry. Single vehicle production line can not meet the needs of rapid iteration of automobile. Multi-vehicle flexible production line is an important development direction in the future. The biggest difficulty in multi-vehicle mixed production line is that the positioning datum of each vehicle is not uniform. Therefore, it is urgent to realize the flexible design and development of fixture positioning unit in body welding line. This paper will introduce the design and development of multi-vehicle flexible fixture. The following are the main work and research contents of this paper.

  Firstly, this paper studies and summarizes the structural characteristics of automobile body parts, combines with manufacturing characteristics, and based on this, analyses the design requirements of welding fixture in the process of welding parts assembly. According to the modern automobile fixture design theory, the suitable locating and clamping mechanisms are fully studied and compared to guide the follow-up development.

  Secondly, in view of the white body is composed of more than 400 stamping sheet, there are many different kinds of parts and different styles, these parts on about 100 sets of welding fixture assembly welding and become white body, the body assembly and welding fixture is the important carrier, and influencing factors of more important role, the development difficulty is great.Creative different features is proposed based on parts, this paper combined the different demand of fixture in order to satisfy the demands of spare parts localization and flexible production of flexible welding jig design and development theory, by demonstrating the top-cover of flexible fixture of successful cases.

  Again, car development is moving in "high quality, short cycle, low cost" the trend of development, customer demand models as soon as possible, model development costs are lower, is the development direction of automobile body manufacturing technology to optimize the design of the plant, process technology, realize the resource saving, efficiency, clamp the future trend of the development of car body is simple, lightweight, miniaturization, intensive, flexibility, low cost, reconfigurable and modular.Based on lateral confining fixture development as an example, this paper studies the low cost of flexible design method, has the vital significance.

  In this paper, according to the development trend of welding fixture technology at home and abroad, the design theory of flexible welding fixture is studied. Based on the technical characteristics of parts, positioning requirements and operating conditions, the design optimization method of flexible welding fixture for automobile body is summarized and refined. This paper systematically introduces the composition, structure and design method of welding fixture, expounds the scheme of flexible welding fixture, and emphatically introduces the design and development method of flexible welding fixture based on examples. Through the development and practical application of flexible side fixture, the development cost is significantly reduced, and better economic and social benefits are achieved.

  Key words: Vehicle body;Welding fixture; Flexible fixture; Design optimization

目 錄

  第 1 章 緒 論

  1.1 研究背景與意義

  進入 21 世紀以來,隨著我國的國民經濟持續不斷高速增長,人民生活水平得到持續提高,在黨和國家政策的關懷下,整個汽車行業汽車產業持續發展,迎來了黃金時期。因此,汽車行業十多年來呈現不斷蓬勃發展的趨勢,汽車工業協會在 2019 年初發布了我國汽車產銷的數據,根據其相關數據,2018 年中國汽車產銷量分別為 2780.9 萬輛和 2808.1 萬輛,同比下降 4.16%和 2.76%,乘用車累計產銷分別完成 2309 萬輛和 2235 萬輛,同比下降 5%和 5.8%. 從 1986 年汽車制造業成為國民經濟的重要支柱產業之后,國家歷來重視汽車產業的發展,汽車產業的帶動作用也是其他任何行業都無法比擬的,我國汽車行業總產值占 GDP 比重較大,是國民經濟支柱產業之一。汽車行業產業鏈長、輻射面廣,與其相關的上下游產業極多,其上游涉及鋼鐵、機械、橡膠、石化、電子、紡織等行業,下游涉及保險、金融、銷售、維修、加油站等行業,因此汽車產業的平穩增長對經濟有很大的拉動作用。同時,汽車作為耐用消費品,隨著居民收入的逐步提高,對社會總體消費水平有重要的拉動作用。我國一直將汽車工業作為國家重點支持發展的基礎產業之一,近年來相繼出臺汽車下鄉、以舊換新、稅收優惠、支持新能源汽車發展、推動汽車行業加快兼并重組、支持汽車行業由大向強轉變等支持政策[4].作為汽車產業鏈的重要組成部分,國家出臺的相關政策在促進汽車行業可持續發展的同時也帶動了汽車制造業的快速發展。

  從人均 GDP 和汽車千人保有量指標來看,我國目前所處階段與韓國 1993 年前后、巴西 2008 年前后十分相似。根據統計,1993 年韓國人均 GDP 為 8741 美元,汽車千人保有量為 142 輛;巴西 2008 年人均 GDP 為 8788 美元,汽車千人保有量為 141 輛。韓國在 2004 年人均 GDP 超過 1.5 萬美元,汽車千人保有量達到246 輛;巴西 2014 年人均 GDP 為 1.2 萬美元,汽車千人保有量超過 200 輛。隨著我國人均 GDP 水平的提高,我國汽車千人保有量仍有一定的提升空間。中國汽車市場已經進入了第二個增長階段[2],市場重心從一線城市向擁有較大發展潛力的二三線城市延伸。中國目前千人汽車保有量剛剛超過 100 輛,與美國近 800 輛的保有量相差巨大,意味著中國汽車市場潛力依然巨大,隨著經濟社會的不斷發展以及城鎮化的加快,中國汽車消費量將不斷增長。

  通過對汽車制造業發展趨勢的詳細分析得知搜索據中國汽車工業協會統計,去年 1 至 7 月,汽車全行業完成工業總產值 3723.82 億元,同比增長 29.44%,產品銷售收入 3598.88 億元,同比增長 31.05%,利潤總額 221.90 億元,同比增長51.14%.主要經濟指標增長都比較大,實現了增產增收。汽車產業作為國民經濟支柱產業的地位越來越突出。去年交通運輸設備制造業對工業增長的貢獻率首次躍升至 40 個工業行業之首。以汽車制造業為主的交通運輸設備制造業已取代電子信息通信業,成為名副其實的領頭羊。 隨著市場需求的不斷擴大,我國汽車工業的發展潛力也非常之大[3].

  與此同時,隨著市場的日益飽和、行業競爭日益激烈,以及客戶對于汽車產品質量的要求日益提高,汽車行業對于產品的開發及制造要求越來越高。

  汽車制造能力水平的高低直接決定了汽車廠家的產品質量及口碑,而作為整車載體的白車身的制造能力更是影響到最終汽車產品的質量,如外觀、密封、風噪、使用壽命等。車身零件通過最下級夾具定位、焊接成為分總成零件,分總成零件再通過上一級夾具定位焊接,直至最終焊成白車身,汽車車身的焊接裝配過程是一個龐大而復雜的裝配系統,車身柔性薄板件的偏差、工裝夾具的偏差、焊槍工具的偏差及操作失誤將對車身焊接裝配精度產生影響。白車身的精度關乎到最終整車的品質,每個汽車整車廠無一例外把白車身的精度作為最重要的質量控制指標做嚴格把控。

  由于汽車產品逐漸成為快消品,為滿足消費者的需求,各汽車廠家都在研究產品的快速迭代,產品的快速迭代對車身焊裝夾具提出更高要求,以往的單車型產線勢必無法滿足需求[5].未來的車身焊裝夾具必須滿足是柔性的(可兼容多種車型)、可重構的(退市車型的夾具很大部分可以回用)、模塊化(縮短設計周期)的,而且是智能的(可實時監測并實時輸出監測數據指導維保及制造部門作出應對),只有這樣才能滿足產品的快速導入投產。但是作為焊裝夾具最基本的定位精度要求仍是作為首位需要確保的。

  柔性焊裝夾具技術關乎到汽車廠整車的質量及投產時間,這兩個關鍵因素是整車廠的生命線,目前已經得到各大汽車廠的極大重視,如何開發可靠穩定柔性的焊裝夾具以滿足車身裝配的需求,提高車身的裝配質量,是本文著重介紹的內容。

  1.2 研究現狀

  1.2.1 夾具系統的設計方法

  以下通過一套完整的夾具開發流程,介紹夾具的系統設計方法。

  第一步,完成夾具的整體配置表,包含盡可能詳盡輸入信息:共線車型、生產節拍、占用場地、精度要求、生產能力、電氣基本樣式等等,如圖 1.1 所示。

  第二步,根據零件裝件順序及零件特點、焊點&涂膠等信息,結合 CDLS,完成工件的定位 MCP(關鍵定位點)布置。如圖 1.2 所示。

  第三步,完成夾具構思圖,包括內容:夾具類型、夾緊方式、零件裝入方式、輸送方式、控制方式、工作踏臺等。如圖 1.3 所示。

  第四步,根據 MCP,結合零件裝件及定位夾緊需求特點并結合設計經驗,完成夾具的 MCS(定位截面)設計,MCS 指導了夾具的細節設計,比如是否需要二級機構,夾具的動作順序(先定位、后夾緊)等。如圖 1.4 所示。

  第五步,按照夾具設計規范完成夾具 3D 設計,如圖 1.5 所示。

  第六步,結合焊鉗數模和夾具 3D 數模,完成焊接可達性檢查,確保焊接可實現性,如出現夾具和焊接干涉的情況,就需要協調做更改,優先考慮優化夾具結構,或者設計更改焊鉗結構,最后的選擇就是更改定位點位置,如圖 1.6.

  第六步,根據裝件順序、焊接工藝及零件定位要求完成夾具動作順序圖設計交由控制工程師設計控制系統。如圖 1.7.

  1.2.2 夾具方案設計開發流程現狀

  在現代汽車制造業中,汽車車身生產線是現代汽車制造廠四大工藝車間的核心部分,是一個汽車制造企業核心競爭力的體現。車身生產線規劃在每個新產品項目實施的前期階段,處在很重要的位置。由于焊接生產的方式不同、產品的結構不同、生產過程的復雜性不同,焊接生產線的組成和機械化、自動化、柔性化的程度也不同,車身制造工藝需要高質量的焊接夾具來確保。采用產品開發與車身焊裝夾具并行的模式有利于縮短產品開發周期,產品設計人員與夾具設計人員提前溝通更有利于提升產品設計質量,前期 SE 分析可以提前規避很多產品的質量風險。如圖 1.8 所示。

  車身焊裝夾具具體設計的主要流程,主要分為以下 3 個階段:

  1.接收資料階段:工藝方案書、三維焊點及焊鉗、三維產品數模、GD&T;

  2.設計階段:完成工裝方案書、工裝設計任務書、MCP、MCS,據此完成工裝三維數模;

  3.提交交付物階段:工裝二維圖紙、動作順序圖及要求、外購件清單、拼臺加工清單、工裝使用說明書、工裝維護說明書;

  1.3 研究內容

  本文就柔性焊裝夾具的設計理論及優化設計方案、實際案例展開介紹,從系統方案、定位、夾持、切換、重構性等多方面展開研究。

  第一章,介紹研究背景、意義以及夾具方案設計開發流程現狀,展示本文研究的主要內容和章節編排。

  第二章,首先介紹白車身零件特點,并結合白車身零件特點展開介紹了白車身零件的制造特點,從而引出了車身焊裝夾具基本要求并對焊裝夾具典型定位夾緊機構設計進行了闡述;第三章,介紹柔性車身焊裝夾具的幾種實現形式。結合具體零件特點、使用場景、柔性需求給出定義,就基于零件定位需求及使用工況的柔性焊接夾具設計方法進行介紹。

  第四章,從車身側圍柔性夾具的實際應用展開介紹,從側圍夾具的柔性定位系統、夾具切換系統、抓手輸送系統、抓手切換系統等方面進行論述,并介紹了側圍柔性夾具的實際應用效果,佐證了其為經濟性較佳的一種柔性側圍夾具實現模式。

  第五章,總結了車身柔性夾具的開發整體思路及實踐意義,展望了未來汽車焊裝生產線要向"數字化""智能化" 轉型,未來我們工程技術人員任重而道遠。

  第 2 章 車身焊接夾具設計原理
  2.1 白車身制造特點與焊接夾具設計要求
  2.1.1 白車身零件特點介紹
  2.1.2 白車身零件制造特點介紹
  2.1.3 車身焊裝夾具基本要求

  2.2 典型定位夾緊機構設計
  2.2.1 典型定位夾緊機構結構
  2.2.2 壓板的設計
  2.2.3 壓板夾緊力的取值與選用氣缸的關系
  2.2.4 普通夾緊氣缸使用原則
  2.2.5 定位塊厚度要求
  2.2.6 調整墊片要求

  2.2.7 定位塊的要求
  2.2.8 限位塊的要求
  2.2.9 定位銷的要求
  2.3 本章主要內容

  第 3 章 多夾具單元組合優化的頂蓋整體柔性夾具的開發
  3.1 柔性夾具單元的優化設計方法
  3.1.1 同套定位單元切換柔性定位夾具
  3.1.2 不同定位單元切換柔性定位夾具
  3.1.3 全柔性定位夾具
  3.2 頂蓋整體柔性夾具的方案說明

  3.2.1 三車型的頂蓋零件特點介紹
  3.2.2 定位策略的確定
  3.2.3 定位夾緊方案設計
  3.2.4 頂蓋整體柔性夾具機構的結構設計
  3.3 本章小結

  第 4 章 基于低成本、少空間的側圍整體切換柔性夾具的設計開發
  4.1 柔性側圍夾具方案選擇
  4.2 柔性側圍焊裝夾具總體方案
  4.2.1 側圍場地布局
  4.2.2 側圍生產過程
  4.2.3 轉臺結構及切換形式

  4.2.4 補焊臺結構及切換形式
  4.2.5 抓手切換形式
  4.2.6 柔性側圍夾具柔性特點
  4.3 本章小結

第 5 章 總結與展望

  5.1 總結

  為滿足消費者對汽車多樣化和汽車產品更新換代不斷加快的需求,新車型開發成為汽車生產商占據市場的重要手段。為節省汽車制造和開發成本,多數主機廠使用模塊化、平臺化的設計和制造,既可以共用生產設備和人員,同時借鑒現在商品化車型的經驗,在商品化車型的基礎上進行不斷地改進和優化設計。由此帶來的問題是產品快速迭代及產品品種的多樣化生產。

  車身設備的投資在整車的設備投資占比很高,如何降低車身設備的投資是廣大汽車廠家都在考慮的問題,而車身線夾具的柔性化開發正好解決了此問題,但是因為車身精度關乎到最終整車的品質,所以對車身焊裝夾具的精度及穩定性也提出了更高的要求。正因為此,所以本文重點討論了車身焊裝夾具的柔性化、可重構性、自動化、穩定性提升等。本文所論述之側圍柔性焊裝夾具已經得到應用,也得到了較好的驗證,可滿足生產節拍50JPH,焊接自動化率達到100%,將柔性、智能、高效、可靠發揮至極致。

  本文所研究內容是本人在企業工作多年工作的總結和提升,可以有效指導類似柔性焊裝夾具的開發設計,取得了良好的社會效益和經濟效益。伴隨著車身焊裝夾具開發周期一再壓縮,成本控制越來越嚴格,這就要求我們必須改變以往的開發模式,通過系統化、模塊化、標準化的設計加快設計進度,不能僅僅依靠人員的主觀動能,而要建立數據庫及標準化流程指導設計,這個研究意義重大,然而由于本人經驗缺乏,知識面有限,在實踐中還有許多需要進一步討論:

  1.建立柔性夾具開發大數據庫,包括典型機構、典型方案、可重構件庫等,方便設計時隨時調閱及借鑒;

  2.收集其他分總成及主焊線柔性設計的研究成果,完善焊裝夾具柔性設計方案;

  3.夾具設計目前仍是非標設計,未來如何進行模塊化、集成化、標準化的夾具設計還有待于繼續深入研究;

  4.對未來車身制造新技術進行應用性研究,為今后的成熟推廣應用,積累經驗及工藝數據,確?煽啃、安全性;

  5.智能工廠是未來汽車制造業的發展方向,智能工廠的前提是數字化,車身設備的數字化是大勢所趨,未來車身焊裝夾具會采用更多各種類似激光測距開關及各種傳感器收集車身夾具數據,后臺網絡分析這些數據并實時反饋給使用部門做相應應對,以達到減少不良品發生率,實現車身智能化的質量預防與控制,采集線體的實時動作和事件數據,可以讓生產線上的一切動作都可視化;同時還可以發現低效及可優化的設備,這些影響效率的問題在這之前都被隱藏在流程中無法被發現。不但可以發現何時在何處可以如何增加產能,還能知道如何做才能實現產能的最大化。所以焊接夾具的未來發展方向是實現各種數據的在線實時采集,建立所有工裝設備的大數據庫,所有工裝設備的信息都存儲在數據庫中,實現動態實時跟蹤,實現工裝設備的全生命周期管理,這是未來的重點研究方向。

  5.2 展望

  隨著消費者對汽車產品更新換代需求的提速,作為整車載體的白車身的迭代速度起到關鍵作用,未來的車身焊裝線必須采用具備節拍內車型切換功能以實現高節拍柔性化高效率的自動線方式,多車型柔性焊裝生產線成為各大整車廠的重點研究課題[9].未來,柔性焊裝生產線也將向智能化方向發展,車身夾具技術需要從前期設計到生產過程具備虛擬仿真分析、質量控制、過程動態監控等一體化控制手段提高車身精度與焊接質量,需要不同學科的人員參與并協作。

  "中國制造2025",是中國制造業未來10年的頂層規劃和路線圖[9],隨著智制能造時代的來臨,汽車制造業正在全面邁向智能制造,車身制造行業需要盡快推進智能化、數字化轉型升級,進一步提升汽車制造工藝和質量水平,自動化水平的提高和數字化發展提升產能利用率,創造汽車制造的革命性成就。各車企技術人員需要不斷創新掌握先進技術,不斷升級用戶體驗感,不斷優化研發及生產成本,將技術成果轉化成實實在在的生產力,共創品質未來,這或許也屬于里程碑式的成就。

  作為汽車焊裝行業的普通一員,我為生在這樣的時代而自豪,同時也倍感壓力,我將不斷學習,永葆激情,勇敢面對未來更大的挑戰。

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  [45] 李建收,汪娟,倪寶等。柔性化高速輸送系統在焊裝生產的應用[J],電焊機,2013年 02 期,20-25
  [46] 林華。從汽車焊裝領域看同步工程的發展和應用[J],現代零部件,2009年01期,88-91.

致 謝

  研究生生涯轉瞬即逝,有幸在離開校園多年之后再進入校園進行學習,更為幸運的是進入了中國汽車行業人才翹楚的湖南大學進行學習,深感幸運。通過這幾年的深造,我系統學習了汽車理論、汽車設計、輕量化、新能源等專業課程,這些課程讓我對汽車的認識更為全面,從一個汽車知識小白成長為準專業人士,更為重要的是這些汽車知識對我目前的日常工作有很大的幫助作用,直觀的表現就是看待工作中碰到的問題更全面了,不再像以往那樣局限于某一方面,可以站在更高層面上系統的看待及分析解決問題了。

  在此非常感謝湖南大學的各專業科老師們,正是你們的辛勤無私傳授,我才能高效吸取這些知識,并快速應用到工作中。在此對你們致以崇高的敬意和真誠的祝福。

  特別感謝胡朝輝導師對我專業上的指導,給我指明了研究的方向,讓我有了努力攀登的動力;感謝聶昕老師為我們搭接了學習交流分享的平臺,正是有了你的悉心組織,同學們之間才有了溝通的橋梁,可以分享和交流各自學習的收獲和困難。也感謝顧成波同學在我論文寫作過程中對我的悉心指導,讓我順利完成本篇論文。

  感謝我的父母,是你們背后的默默支持,才成就了今天的我,我所取得的成績都離不開你們的辛苦付出,在此祝爸爸媽媽身體健康。

  最后祝所有共同奮斗過的同學們,歡樂的時光雖然短暫,然而值得銘記,祝大家工作順利,身體健康,在未來的工作中取得更大的成績。

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