淺談翻轉拼臺設計及BASE板框架結構改進

洪俊　傅偉　陳周生　程芝群

摘 要：文章介紹一種翻轉式雙面安裝工裝夾具的柔性側圍生產線拼臺，并主要介紹其中BASE板結構設計及使用有限元對BASE板框架進行靜力分析，對原BASE板中設計不合理的地方提出改進方案。為后續BASE板框架結構設計提供理論依據和實踐經驗。

關鍵詞：BASE結構；工裝夾具；結構改進

近兩年隨著汽車銷量市場火爆，主機廠乘勢加快車型快速研發及生產，越來越多的新型生產設備投入生產線。隨之而來的對在利用有限場地生產更多的車型并盡可能少投資設備的需求也越來越緊急且重要，柔性制造也就順理成章地被各主機廠重視起來，與柔性制造相關的設備也逐漸被大量使用，同時柔性制造也是中國制造2025提倡的方向之一。翻轉式AB兩面工裝平臺也屬于柔性制造中的一種，此結構利用在一個BASE板的兩面都安裝上可以整體切換的工裝夾具，達到可以柔性生產多種車型目的，簡而言之就是一個可以快速適應多種產品生產的夾具平臺；其原理是在BASE板的其中一個面上安裝工裝夾具，以生產一個車型產品；在BASE板另一面上安裝另外一種車型工裝夾具可以準備著隨時生產另外一種車型產品。這樣的一條翻轉BASE板AB面工裝平臺生產線可以滿足在一條生產線上快速生產2種不同車型，并且通過整體切換BASE板面上的工裝達到生產多種車型目的。翻轉式AB面BASE板工裝夾具生產線不僅節約空間，也節省設備成本，同時不影響后繼新車型的工裝開發、驗證，因此類似AB面BASE板柔性生產線應用將會更廣泛。

本文主要探討白車身側圍生產線中的翻轉拼臺AB面BASE板結構設計并借助于CAE做結構剛性分析，以實際3坐標測量值驗證在BASE板的結構剛性不足并與CAE的分析結果比較，最后用CAE分析探索類似AB面翻轉BASE板結構的優化方案，并給出以后BASE板設計優化方向。

1 翻轉拼臺主要組成

翻轉式AB側圍柔性生產線其中一個拼臺主視圖如圖1所示（翻轉式AB側圍柔性生產線其他的拼臺與此拼臺結構一致，所以僅用一個拼臺來做說明）；AB翻轉式側圍拼臺柔性生產線結構主要由以下幾大系統組成：（1）AB面BASE板框架結構；（2）支撐座；（3）翻轉驅動裝置；（4）工裝夾具；（5）電氣控制調水平裝置；（6）鎖定裝置。

1.1 AB面BASE板框架結構

AB面BASE板框架是翻轉式AB側圍柔性生產線拼臺核心結構件，拼臺工裝單元都安裝在這個承重框架上，如圖2所示。AB面BASE板框架決定工裝夾持車身零件精確性、穩定性。故BASE板框架的剛度直接影響到車身側圍焊接的尺寸合格率。整個BASE板框架最初版結構如下圖3所示。

如圖2所示，設計AB面BASE板框架長、寬、高分別為4200mm，1650mm，250mm；安裝工裝鋼板尺寸1950mm×1650mm×20mm， 長條鋼板安裝板（圖3）1650mm×120mm×20mm，方鋼尺寸120mm×80mm×6mm；平臺總重約3500kg。

1.2 支撐架結構

支撐架有左右兩邊鋼構組成，鋼構底部由可調螺釘調節高度。左邊支撐架由厚30mm鋼板拼焊而成，右邊支撐架由于要承受翻轉驅動裝置故右邊結構需要比左邊更結實。右邊支撐架采用150mm×150mm×6mm的方管及16mm厚鋼板作為輔助支撐。

1.3 翻轉驅動裝置

此翻轉驅動裝置由1：150減速比齒輪箱及驅動裝置組成；驅動裝置通過減速箱把安裝在左右支撐架軸承座上的AB面BASE板框架進行往復180°翻轉。

1.4 工裝夾具

AB兩面分別有34套及35套工裝夾具組成，A面工裝總重約780kg，B面工裝總重約820kg，其重心位置在平臺中心偏向車體尾部；

1.5 電氣控制調水平裝置

當AB面開始翻轉并快到位時，就需要電氣控制調水平裝置自動引導并固定AB面框架在水平位置，保證在混批生產2種車型時AB面工裝來回切換的重復位置精度；

1.6 鎖定裝置

當AB面翻轉到位并被電氣控制調水平后，鎖定裝置把AB面位置最終鎖定，并承受相應的壓力。

2 AB面框架結構簡化建模、CAE分析、實際測量結果

由于翻轉拼臺最主要并且能保證生產過程中側圍產品的尺寸穩定性的就是AB面BASE板框架，故以下將重點對BASE板結構存在問題及結構優化分析做詳細說明。

2.1 AB面框架結構實際存在問題

在用3坐標測量后，如下圖4所示框架紅色區域最大形變量有2.009mm（如圖5 三坐標測量的數據：Y向坐標值所示），局部形變過大導致在現場安裝完后時需更多的時間進行現場調整、整改；因此引入CAE后，能在設計之初找到結構剛性判斷依據及一些關鍵參數，并對后續框架設計改進提供理論基礎、實踐經驗；

2.2 AB面框架結構建模

按照加工數模來做CAE不僅時間成本及硬件成本需求很大，而且所得數據對精度貢獻微乎其微，故需要對原設計的AB面框架結構數模進行簡化及優化處理；簡化后的BASE板數模如下圖6所示。

2.3 有限元模型建立

在劃分網格前先對模型進行預處理：選好材料參數，這里選擇普通碳鋼Q235，選定彈性模量2.065e5Mpa，泊松比0.3，材料密度7850kg/m3；對AB面分別加載均布820kg及780kg；設定重力方向；設定好邊界條件；將上述簡化后數模按照步驟開始做網格劃分，并優化局部網格精度；網格劃分，網格劃分結果如圖7所示。整個模型共生成271781個單元。根據以上步驟得出結構位移云圖，如圖8所示。

按照圖8所示，最大位置在圖形中央位置A區域內，Y方向變形位移為1.217mm；考慮到還有焊接質量、安裝裝配質量及軸承間隙等影響，實際AB板的變形位移量將會更大。由于此CAE分析是在加工完成后才做的，因此沒有用CAE結果指導原設計方案改進，導致現場安裝、調試、整改時花費大量時間。但從CAE提供的BASE板變形數據結果上看，雖然結果與實際3坐標測量的數據（圖8所示）有出入，但是考慮到分析過程中沒有計算到額外重量及加工、裝配條件，這個分析結果還是有指導意義的，并且所顯示的最大位移區域與3坐標測量值顯示的區域一致。因此，CAE對于此AB板結構設計的意義將是用于在設計前期就用CAE對設計的設備結構剛度進行校核分析，在達到位移要求的設計量后才能加工，減少現場安裝調試時間。

2.4 對后續框架設計提出的優化方向及相應分析結果

由圖8 Y向位移云圖可知，剛性薄弱的地方出現在BASE板中部，與力學分析認知一致，故加強中間橫梁的剛性是解決主要方式。改進設計如下：（1）增加一根縱梁，并把原貼在橫梁上的板改為貼在縱梁上，以加強縱梁剛性；（2）在縱梁中部貼板（此加強板可以進一步優化減重設計）；（3）把原整塊的夾具安裝板進一步挖空、減重，僅留下安裝工裝夾具區域；BASE板改進結構如下圖9所示，并對新結構按照同樣的條件做CAE分析；新結構結果在Y方向的位移量為0.2508mm，是原設計的結構變形量約20%；改進結果還是較為滿意的，并繼續按照這個方向改進，不僅可以保持BASE相對重量變化不大，還能大幅減少形變。

3 結束語

本文主要對一種翻轉式AB面側圍柔性生產線拼臺中的BASE板框架結構存在的剛性問題進行分析，建立BASE板框架簡化數模，并使用CAE進行剛度分析，找出問題的原因，并提供優化后的設計方案。從最初設計框架的實際測量數據顯示，雖然BASE板的強度和剛度都沒有超過材料的屈服強度，但是對于生產工藝中要求的BASE板框架結構不僅滿足材料強度，更重要的是滿足整體剛度，而CAE提供了方便、快捷、準確的計算出結構剛度方法并提供改進方向。經過此次設計、安裝、整改驗證，為后續類似翻轉AB面BASE板框架結構設計、制造及改進提供了較好的理論依據及實踐經驗。

參考文獻

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作者簡介：洪俊（1982，11-），男，廣西柳州人，上汽通用五菱汽車股份有限公司工程師，主要從事車身焊裝方面的工作。