基于逆向工程的焊接夹具改造技术研究

吴钧

（江苏联合职业技术学院镇江分院，江苏 镇江 212016）

随着制造企业竞争竞争的加剧。企业必须以最低的成本、最快的速度、高质量的产品占领市场，才能在激烈的市场竞争中处于领先位置。汽车的制作精度以及汽车车体的生产周期同汽车焊接夹具的要求相关性非常高，人们对于汽车焊接夹具的要求越来越高，因此在设计的过程中我们要格外的注意。传统的夹具设计，都是在通过产品已知的性能要求的情况下，按照产品的功能进行设计图稿的定稿，然后再根据图稿的要求去设计夹具，是从无到有的正向设计。然而将一些实物模型在没有任何生产参数的情况下进行生产，我们就需要通过一定的手段对实物模型进行三维的模拟，还原其原始数据，这时候就需要逆向工程。

逆向工程（也称逆向技术）是产品设计技术的复制过程，通常分为三类：软件逆向工程，产品逆向工程与影像逆向工程。逆向工程是将物理对象转化为与CAD模型相关的数字技术和几何模型重建技术的总称。也就是说，目标产品根据获得的信息对产品进行反向分析和深入研究，掌握关键技术，并解释和推导关键技术。产品的组织结构，加工流程，功能特性和技术规格的设计元素被用于生产具有类似功能但不完全相同的同类产品。逆向工程源于商业和军事领域的硬件分析，其主要目的是直接从成品中分析产品的设计原理，而不会轻易获得必要的生产信息。

1 汽车焊接夹具结构设计的现状

我国汽车制造业起步较晚，焊接夹具的技术不够成熟。在焊接夹具的设计和生产过程中，缺乏完善的系统和管理方法，对焊接夹具的进一步发展和进步造成了影响。近年来，随着汽车工业的发展，虽然焊工夹具制造商逐渐增多，但规模和管理水平不多，尤其是在实际生产和设计中仍然存在着缺陷和不足，管理人员的管理水平及能力不够理想，在实际使用过程中，不能充分考虑焊接夹具的各种需要。所以，大型汽车生产企业的焊接夹具基本上依赖进口，设计成本和加工成本增加，影响汽车价格。

2 汽车焊接夹具在设计过程中的结构设计主要内容

在汽车焊接生产线中，焊接操作实际使用的工作量只有30%到40%，辅助和夹紧工作的工作量从60%到70%不等。由于夹具是在焊接夹具上完成的，所以夹具在整个焊接过程中起着重要的作用。在焊接过程中，合理的夹具结构有利于生产线的合理布置，便于时间平衡，减少非生产时间。对于有多种型号的公司，如果能够科学地考虑共用或混合夹具，也有利于混合型装配流水线的建设，提高生产效率。汽车车身焊接夹具的设计是一项非常全面和综合的技术。在设计时，首先要确定生产程序，熟悉产品结构，了解变形特点，掌握零件和装配精度，熟悉工艺要求。只有这样才能将焊接夹具设计成各个方向。

（1）汽车焊接夹具的主要分类。从驱动形式方面我们对焊接夹具进行分类，可以分为无驱动形式、气动形式、手动形式、真空形式、液压形式、混合形式的焊接夹具。在汽车生产制作过程中最为广泛的手动形式以及气动形式的汽车焊接夹具。在细分情况下，无驱动形式的焊接夹具又可以分为应用定位块来进行焊接定位的焊接夹具和应用定位块进行焊接定位的焊接夹具。从汽车车身焊接夹具的用途功能分类，主要包括：装配用夹具、焊接用夹具和检验用夹具等。汽车车身焊接夹具的工作范围分类主要有两种，特殊夹具和万能夹具。还有三类固定装置，固定装置、可移动装置和悬挂装置。

（2）汽车焊接夹具设计的发展趋势。随着科技的发展以及人们对汽车文化的追求，舒适安全又不失个性成为追逐的共同点，这使车身结构朝着稳定化、结构合理化发展。所以伴随着新的车身材料和新的车身结构出现，车身结构也开始朝着轻量化和合理化的方向发展，使得同时对焊接方法提出新的要求，从而对汽车焊装夹具的设计和制造提出新的要求。生产规模和管理水平难以达到我们理想的水平。所以基于逆向工程的汽车焊接夹具设计便应运而生，通过逆向工程研究三维汽车焊接夹具可以降低制造成本，缩短设计周期并使设计标准化。因此，它逐渐取代了传统的前向设计和二维平面设计。缩短设计周期，抢占市场先机，大大提高设计效率，提高设计效率还可以复制现有产品，恢复损坏的产品或零件。这在实际工程设计中有很大的应用价值。

3 焊接夹具改造基本流程和内容

基于逆向工程的汽车焊接夹具自动化的改造主要包括CAD模型重构、点云数据采集等，这两点是焊接夹具改造的重中之重。扫描前要做一些前期准备工作，要对被测件进行观察，对一些反光点表面喷涂显影剂。之后再对实物模型进行光学扫描获取点云数据，一般采用TRITOP和ATIOS系统，便携式TRITOP摄影测量系统可以快速准确地测量物体的三维坐标。相对传统接触式三维坐标测量仪而言，现在可以用TRITOP系统更轻松地展开测量工作。不需要任何复杂、沉重和精密维护的硬件，像接触式坐标测量仪一样，TRITOP能记录任何特征空间的坐标及其方向：曲面点和截面基元、孔、冲孔和边、直径、长度、角度等，确定三维坐标以后，测量系统将会把测量结果转换到部件坐标系统中，把实际测量数据与CAD数据（IGES、VDA、STEP、Catia、ProE、UG 等）进行比较，TRITOP是一套便携、易用的光学测量系统，能精确定义准静态条件下物点的三维坐标，并由此计算出各种物体和组件的三维位移及形变。

ATOS系统在很多工业领域中，接触式坐标测量系统和量具正在被光学三维坐标测量系统所取代。运用新技术，可显著缩短测量时间，同时保证有效摄取物体，获取的信息数据更详细、更易于评估。ATOS采用普通光作为光源，利用投影光栅原理通过CCD采集数据，它的工作原理如下：将光源投影到异性工件的表面，此时光栅影像发生变形。从不同角度用数码相机抓取，经过数字图像处理后，大约四十万个摄像像素中每一个像素点的3D坐标系值独立而较精确的计算出来，并在每一步的测量过程中同时校准图形特征，因而投影中可能出现的变化，但是不会影响最后的结果。测量过程中测量仪可以自由地绕着被测物体移动。物体的表面数据一般是由许多不同位置的测量区域拼接组成，然后把结果直接变换到目标坐标系中。

通过ATOS系统，可获得关于三维坐标跟CAD数据间偏差的全场数据。由于这些测量数据包含了相关物体的所有信息，因此除了与CAD的曲面偏差，其应用软件还自动提供类似形位公差（GD&T）、剪切值和孔位等详细检测信息。扫描后，ATOS软件自动根据已标识参考点将各次扫描数据将它们转换到同一个坐标系中，然后就能得到完整的汽车焊接夹具点云。之后进行点云的数字网格化等预处理，以stl格式输出数据。将处理之后的数据导入指定软件中（一般有UG、CATIA、Solid Works、Pro/E），CATIA是 集 CAD/CAE/CAM于一体的软件，并拥有强大的逆向设计应用功能。然后用CATIA进行CAD曲面重构，建立模型。然后结合自动化改造的一些要求对逆向建立好的模型进行干涉性分析，主要是对自动化之后加工的运动轨迹进行分析，看路径是否合理。然后根据干涉性分析出现的问题进行相应的结构更改和调整，直至最终确定结构。

4 结语

汽车焊接夹具的逆向设计和改造极大地提高了焊接的准确性和焊接的可靠性，为汽车焊接夹具的未来发展奠定了良好的基础。随着生产力的提高，汽车行业也在迅速发展，我国汽车制造业要想在世界占有一席之地就必须提高自主创新能力，不能一直依赖进口汽车焊接夹具，要提高管理人员的管理水平及能力，在实际使用过程中，充分考虑焊接夹具的各种需要，做出自己的汽车焊接夹具。目前，逆向工程被用于研究汽车焊接夹具的三维正向汽车市场的发展，而正向的传统设计和二维飞机设计正在逐步取代生产成本低、设计周期短和标准设计。