汽车白车身前后门焊装夹具设计及机器人仿真关键技术研究开题报告大学毕设论文.docx
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汽车白车身前后门焊装夹具设计及机器人仿真关键技术研究开题报告大学毕设论文
硕士研究生学位论文
开题报告
题目：
汽车白车身前后门焊装夹具设计及
机器人仿真关键技术研究
学院：
汽车工程学院
专业：
车辆工程
学号：
M060111109
姓名：
徐小剑
导师：
杨国平
日期：
2012年12月日
研究生处制
摘要
轿车白车身是汽车的重要组成部分，是构成汽车的四大部分之一，是诸多汽车零部件的载体。
车身焊接作为白车身制造四大工艺之一，车身焊接的质量、精度、生产效率对整车的质量、精度、生产效率有着直接的影响。
在大规模制造方式下，生产流水线是提高产品质量和生产效率的有力工具，在白车身焊接生产过程中也不例外。
本文研究的是白车身前后门内板总成某工位的焊装夹具设计，这是轿车的白车身车门焊装夹具设计工作中的第一步。
本研究首先介绍了白车身的特点，对焊装夹具的特点和设计要求做了详细介绍，这两部分的内容是白车身焊装夹具设计的基础。
本研究的重点之一是对车身前后门内板总成进行三维夹具结构的设计，并建立了夹具标准件库，体现了柔性设计思想。
本研究首先分析了客户（主题厂）的工艺仕样书，在设计经验的基础上总结出夹具设计的逻辑结构，以此为设计指导，在分析了车身前后门内板总成的结构之后，同时对焊枪的选型进行了介绍。
之后是对已完成的三维夹具进行二维设计，包括基准图的绘制和元件的尺寸标注。
基准图详细描述了工件的定位点，因此，对夹具的设计有重要的参考意义。
二维尺寸标注部分不但详细具体介绍了尺寸、公差的标注的原则、方法，而且用具体、有代表性的例子进行了详细说明。
本研究的另一个重点是焊接机器人的焊接仿真。
分析了多机器人的焊接路径优化问题及多机器人间防干涉问题，建立了相关数学模型，并研究了相关算法，编制了程序，得出了初步解决方案。
本研究设计了机器人的车身前后门的焊接路径，运用Robcad设计并运行证明了该路径的合理性。
关键词：
白车身，前后门，焊装夹具，机器人仿真
1.选题来源、背景和意义
1.1选题来源
作为“卓越工程师”培养计划一员，本课题来自上海通用汽车有限公司沈阳北盛分厂，由作者
所在实习单位上海德梅柯汽车装备制造有限公司负责设计生产，公司项目编号为DEMC12-031。
1.2选题背景和意义
汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化工具。
没有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。
轿车工业发展水平不仅反映了一个国家经济发展和人民生活的水准，而且也反映了一个国家科学技术和文明的水平。
据中国汽车工业协会2006年12月9日提供的最新统计，按照2006年1月到11月的进度，2006年全年中国汽车产销有望首次突破700万辆大观。
在2006北京国际汽车高峰论坛上，中国汽车工程学会理事长张小虞对中国入世五年带给中国汽车的影响时表示，国内汽车的产量在入世的5年内增长了3倍，中国在全世界汽车产业的排序从过去的第8位上升到前3位。
中国已经成为汽车产业大国。
要想迈入汽车产业强国行列，我国汽车工业必须努力打造自主品牌、加速技术创新、提高自主知识产权的比重、调整产品结构、促进产品创新和管理机制创新，从总体上提高我国汽车行业的制造水平和能力，增强汽车行业的国际竞争力，加速我国汽车行业的国际化进程。
目前世界汽车工业中研究最活跃、发展最迅速的领域之一是汽车车身工程。
在汽车100多年的发展历史中，汽车车身经历的变化最多。
车身的制造对汽车企业的整车生产能力有重要影响。
汽车的更新换代在很大程度上取决于车身技术的发展。
汽车白车身是汽车其他零部件的载体，是以“钢结构”为主的支撑部件。
就轿车车身的设计成本而言，约占整车总成本的一半。
它通常有300至500多个形状复杂的薄板冲压零件，在55－75个工位上大批量、快节奏的焊接而成。
生产时，装夹定位点多达1700－2500个，焊点多达4000－5000。
白车身焊接质量的优劣对整车质量起着决定性作用。
因此，白车身焊接技术十分重要，它是提高产品质量和生产效率的关键。
设计结构优良、定位精度高的焊装夹具对确保车身外型美观具有重大意义。
2.文献综述
2.1国外研究现状
在汽车100多年的历史中，汽车的任何部分都没有像轿车车身那样经历了这么多的变化。
作为轿车四大总成之一的轿车车身是当今各类高新技术发展的集中载体，而国内外轿车生产的实践也一再证明轿车发展的关键主要就在轿车车身上：
轿车整车生产能力的发展取决于轿车车身的生产能力；轿车的更新换代也很大程度的取决于轿车车身技术发展。
轿车车身工业是目前世界汽车工业中研究最活跃而发展又最迅速的一个领域。
轿车车身的发展史代表了白车身的发展史，它经历了从无到有、由不完善到完善的过程。
1886年，世界上第一辆汽车诞生，但几乎没有车身；1902至1908年，轿车车身仍多为敞篷式，但在轿车车身前面加了风档，并逐渐出现脱离了马车车身结构形式的趋势，已出现金属车身；1915年生产的福特T型车是典型的箱型轿车，它确立了完整的轿车车身概念，确立了以后轿车的基本车身造型；1925年，承载式轿车问世，车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型覆盖件组成，这种金属结构的车身一直沿用至今。
轿车车身历史的转折时期是1928年．当时美国费城Budd公司运用了由大型冲压件组成的带门洞和窗洞的全金属的一项专利，用薄钢板冲压出车身所有的构件并将各部分进行对焊，通过减少零件和连接件数量大大减少了生产工序，降低产品成本；30年代末至40年代中期，由于二次世界大战使得轿车车身研究工作基本上中断，许多国家轿车停止了生产，但军用吉普车却得到大力发展；50年代是轿车车身发展的黄金时期，工业美术设计的概念被提出，承载式轿车车身得到广泛的应用并出现广“车身力学”这一概念，轿车车身设计建立了较为完整的框架；探索轿车车身新材料是60年代这一时期的主要特点，诸如复合材料、铝合金材料以及工程塑料在车身中得到应用；随着计算机技术不断进步，计算机技术在车身研发中的应用成为70年代轿车车身领域的主题，CAD技术的应用就是其中的代表；20世纪80年代以后，轿车车身各分支技术朝着更深入、更系统的方向发展：
在车身材料方面，就金属材料而言，应用于轿车车身高韧性的超高强度钢不断问世，并大量采用具有良好的防腐蚀性镀锌钢板，大量的非金属材料已较成熟地应用于轿车车身，所占整个车身材料的比例也逐年增加，出现了全铝车身和全塑料复合材料车身等。
相关的加工工艺方法（如冷冲压、特种材料成型加工、各种形式的焊接、喷漆、电镀、塑料成形等）也日新月异且不断完善。
轿车车身CAD、CAE、CAM技术不断发展成熟，并逐步形成设计及制造计算机集成系统，技术发展与应用使得现代轿车车身在各方面发生了质的飞跃。
迈进21世纪以后，轿车车身正朝着轻量化、造型个性化、电子及信息集成化、设计制造虚拟数字化等方向发展。
现代轿车车身技术发展趋势是：
安全性、舒适性、环保性有机结合；智能化、数字化、人性化和谐统一；现代科技创新的最新成果在轿车车身上得以充分运用。
在20世纪30年代到20世纪50年代，对于大批量、少品种的生产情况，一般采用自动流水线制造设备，包括物流设备和相对固定的加工工艺，这可称为刚性自动化（FixedAutomation）方式。
自动流水线设备的价格通常相当昂贵，设备固定，不灵活，只能加工几个指定工件。
如果要改变产品的品种，自动流水线需要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大。
柔性制造系统的出现改变了这一状况。
柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，FMS）是1967年诞生于英国的一种高效率的，以及对产品和市场变化适应力很强的先进生产系统。
由于柔性制造系统还在发展，所以其概念尚无统一的定义，但综合起来可以认为：
柔性制造系统是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机软件科学，把工厂生产活动中的自动化设备有机地集成起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，使产品设计、生产相互结合而成的，适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、高效率的制造系统。
由于FMS具有较高的生产率和对产品及市场的应变能力，使其在制造领域得到了广泛的应用，尤其在英国、美国、日本、德国等工业化国家，FMS的应用和研究都处于这一领域的前列。
一般说来，柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后，夹具还能适应继续使用的应变能力。
但是工件变化可以在小范围，即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内，也可在大范围，即零件形状完全不同，尺寸变化也很大。
所以，柔性夹具还是含糊的，没有明确的定义和界限。
目前，装焊夹具设计仍然是汽车柔性制造系统中的瓶颈，因为夹具的通用性很弱，专用性很强，不同的车型很难在相同的夹具上完成装焊任务，因此装焊夹具设计重点、难点在于如何提高夹具的“柔性”，以适应汽车现代化制造的要求。
而这不仅仅是夹具本身的问题，还与汽车车身的设计密切相关。
为了最大程度的解决这个难题，应该从车身设计和夹具两方面入手。
在车身设计方面，需要解决的关键问题是，如何尽量多地使同一车型不同品种的汽车采用相同或相似的车身结构，从而方便装焊夹具的柔性设计；在夹具设计方面，需要解决的关键问题是，对于现有夹具创新研究的同时，也要在夹具原理和结构方面进行创新研究，寻求原理、结构方面的突破。
汽车工业的焊接发展趋势是发展自动化柔性生产系统。
而工业机器人，因集自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了机器人。
在焊接方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。
特别是近几年，国内的汽车生产企业非常重视焊接的自动化。
如一汽引进的捷达车身焊装车间的13条生产线的自动化率达80%以上，各条线都由计算机（可编程控制器PLC-3）控制，自动完成工件的传送和焊接。
焊接由R30型极坐标式机器人和G60肘节式机器人共61台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输入和输出程序。
机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。
德国大众的MultivanT5车型焊接生产线上，76％的工作由750台机器人完成，代替了1430个工人的工量，在5327个焊点中，4674个焊点由点焊机器人完成。
在汽车生产中应用得比较成功的点焊机器人有美国的Unlmate和Versatron，意大利的Deltix6。
特别是美国的Unlmate点焊机器人在各国的车身制造中应用的更为普遍。
在国内，点焊机器人主要用于车身焊接的侧围、车身总成合焊等工位。
它的广泛使用，实现了车身焊接的柔性化生产方式——多品种的混线生产。
2.2国内研究现状
随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会。
预计国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长。
从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。
而采用焊接机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，也必将为汽车产业的发展带来新的生机。
相信，在不久的将来，通过共同努力，国内汽车行业的焊接技术会逐步缩短与国外先进焊装技术水平的差距，迎接WTO带给汽车工业的机遇和挑战。
3.研究内容
白车身焊接是一个复杂的问题，它涉及较多的因素，有些因素之间还有一定的联系。
本文主要研究内容如下：
1）轿车白车身焊接相关技术的研究。
白车身焊接是汽车制造过程中非常重要的环节，而轿车的白车身焊接要求更严格，夹具的定位精度为毫米级，整车焊接后的精度要求控制在2mm范围内，甚至更高。
因此，本研究首先介绍了白车身的特点，对装焊夹具的特点和设计要求做了详细介绍，这两部分的内容是白车身装焊夹具设计的基础。
另外，本文对柔性夹具的相关背景知识做了详细分析、介绍。
工装夹具的一般机构有：
夹紧机构、翻转机构、伸缩机构、顶升机构、输送机构、固定焊枪等，如下图：
图1夹具常用机构
2）白车身前后门内板分总成的三维夹具设计。
本研究中的车身前后门内板分总成是通用沈阳北盛分厂某款轿车白车身的重要部分，由数个形状复杂的冲压件焊接而成。
本研究首先分析了客户（主题厂）的工艺仕样书，并在设计经验的基础上总结出夹具设计的逻辑结构，以此为设计指导，在遵循夹具设计的一般方法、流程的基础上，根据该分总成的特点，进行了具体而详细的夹具设计，同时对焊枪的选型做了介绍。
仕样书及夹具初步结构如下所示：
图2夹具设计仕样书要求
图3夹具结构初步设计
3）对已完成的三维夹具进行二维设计，包括基准图的绘制和元件的尺寸标注。
基准图是二维设计中非常重要的一种，是对三维夹具设计的更深刻、直观的显示。
由于基准图将工件的定位点全部描述清楚，因此，在对夹具设计的过程中有重要的参考意义。
二维尺寸标注部分不但详细具体介绍了尺寸、公差的标注的原则、方法，而且用具体、有代表性的例子进行了详细说明。
在最后给出了生产加工的工艺要求。
4）本文继续对前后门的焊接仿真进行了研究。
分析了多机器人的焊接路径优化问题及多机器人间防干涉问题，建立了相关数学模型，并研究了相关算法，编制了程序，得出了初步解决方案。
本文根据焊接工件和装焊夹具，设计了机器人的焊接运动路径，运用Robcad设计并运行证明了该路径的合理性。
虚拟数字化工厂layout如下：
图4数字化工厂布置图
4.研究方法和设计方案
夹具结构设计流程一般为：
1）完全了解客户提供工艺文件上的信息；
2）将客户提供的工件处理成需要的格式，选用合适的焊枪枪型，并插入焊枪；
3）截取工件断面，开始基准单元的三维建模。
建模时，零件的轮廓尺寸尽量避免小数点；
4）建模时必须考虑附件的所有物体（工件、焊枪、临近的基准单元等），避免干涉；
5）对于夹紧机构，要合理选择和放置气缸，考虑压紧力以及夹头的打开位置；
6）定位销、托压块、限位块、旋转支点、工件导向、焊枪导向、调整机构等零部件的设计必须符合客户的技术要求，并且合理。
工艺仿真作为对夹具设计产品必不可少的一步，所做的项目不应有几种风格和标准，仿真团队必须按照一定方法和标准来操作，这样给以后的数据管理及数据移交带来很大方便。
对工艺仿真定义说明的内容如下：
1）树型结构、颜色、TCP、路径名、工位名等定义标准；
2）工艺仿真所需要考虑和注意的技术标准及问题点；
3）项目过程中需要提交的文件，及项目近结束时，需要制作提交的文档。
从以下的树形结构图我们可以清楚地了解到Robcad一般仿真步骤：
图5Robcad仿真步骤图
5.研究创新点、难点及解决方案
1）夹具设计柔性思想的体现,夹具标准件库的建立
为适应汽车改型快、研制周期短的发展要求，在进行夹具的具体结构设计时应尽可能多的采用标准化元件。
在焊装生产线的设计中，大量系列化的标准件的使用，可极大缩短生产线的设计与制造周期。
在汽车焊装线设计中，机械系统通用的标准件（如螺钉、螺母、垫圈等）使用量很大。
而在二维CAD设计时，只须在所需要的地方插入规定的简化符号,装配图上不必给出这类零件的标号。
因此，焊装夹具标准化，是指在焊装夹具设计中，焊装夹具本身零部件的标准化及设计方式约定。
如设计中，夹具底座和基座连接通常采用M12的螺钉和φ10的销钉,支座和定位板连接采用M10的螺钉和φ10的销钉。
焊装夹具标准参数库包括典型机构、标准件、外构件、焊钳、国标件等。
参数库的建立采用UG的部件族功能和UG二次开发实现建模。
部件族功能用于以一个部件（模板部件）为基础，借助于UG的建模电子表单工具，快速建立一系列形状相同但某些参数取值不同的部件。
这一功能特别适合于标准件或通用件的建立。
利用部件族功能建立一系列部件时，不必逐个建立其部件文件，只要定义一个模板文件后，任电子表单工具中用表格的方式定义每一个成员部件的参数，以及各成员部件存放的文件名，即可一次性建立完成。
2）多机器人焊接路径优化问题:
多机器人焊接平台的任务规划主要分为焊接任务分配和焊接路径优化，多个机器人之间任务分配完毕后即可进行单个机器人路径规划工作。
这里从焊接机器人的原理入手，提出机器人焊接路径规划的数学方法，并用仿真软件实现仿真，从而解决上述问题。
结合白车身焊接线的特点，焊接机器人焊接路径优化问题具有一下的三个特点：
其一，焊点数量大，往往直接求解会导致计算量惊人，可以通过对焊点分组来解决这个问题；其二，由于焊装设备和汽车冲压件空间结构复杂，通过优化算法求出的最优路径往往只是理论值，在工程实际中，往往要考虑机器人是否会与冲压件和焊装夹具发生碰撞，这就要对优化的路径进行修正，直到通过仿真测试无碰撞出现；其三，由于要对优化结果进行修正，对路径优化的精度要求并不是很高。
3）多机器人间干涉问题研究
汽车白车身是汽车其他零部件的载体，焊接质量的优劣对整车质量起着决定性的作用，白车身焊接生产线的规划是制造出高质量、低成本的车身并提高生产效率的关键。
随着焊接技术在白车身制造技术中的发展，焊接机器人被广泛地应用到白车身的焊接上，它的广泛使用，可以降低劳动强度和制造成本，提高制造质量，为汽车制造实现柔性自动化生产带来了前所未有的生机。
在白车身多机器人焊接系统中，机器人在共同执行某种作业任务时，必然要与作业环境中另外的机器人形成动态障碍关系，通常情况下多个机器人的工作空间存在重叠交叉区域，机械人各关节之间在运动过程中极易产生机械干涉，导致生产事故的发生，影响了整条生产线的生产，白车身多机器人之间的动态干涉问题亟待解决。
文中以白车身多机器人焊接生产线为研究对象根据机器人间的启动时间差和焊点优先权设置，提出一种机器人干涉规避算法，解决多机器人焊接干涉问题，对多机器人的动态任务规划具有十分重要的意义,同时为汽车企业制造出高质、低成本车身和实现自动化生产提供技术支持。
6.完成学位论文的计划安排
Ø2012.01—2012.03：
阅读夹具设计及机器人方面相关论文，了解国内外最新发展状况；
Ø2013.04—2013.06：
完成论文项目夹具结构三维设计到二维零件图纸设计，并进行软件仿真；
Ø2013.07—2013.11：
跟踪项目产品，去车间实地考察，记录产品使用情况，与现场机器人调试工程师协作完成机器人动作的编制，验证机器人路径的正确性；
Ø2013.12—2014.01：
完成论文，准备毕业答辩。
7.经费落实情况
上海德梅柯汽车装备制造有限公司确保项目实施进展
8.预期学术成果及应用价值
在中文核心期刊上发表有关机器人仿真论文一篇；
9.参考文献
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