轿车白车身焊接生产线设计及虚拟设计技术应用研究

刘天宇

摘 要：本文重点描述了轿车白车身焊接生产线设计环节，并就虚拟设计技术在其中的应用内容进行了简要描述。

关键词：轿车白车身;焊接生产线;虚拟设计技术

当前我国的多数轿车白车身均以焊接生产流水线的方式进行生产，为满足日益增长的汽车需求，应就焊接生产效率提升以及生产成本降低等要求，结合实际生产情况进行深入分析，进一步提高焊接生产线的先进程度以保证其制造质量与生产效率。我国目前与国外柔性、多车型制造的高自动化汽车制造企业仍有不小的差距，因此更应对焊接生产线进行重新优化与设计，并在其中应用合适的虚拟设计技术以快速提升自身的研发与制造能力。

1 几种主要的生产线设备设计

1.1 焊接设备设计

焊接生产线中焊接设备是基本的构成部分，可以将其归纳为两个大类：焊机与焊枪。以车身焊接为例，通常采用电阻焊的方式将各个零部件进行焊接，这种焊接方式的应用主要是以电流作为焊接工具，利用不同工件之间存在的电阻使其发热融化从而将其连接起来[1]。按照不同的应用手法可以将其分为凸焊、缝焊与点焊，一般车身焊接的过程中应用点焊的方式较多，每生产一台轿车大约要经过5000次以上的焊接操作。

轿车白车身焊接生产线以移动式焊机为主，包含滚轮、数据线缆、导轨以及焊钳等，通过在平面上的自由垂直运动能够对不同位置进行焊接。而控制焊接的电气柜中又涵盖了水路控制阀、气路控制阀以及变压器等，以方便操作人员根据部件的不同特性与焊接要求随时调整焊接使用的电流与时间。其应结合具体的夹具与焊接件情况制定设计方案，防止夹具与焊件之间发生干涉现象。常用的焊钳臂运动方式包含X型与C型两个种类，两个种类分别应用于不同的焊接部位（水平与竖直）。

1.2 输送装置设计

输送装置的作用是将各个独立的工件运送到合适的位置以进行后续焊接，主要包括循环式与往复式输送装置。对于输送装置来说，其中关键零件的应用强度决定了生产线的生产质量，因此必须在实际使用前对其进行校核，包括强度校核与使用寿命校核等。另外由于在生产线中存在着具有质量大、运行速度快特性的设备类型，使得其冲击惯性较大，为保证正常使用应安装缓冲装置，以免影响设备使用寿命、增加安全事故的发生风险。

1.3 焊接夹具设计

设计焊接夹具的目的是保证不同工件之间的位置关系与焊接质量，使其即使在焊接过程中也能保证其不脱离预定的几何位置[2]。这种夹具的结构与一般的零件夹具并无太大差别，包含夹紧、定位、传动等功能，能够将零件按照图纸与工艺需求将其固定在对应位置，使得焊缝与焊点符合生产要求。

依据焊接夹具的不同运动方式可以将其分为气动、手动以及电动等，又可以将其分为点固、分总成等，按照不同的工件需求使用固定或移动两种形式的夹具类型。随着时代的发展与进步，焊接夹具的选择类型也在逐渐增多，以模块化思路为基础产生了一种基于气缸连杆机构的夹紧工具，在对其进行设计并应用于实际生产线中仅仅需要知晓角度与具体的零件安装尺寸即可，但必须遵循冲压件与夹具之间不发生干涉现象的基本原则。结合需要的工件夹紧具体要求后就可以构建三维结构模型，按照强度与寿命等需求挑选合适材料，最终形成符合现场生产条件的焊接夹具。

1.4 焊接机器人设计

针对于柔性车身焊接生产线，作为其中的核心部分，焊接机器人一直以来都是保证生产线焊接质量的关键因素。即使有车型的更改需要，仅仅需要依据具体型号与尺寸改变运动程序即可，在提高工作效率的同时也大大减轻了员工的工作量，并充分保证了人员操作安全。其包括控制系统、焊枪、辅助焊接设备以及焊接控制器等。

2 虚拟设计技术的具体应用

2.1 虚拟环境构建

作为虚拟环境与设计的构建基础，三维CAD系统是设计的主要工具。由于白车身的曲面结构较多，仅仅应用二维设计不仅难度大，且需要繁复环节才能将各个部件的具体结构表述清楚，浪费了大量的设计时间，因此三维CAD系统在虚拟设计技术的应用环节具有十分关键的作用。

当前已经成熟的虚拟仿真系统主要分为企业专用、大学研究以及商品化通用三种类型，已经商用化的系统通常较为昂贵，在确定应用该种技术前应对市场环境以及企业自身生产线进行深入分析，以提高系统的应用效果[3]。成熟的系统应包含人机工程分析、运动仿真等功能，最主要的是能够将整个生产过程模拟出来以便于后期对生产环节进行完善与优化。

2.2 虚拟仿真设计

ROBCAD是一种常见的虚拟仿真工具，由于其涵盖了诸多与焊接生产线相关的知识，因此将其应用至白车身焊接生产线中极为适合[4]。再加上其与CAD软件之间非常方便的数据传输接口，即使有后期的数据修改也能将修改结果直接输入至仿真系统中，节约了大量的时间。在进行仿真设计时由于三维CAD文件中包含的冗余数据较多，为了避免影响仿真过程可以将其转为面片数据格式，以最大程度的提高仿真过程的实时性。

3 结语

综上所述，我国作为汽车产销大国，对生产线进行持续性的优化与设计是必然过程，同时也是提高生产效率、加强创新的重要前提。因此，应从电气、控制等方面对白车身焊接生产线进行优化设计，并结合企业实际情况选择添加“工位级”的机器人，设计更高标准的柔性与多车型混流焊接生产线，以满足更高的白车身焊接需求，这也是未来生产线发展的主要方向。

参考文献：

[1]许俊芳.基于ROBCAD的焊装线的设计、规划及仿真[D].广东工业大学，2017.

[2]董鸿儒，王黎青，顾冬等.汽车内饰门板的焊接仿真系统设计[J].工业控制计算机，2019，32（03）：8-9，12.

[3]李怡林.基于RobotStudio的双机协同工作站仿真设计[J].河南科技，2019（25）：14-18.

[4]李鹏.多工业机器人圆环链生产线开发及轨迹规划与仿真研究[D].西安理工大學，2017.