白车身焊装生产线数字化夹具设计系统开发及应用

郑联语，高浩，吴约旺

(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，北京100191)

0 引言

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，不同车型的通用性差，新车型的生产线部署，均需要重新设计焊装夹具，从而造成市场滞后，影响企业效益［1］。

随着三维CAD系统的广泛使用，产品的设计、仿真验证均可虚拟实现，这在很大程度上缩短了设计周期。为了追求效率的最大化，许多学者对焊装夹具辅助设计进行了研究。如王翔、康飞等利用CATIA自有功能研究了运用知识工程参数化建立标准件库的方法，为资源的快速调用提供了支撑［2］;刘政等人则对焊装夹具的零件组成进行分类与编码，研究了推理机制，并基于CATIA开发设计了夹具辅助设计系统［3］;Sun等提出了一种基于案例推理的智能夹具设计系统，此系统不同于传统的规则知识库的设计系统，采用事件来存储经验，当遇到新问题时，系统就能检索出最相近的案例，并进行适当的更改，当满足设计要求后，新的案例又被重新存入案例库［4］。以上研究多集中在库的归类整理以及资源文件的机智调用上，在与焊枪的可达性干涉关系、定位夹紧块以及夹具二维与三维关联等设计上鲜见报道。作者在对焊装夹具整个设计过程，尤其是工作内容重复、繁琐、效率低的环节，进行分析的基础上，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。

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，主要由焊点批处理、MCP/MCS设计、焊枪仿真、生产线资源库管理、实用工具和工程图生成6个模块组成，见图1。

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;MCP/MCS设计能够实现定位夹紧块的快速创建和断面剖切;焊枪仿真能够实现焊枪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、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。

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。设计主要包括了概念设计、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［5］。

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。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，焊枪仿真模块主要作用于优化设计。系统工作流程见图2。

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、型材创建与管理等，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、限位块)、国标件 (螺钉、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。

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入库出库，这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 焊点处理与焊枪仿真

焊点处理与焊枪仿真是焊装夹具三维设计中必不可少的重要环节，焊枪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，修改后再进行焊枪仿真，如此反复直至成功保证所有焊点的焊接可达性。而且目前焊枪插入都是靠设计者手动操作与调整，如图4所示的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。

在该系统中，以上复杂过程都通过程序自动执行实现，大大提高了焊枪插入与仿真的效率。系统通过读取GSMPoint和EXCEL等格式原始焊点文件，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，再加上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枪库的建立。因此，设计者只需选择焊点与焊枪规格即可直接实现焊枪插入、焊枪装配、焊枪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，所以需要在特定世界点创建它。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，如图5是车型侧围的定位信息，它只有x、z两个坐标，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，从而形成贴合车身的主控面。

为实现定位块的创建，首先创建轴系，并以此为基准，创建定位块数模，见图6。

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)。参数化驱动调姿的流程如图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。

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两种方式，可以实现销孔、钉孔、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、孔面颜色等参数设定，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、定位销的一次性批量插入、装配、定位、打包［6］。

该模块的工作流程如图8所示，设计人员通过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、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。

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、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［7］。该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、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)、尺寸等元素信息，系统对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［8］。工程图生成流程见图9。

4 系统应用

以国内某一知名汽车公司设计的一款车型的掀背门焊装夹具设计为例，进行此系统的功能验证与工程应用。

在掀背门焊装夹具设计之前，设计人员根据车体数模及工艺需求已经完成掀背门的焊点划分，可直接进行焊枪仿真模块操作。利用系统的焊枪筛选功能 (图10)，根据喉深喉宽进行筛选，通过用户交互选择焊点及其对应的面，并在CATIA 3D视图中选择焊枪或从库中选择 (换枪则需重选)。系统同时设计了焊枪姿态的反向和复制功能，为焊枪快速操作提供途径。

通过点选车身曲面，将定位夹紧块导入到预览图中，此时可按二维定位信息文件对其世界坐标值进行约整，而后按照预览图中指示调整平移和旋转至合适的姿态 (图11)。

焊枪库与定位夹紧块都是通过资源库模块直接调用使用。同时，利用资源库中的常用夹具零部件调用装配，即可初步完成掀背门焊装夹具主体框架的三维设计。通过焊枪仿真模拟指导夹具的三维详细设计，设计完成后再次仿真验证，验证无误之后调用批量打孔、螺栓销快速装配等实用工具模块进行夹具的细节设计，最终完成夹具三维数模的设计 (图12)。三维设计完成后，通过零件属性附注和工程图生成等模块 (图13)进行二维设计，完成夹具的工程图定稿出图 (图14)。应用此系统完成该掀背门的焊装夹具设计，约花费30个工作时，充分验证了此系统的有效性、高效性，取得了明显的应用效果。

5 结论

通过研究汽车白车身焊装夹具设流程及技术信息，基于主流数字化制造平台 (CATIA/DELMIA)开发了面向汽车白车身焊装生产线的数字化夹具设计系统。此系统具有以下特点:

(1)功能完整性。系统涵盖了焊装夹具设计3大环节，同时包含了设计完成后的出图、标注、BOM表汇总等各个环节，形成了一套完整的汽车白车身焊装生产线数字化夹具设计系统。

(2)信息集成性。该系统可完全融于企业现有三维设计软件 (CATIA/DELMIA)，实现与原有功能的无缝集成。

(3)实用高效性。该系统已经在企业得到了广泛工程应用，充分验证了该系统的有效性、高效性，可大幅度提高汽车白车身生产线设计效率，增强其自动化与数字化程度。

【1】李文忠，高保雷，邵丹.浅析汽车车身的焊接工艺设计［J］.汽车工艺与材料，2006(2):17 －21，28.

【2】游海.汽车车身夹具的设计要点、调试及发展［J］.机械工程师，2007(7):68－69.

【3】王翔.基于CATIA V5的汽车三维标准件库的建立［J］.汽车零部件，2011(6):70－73.

【4】Sun Shu Huang，Chen Jahau Lewis.A Fixture Design System using Case-based Reasoning［J］.Engineering Application of Artificial Intelligence，1996，9(5):533 －540.

【5】徐伟.基于PDM的夹具辅助设计集成系统研究［D］.南京:南京航空航天大学，2006.

【6】李如忠.利用UG NX二次开发技术实现批量孔的创建［J］.机械研究与应用，2008(6):98－100.

【7】Quintana Virgilio，Rivest Louis，Pellerin Robert，et al.Will Modelbased Definition Replace Engineering Drawings Throughout the Product Lifecycle?A Global Perspective from Aerospace Industry［J］.Computers in Industry，2010，61(5):497 －508.

【8】邵晓明.CATIA工程图国标化与辅助精度设计技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2010.