摘 要

　　焊接是汽車(chē)制造的關(guān)鍵環(huán)節，焊接的精度與質(zhì)量對整車(chē)質(zhì)量有著(zhù)直接影響，因此焊接夾具的設計與制造在焊裝線(xiàn)的設計中極其重要。利用虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行白車(chē)身焊接夾具結構的設計與優(yōu)化，提高夾具的設計精度，縮短夾具的生產(chǎn)周期，保證白車(chē)身焊接的質(zhì)量和效率。

　　本論文以某車(chē)型后地板的自動(dòng)線(xiàn)焊接夾具為研究對象，進(jìn)行工位分配和車(chē)間的工藝布局，重點(diǎn)分析所研究工位的焊接流程、焊點(diǎn)分配和焊槍選擇。運用虛擬數字化設計和技術(shù)進(jìn)行焊接夾具的結構設計與優(yōu)化，并對 BASE 板和夾緊臂進(jìn)行靜力分析，驗證結構強度是否滿(mǎn)足使用要求。基于 Process Designer & Simulate 的數字化平臺進(jìn)行夾具、機器人、抓具、放置臺等的三維布局，模擬機器人的焊接過(guò)程，確保焊接生產(chǎn)中不發(fā)生干涉，并估算工作的生產(chǎn)節拍，保證焊接工作的順利開(kāi)展。

　　關(guān)鍵詞：虛擬樣機，白車(chē)身，焊接夾具， 結構優(yōu)化，仿真

ABSTRACT

　　Welding is the key point of automobile manufacturing. The accuracy and quality of welding have a direct impact on the quality of the whole vehicle. Therefore, the design and manufacture of welding fixture are extremely important in the design of welding line. The virtual prototyping technology is used to design and optimize the structure of the welding fixture of body in white, to improve the design accuracy of the fixture, to shorten the production cycle of the fixture, and to ensure the quality and efficiency of welding for body in white.

　　This paper takes the automatic welding fixture of the rear floor in a certain vehicle as the  research object, carries on the station assignment and the workshop layout, emphatically analyzes the welding procedure, the welding spot assignment and welding gun selection of the station. Virtual digital design and technology are used to design and optimize the structure of welding fixture, to carry on static analysis of BASE board and clamping arm, and to verify whether the strength of the structure meets the operational requirements. Based on the digital platform of Process Designer & Simulate, I use the three-dimensional layout in the fixture, robot, gripper and workshop, simulate the welding process of the robot, ensure that there is no interference in welding production, and estimate the production speed of the stations, and ensure the smooth development of welding work.

　　Keywords: Virtual prototyping,Body in white,Welding fixture,Structural optimization,Simulation

目 錄

　　第一章 緒 論

　　1.1 課題研究背景及意義

　　隨著(zhù)經(jīng)濟全球化的發(fā)展，"德國工業(yè) 4.0"的提出讓全球制造業(yè)有了新的理念，推動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步[1-2].2014 年中國和德國宣布進(jìn)行"工業(yè) 4.0"合作，制造業(yè)的合作有可能是未來(lái)中國和德國合作的一個(gè)方向。在"工業(yè) 4.0"的基礎上，2015 年李克強總理提出"中國制造 2025"的強國戰略，這是在分析國際環(huán)境和結合國內環(huán)境的條件下，使我國制造業(yè)迅猛發(fā)展的政策。此戰略的第一步就是力爭用十年的時(shí)間使我國從制造大國轉向制造強國，建立制造業(yè)創(chuàng )新基地并開(kāi)展研究，使制造業(yè)發(fā)展更加智能化、信息化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)提出綠色制造，減少加工制造過(guò)程中的耗能和對環(huán)境的污染，擁有比較強競爭力的產(chǎn)業(yè)群，提高我國在國際制造業(yè)中的地位[3].

　　作為全球規模最大、最重要行業(yè)之一的汽車(chē)行業(yè)，已經(jīng)成為國家工業(yè)化程度的指標，驅動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新，帶動(dòng)經(jīng)濟的發(fā)展，從某種程度上看，汽車(chē)行業(yè)的水平實(shí)力是一個(gè)國家競爭力的反映。全球競爭的加劇、汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展、汽車(chē)市場(chǎng)的需求不斷變化、客戶(hù)需求的多元化以及要求緊追時(shí)代潮流的趨勢，對汽車(chē)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了更大的挑戰。汽車(chē)企業(yè)必須加強自身競爭力，適應市場(chǎng)發(fā)展，推出新產(chǎn)品，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，在研發(fā)周期縮短的同時(shí)確保產(chǎn)品的質(zhì)量。我國的汽車(chē)制造業(yè)與一些先進(jìn)的汽車(chē)國家相比，我國還需要進(jìn)一步的發(fā)展，提高生產(chǎn)水平。我國給予汽車(chē)行業(yè)以鼓勵政策，推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的成長(cháng)，打造民族自主品牌，從汽車(chē)產(chǎn)業(yè)大國向"智造"強國邁進(jìn)，提高我國在全球汽車(chē)市場(chǎng)格局中的地位。中國汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì )發(fā)布數據，2017 年上半年乘用車(chē)的數量達到 1148 萬(wàn) 2700 輛，銷(xiāo)售量為 1125 萬(wàn) 3000 輛。中國汽車(chē)行業(yè)依然在發(fā)展，作為制造業(yè)中不可缺少的車(chē)身制造，是研發(fā)的重點(diǎn)。

　　汽車(chē)的四個(gè)基本組成結構是底盤(pán)、電氣設備、發(fā)動(dòng)機和車(chē)身。車(chē)身工程是整車(chē)研究中的關(guān)鍵部分之一，汽車(chē)空氣力學(xué)環(huán)境對其的影響非常大，同時(shí)汽車(chē)車(chē)身保護駕駛員、乘客的安全以及承載貨物，其制造過(guò)程相對繁瑣。汽車(chē)車(chē)身工程發(fā)展迅速，是汽車(chē)領(lǐng)域中研究最活躍的的方向之一 [4].汽車(chē)的車(chē)身結構由白車(chē)身、車(chē)門(mén)、車(chē)身內外飾、車(chē)身附件等組成。汽車(chē)的白車(chē)身是安裝其余部件的基礎，是由"鋼結構"組成的支撐部件，車(chē)身的設計成本大約是整車(chē)成本的二分之一[5].白車(chē)身通常有 300 至 500 個(gè)形狀復雜的薄板沖壓件，在 55~75 個(gè)工位上大批量、快節奏焊接而成，焊裝的定位夾緊點(diǎn)有 170~2500 個(gè)，焊點(diǎn)多達 4000~5000 個(gè)[6].

　　白車(chē)身主要有沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大工藝。焊裝作為其中的重要環(huán)節，對整車(chē)的質(zhì)量有著(zhù)非常重要的影響，而焊接夾具是焊裝中的關(guān)鍵部分，是車(chē)身焊接質(zhì)量的保證。在白車(chē)身的制造中，夾具的設計與制造周期最長(cháng)，它影響到整個(gè)白車(chē)身的制造周期，這是由汽車(chē)白車(chē)身的結構特點(diǎn)所決定的。汽車(chē)白車(chē)身的沖壓件通常有三種：

　　骨架件、外覆蓋件和內覆蓋件。一般骨架件的鈑金件厚度為 1.2~2.5 毫米，覆蓋件的鈑金件厚度為 0.8~1.2 毫米，薄板件剛性差且易變性，結構形狀極其復雜，因此在進(jìn)行夾具設計時(shí)需要著(zhù)重分析工件特點(diǎn)。白車(chē)身焊裝線(xiàn)一般有地板線(xiàn)、側圍線(xiàn)、門(mén)蓋線(xiàn)和總拼線(xiàn)等焊接分總成和總成線(xiàn)[7].而為了提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟性，車(chē)身正朝著(zhù)輕量化的方向發(fā)展，鋁車(chē)身成為實(shí)現汽車(chē)輕量化的一種重要途徑，鋁車(chē)身的焊接大多使用 MIG焊、激光焊等，鋁車(chē)身除了焊接的結合方式之外，還運用機械結合的方式。

　　白車(chē)身焊接夾具的設計和制造的周期、質(zhì)量很大程度上決定了車(chē)身的質(zhì)量，隨著(zhù)科技的進(jìn)步、計算機的發(fā)展和虛擬樣機技術(shù)的出現，為設計者提供了一種新的途徑，縮短產(chǎn)品周期的同時(shí)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，使設計人員在創(chuàng )造性的工作中投入更多的時(shí)間和精力。因此為了白車(chē)身焊接質(zhì)量的提高，使用計算機虛擬技術(shù)進(jìn)行焊接夾具的設計和仿真是現代化設計的重要手段。

　　1.2 國內外研究現狀

　　1.2.1 車(chē)身及其焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的發(fā)展狀況

　　經(jīng)過(guò)百年的改進(jìn)與創(chuàng )新，汽車(chē)行業(yè)進(jìn)步迅速，汽車(chē)車(chē)身也不停變化。汽車(chē)車(chē)身的進(jìn)步與創(chuàng )新伴隨著(zhù)各種高新技術(shù)的不斷進(jìn)步創(chuàng )新，車(chē)身也成為汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)整車(chē)的生產(chǎn)能力也由車(chē)身的生產(chǎn)能力確保，所以車(chē)身技術(shù)的發(fā)展也帶來(lái)了汽車(chē)的換新。

　　汽車(chē)車(chē)身是汽車(chē)的上層建筑，車(chē)身既是載貨的承重裝置，同時(shí)也是乘客的庇護物，并且已成為物質(zhì)文明和精神文明在當今社會(huì )中的具體體現[8].汽車(chē)車(chē)身的進(jìn)步從無(wú)到有，是一個(gè)不斷完善的過(guò)程。從 1886 年第一輛幾乎沒(méi)有車(chē)身的奔馳車(chē)的誕生，到如今運用工業(yè)美術(shù)設計和車(chē)身力學(xué)的各種的造型的車(chē)身，車(chē)身的造型不斷地創(chuàng )新、完善，越來(lái)越多的造型獨特的汽車(chē)應運而生，汽車(chē)性能也愈來(lái)愈優(yōu)秀。同時(shí)人們也在不斷地探索汽車(chē)車(chē)身的新材料，鋁合金材料、復合材料、工程材料等應用在汽車(chē)車(chē)身的生產(chǎn)中，非金屬材料也愈來(lái)愈多的在車(chē)身領(lǐng)域運用，出現了全塑料復合材料的汽車(chē)車(chē)身。與汽車(chē)車(chē)身有關(guān)的加工工藝方法也不斷的進(jìn)步發(fā)展，并逐漸完善，例如特種材料成型加工、塑料成型、冷沖壓、電鍍、焊接等。汽車(chē)車(chē)身的虛擬制造技術(shù)也不斷地發(fā)展成熟，形成了設計與制造相關(guān)的計算機集成系統，技術(shù)的創(chuàng )新、科技的發(fā)展為汽車(chē)制造業(yè)的不斷前進(jìn)提供了依據，使車(chē)身發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

　　汽車(chē)業(yè)的不停發(fā)展，白車(chē)身生產(chǎn)線(xiàn)的形式也不停變化。第一條白車(chē)焊裝線(xiàn)是由福特公司策劃，白車(chē)身焊裝線(xiàn)的發(fā)展也從手動(dòng)焊接線(xiàn)、機器人自動(dòng)線(xiàn)到柔性自動(dòng)線(xiàn)。同時(shí)工業(yè)機器人被廣泛的應用在白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線(xiàn)上，使其更加的自動(dòng)化、智能化、柔性化，降低工人的勞動(dòng)強度。例如在點(diǎn)焊夾具上應用點(diǎn)焊機器人，如圖 1.1（a）所示；在弧焊工作站中應用弧焊機器人，如圖 1.1（b）所示；生產(chǎn)線(xiàn)中抓具的使用和運動(dòng)需要依賴(lài)搬運機器人，如圖 1.1（c）所示。

　　現如今先進(jìn)的國外焊裝生產(chǎn)線(xiàn)廣泛應用計算機技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)、仿真技術(shù)等，自動(dòng)化程度高，更加注重系統集成性，具有高精度的特點(diǎn)，并且愈來(lái)愈柔性化，生產(chǎn)效率更高。德國 Multivan T5 的焊裝線(xiàn)自動(dòng)化程度高，大量使用工業(yè)機器人，減少了將近一千五百人的工作量，即 750 臺機器人做大約 76%的工作，焊接近 80%的焊點(diǎn)。在Mercedes-Benz、BMW、Ford 等的焊裝線(xiàn)中有德國 KUKA 公司提供的大量機器人，約占 95%,有的焊裝線(xiàn)甚至高達 98%.意大利的柯馬設計開(kāi)發(fā)的焊裝線(xiàn)柔性化很高，可以制造四種車(chē)型，甚至同時(shí)加工制造八種車(chē)型，在車(chē)身焊裝線(xiàn)的柔性化方面占據很大的上風(fēng)，處于領(lǐng)導地位。在焊裝生產(chǎn)線(xiàn)中美國的 Unlmate 和意大利的 Deltix6 機器人更是廣泛應用，在地板、側圍等的車(chē)身制造中占據重要地位。

　　相對而言，我國的焊裝生產(chǎn)線(xiàn)起步較晚，技術(shù)落后，一開(kāi)始的夾具設計比較簡(jiǎn)單，直到 21 世紀隨著(zhù)汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展迅猛，白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線(xiàn)的技術(shù)也愈來(lái)愈國際化，自動(dòng)化程度愈來(lái)愈好，如一汽大眾、吉利等，把機器人運用其中，提高其自動(dòng)化的水平和加工精度[9],如圖 1.2 所示。

　　四川寶瑪為東風(fēng)標致開(kāi)發(fā)了使用機器人的眾多工位的夾具，還研發(fā)了長(cháng)城某車(chē)型的焊裝線(xiàn)，這條生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度和加工制造能力都在國內位于重要的地位。一汽捷達汽車(chē)的十三條焊裝線(xiàn)大量運用機器人，百分比高達 80%,自動(dòng)化程度大大提高，通過(guò)與計算機相連的機器人自動(dòng)進(jìn)行焊件的運輸、焊接，降低人工使用量，工作環(huán)境也愈來(lái)愈好。大連奧拓公司具有豐富的焊裝線(xiàn)設計經(jīng)驗，設計的通用某車(chē)型的焊裝線(xiàn)中機器人約占 80%.

　　1.2.2 白車(chē)身焊接夾具的發(fā)展狀況

　　21 世紀至今，汽車(chē)車(chē)身的發(fā)展越來(lái)越迅速，虛擬制造技術(shù)的不斷運用，車(chē)身造型越來(lái)越個(gè)性化、輕量化，向電子及信息集成化方向發(fā)展。汽車(chē)車(chē)身技術(shù)發(fā)展的趨勢：

　　安全性、經(jīng)濟性、動(dòng)力性、舒適性、排放性的有機結合；電子化、智能化、信息化、數字化的集成。汽車(chē)的制造規模、速度以及質(zhì)量與夾具的自動(dòng)化水平有著(zhù)最為直接的關(guān)系[10-11].汽車(chē)的車(chē)型眾多，所以也造成了車(chē)身的多種多樣，不同的車(chē)型需要的夾具種類(lèi)也各不一樣，對夾具的設計要求也不盡相同，如果同一車(chē)型的生產(chǎn)要求不一樣，也可能會(huì )造成夾具的不同，因此夾具的設計也愈來(lái)愈困難，需要設計人員的專(zhuān)業(yè)素能愈來(lái)愈高。對于白車(chē)身焊接夾具的要求越來(lái)越高，利用計算機技術(shù)的無(wú)紙操作，減少了設計者的重復性工作，使夾具的結構設計便于修改和查詢(xún)，使設計更加標準化、集成化、柔性化、網(wǎng)絡(luò )化，也使夾具設計的成本更低、更快，設計周期更短，并且在設計過(guò)程中更容易實(shí)現企業(yè)與用戶(hù)的商討決議，在多種方案中選擇最優(yōu)的結構方案，提高焊接質(zhì)量。

　　國外對使用 CAD/CAM 技術(shù)進(jìn)行車(chē)身焊接夾具的設計，早已有了完備的系統，減少了夾具的設計成本，縮短了制造周期，同時(shí)也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。1989 年 Cabadaj在功能建模中進(jìn)行夾具分析，在功能模型中進(jìn)行夾具的定位，在力學(xué)模型中進(jìn)行切削力與夾緊力對夾具作用的分析，在三維建模系統中進(jìn)行夾具的結構設計[12].1992 年美國成立了汽車(chē)車(chē)體協(xié)會(huì )，提出了 2mm 工程，促進(jìn)了焊接夾具 CAD 的發(fā)展。韓國通過(guò)對虛擬環(huán)境的研究，運用標準件庫，提升了夾具設計和生產(chǎn)的速度，韓國現代汽車(chē)的GRACE 的生產(chǎn)線(xiàn)只用了兩個(gè)月進(jìn)行結構設計[13].

　　我國的白車(chē)身焊接夾具的設計與制造雖然起步晚，但是也在不斷地發(fā)展與進(jìn)步，從只可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的夾具設計到生產(chǎn)線(xiàn)的研發(fā)，白車(chē)身焊接夾具如圖 1.3 所示。清華大學(xué)工業(yè)工程系通過(guò)研究車(chē)身焊接夾具的缺陷，在加工車(chē)間運用機器人，選擇可重構的方法進(jìn)行設計，解決了若干技術(shù)問(wèn)題。華中科技大學(xué)的白車(chē)身焊接生產(chǎn)線(xiàn)的 CAD/CAM系統通過(guò)計算機來(lái)處理數據，使用通用件、標準件進(jìn)行夾具的結構設計，采用 NC 技術(shù)，提高焊裝線(xiàn)的精度[14].哈爾濱工業(yè)大學(xué)在夾具的設計中融入實(shí)例，創(chuàng )造了一種用知識來(lái)表達的形式，以框架為基礎。2002 年周至強等人運用模塊化和參數化設計焊接夾具，研發(fā)參數庫。熊曉萍、金權東在 2006 年提出在傳統的 CAD 系統基礎上加入工程技術(shù)，更加迅速的實(shí)現夾具 CAD 技術(shù)的智能化[15].

　　1.2.3 虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展和應用

　　隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步和市場(chǎng)的變化，制造企業(yè)的戰略也在不斷地進(jìn)步和創(chuàng )新，從要求企業(yè)規模到注重產(chǎn)品質(zhì)量，再到加快市場(chǎng)反映速度， 如今 21 世紀制造企業(yè)進(jìn)行科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng )新，企業(yè)的戰略逐步由資源經(jīng)濟轉變?yōu)橹�識經(jīng)濟。

　　虛擬制造技術(shù)（Virtual Manufacture）的出現順應了時(shí)代的發(fā)展。虛擬制造又稱(chēng)擬實(shí)制造，一些國外文獻也稱(chēng)為像素制造（Manufacturing on Pixels）或屏幕制造（ScreenManufacturing），它是現實(shí)制造過(guò)程在計算機上的本質(zhì)實(shí)現，即采用計算機仿真與虛擬現實(shí)技術(shù)，在計算機上群組協(xié)同工作，實(shí)現產(chǎn)品的工藝布局規劃、設計制造、性能分析、質(zhì)量檢測，以及企業(yè)各級過(guò)程的管理與控制等，增強制造過(guò)程中各級的決策與控制能力[16].所以，虛擬制造在不會(huì )損耗加工原料的同時(shí)，也不會(huì )產(chǎn)生現實(shí)的產(chǎn)品，只是利用計算機技術(shù)實(shí)現產(chǎn)品在制造過(guò)程當中的本質(zhì)。

　　虛擬制造與真實(shí)制造相比有其鮮明的特征：

　　（1）虛擬性：產(chǎn)品的設計、制造和測試是在計算機的虛擬制造環(huán)境中進(jìn)行的。在計算機的虛擬環(huán)境中，設計人員可以根據設計要求以及設計經(jīng)驗修改產(chǎn)品的尺寸與形狀，設計產(chǎn)品的結構，并進(jìn)行產(chǎn)品的裝配，可以多角度的對產(chǎn)品進(jìn)行觀(guān)察和評價(jià)。設計人員可以對工廠(chǎng)或者設計產(chǎn)品的生命周期進(jìn)行模擬預演，體驗整個(gè)制造過(guò)程，并進(jìn)行制造過(guò)程的構想。

　　（2）數字化集成性：各種類(lèi)型的仿真軟件構成的公共通訊平臺，這就是虛擬制造系統，同時(shí)虛擬制造系統也是數字化集成環(huán)境，由相互獨立的制造技術(shù)組成，無(wú)縫連接各種與之相關(guān)的技術(shù)。

　　（3）分布性：實(shí)現信息的資源共享，在同一產(chǎn)品模型上把分布在各個(gè)地點(diǎn)、各個(gè)部門(mén)的不同的專(zhuān)業(yè)人員集中起來(lái)，實(shí)現彼此相互交流，共同完成工作，縮短文檔生成和傳遞的時(shí)間，同時(shí)降低與此對應產(chǎn)生的誤差，因此縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期。

　　（4）依賴(lài)性：在我們對實(shí)際的物理過(guò)程的理解和認識的基礎上，進(jìn)行虛擬制造的模擬和加工制造過(guò)程的描述和評估，因此虛擬制造的運行是人類(lèi)對制造過(guò)程認識的綜合演練。這個(gè)過(guò)程不需要生產(chǎn)產(chǎn)品，所以它并不能衍生出與實(shí)際物理過(guò)程相關(guān)的新的理論值知識，而這個(gè)過(guò)程的仿真精度不比仿真模型與真實(shí)模型的近似程度高。

　　虛擬制造技術(shù)目前已進(jìn)入到實(shí)用階段，例如波音 777 的設計制造，該飛機的研發(fā)設計都是在計算機的虛擬環(huán)境中完成的，包括零部件設計、整機設計、安裝和調試，減小了設計難度和設計時(shí)間，從過(guò)去的 8 年縮減為 5 年。歐洲空中客車(chē)的設計放棄了傳統的產(chǎn)品研發(fā)方法，也選擇了虛擬制造技術(shù)，縮短了研發(fā)以及生產(chǎn)周期，從過(guò)去的 4年縮減為 2.5 年，使產(chǎn)品提前進(jìn)入市場(chǎng)，降低了產(chǎn)品的研制成本，增強了企業(yè)產(chǎn)品在研制過(guò)程中的競爭力。IBM 與 Ford 和 Chrysler 公司為新車(chē)型共同研發(fā)了一個(gè)虛擬制造環(huán)境，此系統可以在樣車(chē)制造以前察覺(jué)設計缺陷，尤其是定位系統控制方面的漏洞，新車(chē)型的設計周期由 3 年到 2 年。美國國家標準局 NIST 創(chuàng )建虛擬制造環(huán)境，波音公司與麥道公司共同創(chuàng )立機械設計自動(dòng)化所；達姆施塔特技術(shù)大學(xué)和滑鐵盧大學(xué)等都建立了研究機構，對虛擬制造技術(shù)進(jìn)行研究[17-19] .

　　最近幾年，虛擬制造技術(shù)在我國也得到了廣泛的發(fā)展，各種科研機構、高校以及企業(yè)都對虛擬制造技術(shù)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)。例如"制造系統的可視化、虛擬建模與仿真"被確認成為國家 863/CIMS 主題組重點(diǎn)研究項目，國內各大高校也在對其進(jìn)行技術(shù)研究。國內關(guān)于虛擬制造技術(shù)的研究主要集中在虛擬制造基礎研究、產(chǎn)品虛擬設計、產(chǎn)品虛擬加工和虛擬制造系統四個(gè)方面[20]

　　.虛擬制造技術(shù)的應用貫穿了汽車(chē)的整個(gè)生命周期，例如在加工制造汽車(chē)的設備、模具、工裝設備以及設計校車(chē)之前，建模、修改、優(yōu)化和分析整個(gè)生產(chǎn)體系以及工藝流程。基于 UGII 軟件，1997 年通用電動(dòng)機車(chē)部完成了機車(chē)樣機模型的建立，這是第一個(gè)完全數字化的模型，在這個(gè)模型的基礎上，進(jìn)行產(chǎn)品的設計、分析和制造，以及后續工裝裝備設計，甚至是可維修性的研究與設計。在 1998 年 SDRC 公司和日產(chǎn)汽車(chē)公司簽署了總金額多于一億美元的大合同，用于軟件、服務(wù)與實(shí)施的購買(mǎi)，此合同的目的主要為了數字樣車(chē)的研發(fā)與設計。21 世紀的日產(chǎn)汽車(chē)公司在汽車(chē)加工制造的整個(gè)進(jìn)程中，使用概念設計支持工具、包裝設計軟件、覆蓋件設計、整車(chē)仿真分析、數字樣機及物理樣機的生產(chǎn)等[21].

　　1.3 課題研究?jì)热菖c基本框架

　　在三維數字化技術(shù)研究的基礎上，根據某汽車(chē)公司的汽車(chē)后地板數模、工藝文件和設計要求，對白車(chē)身焊接夾具的結構進(jìn)行設計與優(yōu)化，本文主要運用如圖 1.4 所示的技術(shù)路線(xiàn)。

　　依據以上分析，本文通過(guò)以下章節進(jìn)行論述：

　　第一章 緒論

　　主要闡述課題的研究背景及意義，分析車(chē)身、焊接生產(chǎn)線(xiàn)、焊接夾具和虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展狀況和應用現狀，最后論述本文的研究?jì)热?/p>

　　第二章 白車(chē)身焊接夾具的工藝研究

　　介紹白車(chē)身主要的焊接方法，根據項目要求進(jìn)行白車(chē)身焊接夾具平面布局規劃與工藝設計，包括設置生產(chǎn)節拍，設計焊接工藝、機器人數量、分布位置以及焊點(diǎn)分布、工藝焊槍的選擇等。

　　第三章 白車(chē)身焊接夾具的結構設計

　　闡述白車(chē)身焊接夾具的基礎知識和夾具的定位理論，基于 CATIA 軟件，根據設計和焊接要求，進(jìn)行白車(chē)身后地板焊接夾具的概念設計和三維結構設計。

　　第四章 白車(chē)身焊接夾具的結構優(yōu)化分析

　　夾具結構并對其進(jìn)行結構優(yōu)化，對后地板的定位方式和氣缸夾緊部件的結構進(jìn)行分析與優(yōu)化，靜力分析優(yōu)化后的復雜夾緊臂的結構驗證其強度是否符合設計要求，并在對 BAES 板進(jìn)行靜力分析的基礎上進(jìn)行結構優(yōu)化。

　　第五章 白車(chē)身焊接夾具的仿真分析

　　分析機器人的運動(dòng)，并基于 Process Designer & Simulate 軟件進(jìn)行機器人仿真分析，對整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，驗證是否滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，確保實(shí)際焊接生產(chǎn)中不發(fā)生干涉。

　　第二章 白車(chē)身焊接夾具的工藝研究
　　2.1 白車(chē)身的組成
　　2.2 白車(chē)身焊接方法
　　2.2.1 電阻點(diǎn)焊
　　2.2.2 電弧焊
　　2.2.3 激光焊

　　2.3 白車(chē)身焊接工藝規劃
　　2.3.1 白車(chē)身焊接工藝流程
　　2.3.2 白車(chē)身焊接的生產(chǎn)節拍
　　2.3.3 白車(chē)身焊接線(xiàn)生產(chǎn)工藝布局
　　2.3.4 焊點(diǎn)的分配和焊槍的選型
　　2.4 本章小結

　　第三章 白車(chē)身焊接夾具的結構設計
　　3.1 白車(chē)身焊接夾具的概述
　　3.1.1 白車(chē)身焊接夾具的設計要求
　　3.1.2 白車(chē)身焊接夾具的定位理論
　　3.1.3 白車(chē)身焊接夾具的設計流程
　　3.2 白車(chē)身焊接夾具的概念設計
　　3.3 白車(chē)身焊接夾具的結構設計
　　3.3.1 夾具設計的典型結構
　　3.3.2 夾具設計的復雜結構
　　3.3.3 夾具設計的滑移機構
　　3.4 本章小結

　　第四章 白車(chē)身焊接夾具的結構優(yōu)化
　　4.1 夾具結構的分析與優(yōu)化
　　4.1.1 后地板分總成工件定位方式的優(yōu)化
　　4.1.2 夾具部件單元的結構優(yōu)化
　　4.1.3 夾具的干涉檢查與優(yōu)化
　　4.2 夾具結構的靜力分析與優(yōu)化
　　4.2.1 夾緊結構的靜力分析與優(yōu)化
　　4.2.2 BASE 部件的靜力分析與優(yōu)化
　　4.3 白車(chē)身后地板總成夾具設計完成效果圖
　　4.4 本章小結

　　第五章 白車(chē)身焊接夾具的仿真分析
　　5.1 機器人運動(dòng)分析
　　5.2 基于 Process Designer & Simulate 的白車(chē)身焊接夾具的仿真分析
　　5.2.1 仿真軟件 Process Designer & Simulate 的介紹
　　5.2.2 白車(chē)身焊接仿真工作站建模
　　5.2.3 白車(chē)身焊接過(guò)程的仿真
　　5.2.4 白車(chē)身焊接的仿真結果分析
　　5.3 本章小結

第六章 結論與展望

　　6.1 結論

　　本論文研究白車(chē)身后地板的焊接工藝，并對后地板焊接夾具進(jìn)行設計與優(yōu)化，通過(guò) Process Designer & Simulate 對焊接過(guò)程進(jìn)行仿真分析。經(jīng)過(guò)研究與分析，得出以下結論：

　　（1）根據項目要求和技術(shù)要求對某車(chē)型后地板焊裝線(xiàn)進(jìn)行工藝規劃布局，并根據白車(chē)身的結構特點(diǎn)進(jìn)行工位的劃分與焊點(diǎn)的分配，確定本論文所重點(diǎn)研究工位的焊點(diǎn)信息和焊槍類(lèi)型。

　　（2）根據白車(chē)身焊接夾具的設計要求，通過(guò) CATIA 軟件進(jìn)行后地板某工位夾具的三維結構設計，詳細介紹了夾具的設計過(guò)程，首先對其進(jìn)行概念設計，最后具體設計夾具的三維結構。

　　（3）優(yōu)化后地板分總成的定位方式，分析夾具結構的重點(diǎn)結構，并結合工件和定位夾緊點(diǎn)的位置和數量進(jìn)行結構的優(yōu)化，通過(guò)運動(dòng)仿真模塊進(jìn)行干涉分析，并運用ANSYS 軟件對關(guān)鍵夾緊結構和 BASE 部件進(jìn)行靜力分析，驗證結構的強度，最后得到后地板總成夾具設計完成效果圖。

　　（4）基于 Process Designer & Simulate 平臺進(jìn)行后地板某工位的焊接過(guò)程的仿真，將夾具、機器人、抓具、放置臺等進(jìn)行三維布局，確定焊槍的姿態(tài)以及焊槍和機器人的運動(dòng)軌跡，分析焊接過(guò)程，并估算生產(chǎn)節拍，保證所有的焊點(diǎn)都能有序的焊接和生產(chǎn)過(guò)程的順利開(kāi)展。

　　本論文仍然需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化夾具的結構，使操作更加方便，減少不必要的焊接路徑，縮短焊接時(shí)間，提高焊接的精度和效率。

6.2 展望

　　汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)步和虛擬制造技術(shù)的普及，造成了汽車(chē)產(chǎn)品的更新愈來(lái)愈快，生產(chǎn)加工更加柔性化，白車(chē)身焊裝生產(chǎn)線(xiàn)對于汽車(chē)的制造也更加重要。為了在汽車(chē)市場(chǎng)中占據更大競爭優(yōu)勢，夾具的設計需要更深入的研究，運用虛擬制造技術(shù)、計算機技術(shù)、柔性制造技術(shù)等進(jìn)行白車(chē)身焊接夾具的設計和優(yōu)化，使焊接夾具結構更加合理、緊湊，焊接線(xiàn)的自動(dòng)化程度更高，同時(shí)也更加柔性化。

致 謝

　　雖然研究生生活面臨結束，但是研究生期間的學(xué)習和努力，讓自己的理論知識更加充實(shí)，在實(shí)踐中不斷提高。從初上研究生時(shí)的迷茫與徘徊，到如今收獲良多的自己，感謝三年來(lái)老師與同學(xué)給予我的幫助與鼓勵。

　　首先由衷的感謝我的導師劉悅教授對論文的悉心指導，劉悅老師為人正直，認真負責，重視對學(xué)生實(shí)踐能力的培養，對科研工作態(tài)度嚴謹，為我們的學(xué)習、工作、生活等方面指點(diǎn)迷津。

　　同時(shí)還要感謝宋林森教授在實(shí)驗室工作生活中的關(guān)心與幫助，在學(xué)習 CATIA 軟件進(jìn)行結構設計時(shí)的全面教導，以及給予我的論文寶貴的建議。在此還要感謝蔡紅彬博士在設計中的技術(shù)支持與 ANSYS 軟件的培訓與指導。感謝所有任課老師的無(wú)私耕耘，讓我的知識更好的積累與沉淀，感謝機電工程學(xué)院各位老師盡職的教導與培育，讓自己更加優(yōu)秀。

　　除此之外，非常感謝實(shí)驗室師兄師姐在學(xué)習與項目工作中的指導與幫助，感謝師弟師妹對于我工作的理解與支持，在實(shí)驗室同學(xué)的團結協(xié)作下共同高質(zhì)量的完成任務(wù)。

　　最后，還要感謝本文參考的眾多文獻作者，并向審閱本論文以及參加論文答辯的專(zhuān)家、老師們致以真摯的感謝！

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