關于白車身裝焊夾具的設計及點焊機器人的焊接仿真分析

浙江農業商貿職業學院 葛國華

關于白車身裝焊夾具的設計及點焊機器人的焊接仿真分析

浙江農業商貿職業學院 葛國華

整車產品想要實現質量和生產效率的穩步提升，離不開白車身焊接技術的幫助，其對于整車質量有著至關重要的影響作用，同時對整車產品設計及其行駛安全等也同樣起到了直接的正向影響。在此背景下，本文將從簡單介紹白車身及焊裝夾具入手，以左前縱梁輪罩分總成為例，簡要分析研究白車身裝焊夾具的設計及點焊機器人的焊接仿真，希望能夠為相關研究人員提供必要參考。

白車身；裝焊夾具；點焊機器人；焊接仿真

引言

在轎車白車身焊裝夾具的設計當中，最為重要的部分便是白車身左前縱梁輪罩分總成，其焊裝夾具設計直接影響這后續的焊接工作。而在白車身焊接當中，又以點焊技術使用最為頻繁。因此本文將通過從主要指標、邏輯結構以及典型結構等出發，對左前縱梁輪罩分總成的三維夾具設計進行分析，并在此基礎之上配合相應的仿真軟件，利用虛擬建模的方式對點焊機器人的焊接仿真進行分析。

一、白車身及裝焊夾具的簡單介紹

所謂的白車身指的就是未進行涂裝以及內飾件總裝的車身，通常是由裝焊的薄板沖壓零件沖壓件構成，也就是在安裝之前四門兩蓋的車身骨架。其作為轎車子系統包括電氣、行駛、動力系統等在內的重要載體之一，不僅直接影響著轎車的外觀質量，同時也對轎車的動力、舒適、平順等性能有著至關重要的影響。在轎車總車的生產制造當中，白車身的制造技術顯得尤為重要。

裝焊夾具則指的是在裝焊階段當中所用夾具，鑒于其在規格方面尚未統一，因此并不是一種標準化的設計與制造工藝設備，不同車型、不同結構特點、不同生產條件等需要的裝焊夾具也各不相同。但總體來說，一般的裝焊夾具主要包括定位件和夾緊件、支撐件和限位件、基礎件以及傳動件+源動件，依照具體要求對各零部件位置進行明確，而后通過適當調整焊點與焊縫從而順利完成焊接工作。

二、左前縱梁輪罩分總成三維夾具設計

（一）主要指標

在設計左前縱梁輪罩分總成三維夾具的過程當中，經常會出現各種各樣的設計方案與設計結果，因此為有效保障設計科學合理，需要對其進行嚴格的評估與判斷。而在此過程中，夾具設計的評估指標則主要分為功能滿足情況、可制造性與可裝配性。其中在功能滿足的指標當中，又被細分為裝夾可靠性與精度滿足情況、剛度與功能的滿足情況[1]。而在可制造性的評估指標當中，其又被細分為制造時間及成本指標、標準與非標準夾具元件的程度及可加工性。在明確了左前縱梁輪罩分總成三維夾具設計的評估指標后即可進入到夾具的設計環節。

（二）邏輯結構

在正式開始進行左前縱梁輪罩分總成三維夾具的設計之后，首先需要對相關的三維數據進行準確讀取，用以分析出工件的表面形狀以及其面、孔是否已經準確定位或是存在空間曲面等，從而保障夾具設計的科學、有效、合理。此后將平面設置為夾具設計基準，參照這一基準將其他夾具元件放置在指定位置上，并盡可能使用標準件，以提升夾具設計的標準化程度。在完成夾具設計后需要對其質量特性、夾具特性等進行全方位的嚴格檢驗，確保其準確無誤符合標準要求之后根據元件使用材料計算出質量并在二維工程圖當中標注清楚，最后對三維和二維圖進行妥善保管之后即完成整個左前縱梁輪罩分總成三維夾具的設計工作。

圖1 裝焊夾具典型結構及機構簡圖

（三）典型結構

圖1展示的就是裝焊夾具的典型結構簡圖，其主要是由支撐座、過渡板、氣缸、定位銷等零件和部件組合而成。其中上下限位塊負責限位以避免因操作不當等原因導致夾具夾緊時出現打壞工件的問題；壓緊塊與支撐塊則相互配合用以型面定位，而過渡板顧名思義則主要用于支撐座等部分的過渡，定位和夾緊元件通常都需要安裝于此。調整墊大約有3到5mm厚，負責對方向上距離進行精確調整；定位稍需要兩個以上同樣用于對距離進行精密調整，通過氣缸的帶動實現裝焊夾具的往復運動。如果C1、C2用分別表示活塞桿頂點在壓緊狀態以及打開狀態下的具體位置，用A、B分別表示銷軸和安裝氣缸的支點，令氣缸圍繞B點擺動，壓緊臂則在活塞桿的帶動下圍繞A點轉動，則氣缸打開時的狀態則為AC2B。根據相關公式并代入相應數值可以求出BC2的長度值，即在本文選擇的裝焊夾具當中。氣缸的壓緊狀態則可以用AC1B表示，且AC1與AC2相等。如果用L表示氣缸的形成，那么，打開的壓緊臂具體角度就是。通常情況下行程L與有著線性相關關系，當行程L不斷增大時，也將隨之不斷變大。

（四）設計方案

在本文的設計方案當中選擇使用在側翻壓緊結構基礎之上改進的支撐壓緊結構，代替典型結構中的支撐壓緊結構。在設計方案中工件從水平狀態變為豎直狀態，側翻壓緊和支撐壓緊結構均受制于氣缸，通過帶動壓緊臂完成打開或是壓緊運動，以此實現壓緊臂上定位稍、壓緊塊的帶動，使其也可以完成相應運動和定位任務。考慮到在以往裝焊夾具典型結構當中其支撐壓緊結構雖然可以有效完成豎直面上的定位，但元件放置距離比較靠近，容易出現相互干擾的問題[2]。因此本文提出的設計方案則增加了壓緊臂上連接的定位稍以及壓緊塊，定位點與過渡板相互垂直形成一種兩翼張開式的結構，因此即便其需要完成大量分散的定位任務，整個機構均在側面運動，元件和元件之間也能保持一定距離，彼此之間不會相互干擾。在本次設計當中選擇在小車上放置夾具以方便夾具的移動管理，而小車當中設有兩個基準槽，負責作為夾具安裝的定位基準，夾具中使用了10個支撐座和11個氣缸。其設計成本比較低廉，但大量的定位塊與定位稍必將增加墊片承擔的負荷，長時間的使用必將導致墊片出現磨損，失去原有的定位精度，因此在使用這一設計方案時還需要對墊片進行定期檢查更換。

三、點焊機器人的焊接仿真分析

（一）仿真軟件

在本文的點焊機器人仿真分析當中，筆者選擇使用當前應用度最廣、仿真精確度相對較高且實驗周期較短的Robcad軟件輔助完成仿真分析，利用軟件自帶的運動學仿真功能以及相關檢測功能，設計人員可以對點焊機器人完成點焊任務的實際情況等進行仿真模擬和有效檢驗，以此對自身的設計方案進行相應修改與調整[3]。

圖2 運用Robcad軟件虛擬建模裝焊單元幾何模型

（二）虛擬建模

裝焊夾具和輸送裝置構成了設備的MDT集合模型，但由于本文使用的仿真軟件和MDT設計軟件之間并沒有直接的數據接口，因此需要通過模型轉換將設備MDT幾何模型轉換成標準的ACIS模型，最后再將其轉換成設備的UG幾何模型。此后通過將其和車身的CATIA幾何模型一起導入至Robcad仿真軟件當中，利用軟件的一鍵生成功能自動生成工件和設備的集合模型以及機器人焊接幾何模型，最后統一將其導入至Robcad環境下，進行虛擬布局之后利用軟件中的虛擬建模功能建立裝焊單元的幾何模型（如圖2所示）。在這一虛擬布局當中，軟件自動設置了地板，其并不屬于幾何模型，而規劃調整點焊機器人的運動軌跡以及焊鉗姿態，協調運行裝焊夾具的運動裝置則是裝焊單元幾何模型在隨后模擬仿真中的關鍵點。

（三）仿真結果

本文利用Robcad軟件和虛擬布局下的裝焊單元幾何模型，對點焊機器人補焊一個焊點進行全過程仿真。在剛剛開始進行補焊時，吊具吊著工具從之前的裝焊單元離開后立刻進入到本單元當中。此后吊具進入工作區并將緩慢地將工件放置在夾具上后開始升起，夾具在夾緊工件之后點焊機器人正式進入工作狀態。點焊機器人將依照設計人員預先設定的運動軌跡，帶著焊鉗運行至指定位置處進行補焊一點，而后再按照既定運動軌跡回歸原位。當打開夾具時吊具將逐漸下降，此后由吊具將工件吊起并從本工作區當中撤離，等待進入到下一個裝焊單元中。在此次的仿真實驗當中，焊鉗的工作狀態良好，元件與元件之間也并沒有出現相互干擾的問題，因此我們可以判定點焊機器人的運動路徑與相關要求完全吻合，該運動路徑可以被直接投入到實踐當中。

四、結束語

本文在對白車身以及焊裝夾具具體概念進行明確的基礎之上，以某款普通轎車當中的左前縱梁輪罩分總成焊裝夾具為例，通過對焊裝夾具的評價指標和設計邏輯結構進行明確后，選擇使用通用件設計出了一款側翻壓緊結構基礎之上改進的支撐壓緊結構設計方案，用以在保障焊裝夾具具有良好可制造性與可裝配性等要求之上，盡可能控制設計成本、降低設計難度。此后通過利用專業的仿真軟件，利用整體規劃的思想配合虛擬建模，驗證了機器人補焊焊點運動路徑合理有效。

[1]李釗.白車身制造誤差補償方法的研究[D].沈陽理工大學,2014.

[2]樊香梅,顏杰軍,黃祥,孔凡煉.淺談焊裝夾具精度調試[J].裝備維修技術,2014,(01):56-60.

[3]鄧乾旺,羅正平,張麗科,崔巍.點焊機器人軌跡能耗模型及其優化算法研究[J].中國機械工程,2016,27(01):14-20.