基于逆向工程的焊接夾具改造技術研究

吳鈞

（江蘇聯合職業技術學院鎮江分院，江蘇 鎮江 212016）

隨著制造企業競爭競爭的加劇。企業必須以最低的成本、最快的速度、高質量的產品占領市場，才能在激烈的市場競爭中處于領先位置。汽車的制作精度以及汽車車體的生產周期同汽車焊接夾具的要求相關性非常高，人們對于汽車焊接夾具的要求越來越高，因此在設計的過程中我們要格外的注意。傳統的夾具設計，都是在通過產品已知的性能要求的情況下，按照產品的功能進行設計圖稿的定稿，然后再根據圖稿的要求去設計夾具，是從無到有的正向設計。然而將一些實物模型在沒有任何生產參數的情況下進行生產，我們就需要通過一定的手段對實物模型進行三維的模擬，還原其原始數據，這時候就需要逆向工程。

逆向工程（也稱逆向技術）是產品設計技術的復制過程，通常分為三類：軟件逆向工程，產品逆向工程與影像逆向工程。逆向工程是將物理對象轉化為與CAD模型相關的數字技術和幾何模型重建技術的總稱。也就是說，目標產品根據獲得的信息對產品進行反向分析和深入研究，掌握關鍵技術，并解釋和推導關鍵技術。產品的組織結構，加工流程，功能特性和技術規格的設計元素被用于生產具有類似功能但不完全相同的同類產品。逆向工程源于商業和軍事領域的硬件分析，其主要目的是直接從成品中分析產品的設計原理，而不會輕易獲得必要的生產信息。

1 汽車焊接夾具結構設計的現狀

我國汽車制造業起步較晚，焊接夾具的技術不夠成熟。在焊接夾具的設計和生產過程中，缺乏完善的系統和管理方法，對焊接夾具的進一步發展和進步造成了影響。近年來，隨著汽車工業的發展，雖然焊工夾具制造商逐漸增多，但規模和管理水平不多，尤其是在實際生產和設計中仍然存在著缺陷和不足，管理人員的管理水平及能力不夠理想，在實際使用過程中，不能充分考慮焊接夾具的各種需要。所以，大型汽車生產企業的焊接夾具基本上依賴進口，設計成本和加工成本增加，影響汽車價格。

2 汽車焊接夾具在設計過程中的結構設計主要內容

在汽車焊接生產線中，焊接操作實際使用的工作量只有30%到40%，輔助和夾緊工作的工作量從60%到70%不等。由于夾具是在焊接夾具上完成的，所以夾具在整個焊接過程中起著重要的作用。在焊接過程中，合理的夾具結構有利于生產線的合理布置，便于時間平衡，減少非生產時間。對于有多種型號的公司，如果能夠科學地考慮共用或混合夾具，也有利于混合型裝配流水線的建設，提高生產效率。汽車車身焊接夾具的設計是一項非常全面和綜合的技術。在設計時，首先要確定生產程序，熟悉產品結構，了解變形特點，掌握零件和裝配精度，熟悉工藝要求。只有這樣才能將焊接夾具設計成各個方向。

（1）汽車焊接夾具的主要分類。從驅動形式方面我們對焊接夾具進行分類，可以分為無驅動形式、氣動形式、手動形式、真空形式、液壓形式、混合形式的焊接夾具。在汽車生產制作過程中最為廣泛的手動形式以及氣動形式的汽車焊接夾具。在細分情況下，無驅動形式的焊接夾具又可以分為應用定位塊來進行焊接定位的焊接夾具和應用定位塊進行焊接定位的焊接夾具。從汽車車身焊接夾具的用途功能分類，主要包括：裝配用夾具、焊接用夾具和檢驗用夾具等。汽車車身焊接夾具的工作范圍分類主要有兩種，特殊夾具和萬能夾具。還有三類固定裝置，固定裝置、可移動裝置和懸掛裝置。

（2）汽車焊接夾具設計的發展趨勢。隨著科技的發展以及人們對汽車文化的追求，舒適安全又不失個性成為追逐的共同點，這使車身結構朝著穩定化、結構合理化發展。所以伴隨著新的車身材料和新的車身結構出現，車身結構也開始朝著輕量化和合理化的方向發展，使得同時對焊接方法提出新的要求，從而對汽車焊裝夾具的設計和制造提出新的要求。生產規模和管理水平難以達到我們理想的水平。所以基于逆向工程的汽車焊接夾具設計便應運而生，通過逆向工程研究三維汽車焊接夾具可以降低制造成本，縮短設計周期并使設計標準化。因此，它逐漸取代了傳統的前向設計和二維平面設計。縮短設計周期，搶占市場先機，大大提高設計效率，提高設計效率還可以復制現有產品，恢復損壞的產品或零件。這在實際工程設計中有很大的應用價值。

3 焊接夾具改造基本流程和內容

基于逆向工程的汽車焊接夾具自動化的改造主要包括CAD模型重構、點云數據采集等，這兩點是焊接夾具改造的重中之重。掃描前要做一些前期準備工作，要對被測件進行觀察，對一些反光點表面噴涂顯影劑。之后再對實物模型進行光學掃描獲取點云數據，一般采用TRITOP和ATIOS系統，便攜式TRITOP攝影測量系統可以快速準確地測量物體的三維坐標。相對傳統接觸式三維坐標測量儀而言，現在可以用TRITOP系統更輕松地展開測量工作。不需要任何復雜、沉重和精密維護的硬件，像接觸式坐標測量儀一樣，TRITOP能記錄任何特征空間的坐標及其方向：曲面點和截面基元、孔、沖孔和邊、直徑、長度、角度等，確定三維坐標以后，測量系統將會把測量結果轉換到部件坐標系統中，把實際測量數據與CAD數據（IGES、VDA、STEP、Catia、ProE、UG 等）進行比較，TRITOP是一套便攜、易用的光學測量系統，能精確定義準靜態條件下物點的三維坐標，并由此計算出各種物體和組件的三維位移及形變。

ATOS系統在很多工業領域中，接觸式坐標測量系統和量具正在被光學三維坐標測量系統所取代。運用新技術，可顯著縮短測量時間，同時保證有效攝取物體，獲取的信息數據更詳細、更易于評估。ATOS采用普通光作為光源，利用投影光柵原理通過CCD采集數據，它的工作原理如下：將光源投影到異性工件的表面，此時光柵影像發生變形。從不同角度用數碼相機抓取，經過數字圖像處理后，大約四十萬個攝像像素中每一個像素點的3D坐標系值獨立而較精確的計算出來，并在每一步的測量過程中同時校準圖形特征，因而投影中可能出現的變化，但是不會影響最后的結果。測量過程中測量儀可以自由地繞著被測物體移動。物體的表面數據一般是由許多不同位置的測量區域拼接組成，然后把結果直接變換到目標坐標系中。

通過ATOS系統，可獲得關于三維坐標跟CAD數據間偏差的全場數據。由于這些測量數據包含了相關物體的所有信息，因此除了與CAD的曲面偏差，其應用軟件還自動提供類似形位公差（GD&T）、剪切值和孔位等詳細檢測信息。掃描后，ATOS軟件自動根據已標識參考點將各次掃描數據將它們轉換到同一個坐標系中，然后就能得到完整的汽車焊接夾具點云。之后進行點云的數字網格化等預處理，以stl格式輸出數據。將處理之后的數據導入指定軟件中（一般有UG、CATIA、Solid Works、Pro/E），CATIA是 集 CAD/CAE/CAM于一體的軟件，并擁有強大的逆向設計應用功能。然后用CATIA進行CAD曲面重構，建立模型。然后結合自動化改造的一些要求對逆向建立好的模型進行干涉性分析，主要是對自動化之后加工的運動軌跡進行分析，看路徑是否合理。然后根據干涉性分析出現的問題進行相應的結構更改和調整，直至最終確定結構。

4 結語

汽車焊接夾具的逆向設計和改造極大地提高了焊接的準確性和焊接的可靠性，為汽車焊接夾具的未來發展奠定了良好的基礎。隨著生產力的提高，汽車行業也在迅速發展，我國汽車制造業要想在世界占有一席之地就必須提高自主創新能力，不能一直依賴進口汽車焊接夾具，要提高管理人員的管理水平及能力，在實際使用過程中，充分考慮焊接夾具的各種需要，做出自己的汽車焊接夾具。目前，逆向工程被用于研究汽車焊接夾具的三維正向汽車市場的發展，而正向的傳統設計和二維飛機設計正在逐步取代生產成本低、設計周期短和標準設計。