基于大數據理念的汽車焊裝夾具成組利用研究

安南 于東林 龔奕境 李聰 張博 徐國龍

摘 要：科技的高速發展通常會帶來一定的技術問題。在汽車生產制造過程中，汽車焊裝夾具大多隨著生產線的淘汰而全部廢棄。這一問題對國內甚至是國際上各汽車生產單位來說十分普遍，且早已習以為常，但這造成了極大的浪費。針對這一現象，將汽車車身常用焊裝夾具按使用類別及工作方式進行劃分，詳細標記定位每一個具體零件，利用CATIA、UG等軟件對其進行三維建模并對焊裝件分類、匯總，建立數據庫。本文對成組快裝焊裝夾具數據庫的建立、成組技術、成組快裝設計要求等方面進行介紹，并對焊裝夾具成組快裝技術應用價值及市場價值進行分析，解決了夾具市場中閑置夾具過度浪費、制造周期長和成本高的問題。

關鍵詞：焊裝夾具；數據庫；成組技術；重組快裝

中圖分類號：U468.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）17-0083-03

Research on Group Utilization of Automobile

Welding Ffixture Based on Big Data

AN Nan1 YU Donglin1 GONG Yijing2 LI Cong1 ZHANG Bo1 XU Guolong1

Abstract： The rapid development of science and technology usually brings some technical problems. In the manufacturing process of automobile， most of the welding jigs and fixtures are abandoned with the elimination of the production line. This problem is very common for domestic and even international automobile production units， and has been used to it， but it has caused a great deal of waste. In view of this phenomenon， the commonly used welding fixtures in automobile body were divided according to the use category and working mode， and each specific part was marked and located in detail. The 3D modeling was carried out by using CATIA and UG software， and the welding parts were classified and summarized， and the database was set up. In this paper， the establishment of group fast loading welding fixture database， group technology， group fast loading design requirements and other aspects were introduced， and the application value and market value of fast loading technology of welding fixture group were analyzed， which solved the problem of excessive waste， long cycle time and high cost in fixture market.

Keywords： welding fixture；data base；group technology；recombination quick loading

從整體上來看，汽車焊接夾具通用性差，專用性強，幾乎每套夾具都有不同的形狀、不同的結構，屬于非標準工裝。一條自動化程度較高的焊裝線，其夾具數量通常有近千套。因此，焊裝夾具的設計工作量相當大，設計精度也不好把握。但是，從焊裝夾具的整體結構特點來看，車身焊裝夾具體積龐大、結構復雜、形狀各異。為了便于制造、裝配、檢測和維修，必須對夾具的各個組成結構按類別進行分解，分解之后夾具的每類零件具有一定的相似性，從結構上分析幾乎都是一樣的，只是在尺寸上有所差異。因此，在設計焊裝夾具時，按每類零件進行設計、分類與成組，會起到事半功倍的快裝效果。焊裝夾具的這些結構特點決定了采用參數化、模塊化、通用化的設計技術設計焊裝夾具具有可行性[1]。

1 成組快裝焊裝夾具數據庫

對汽車焊裝夾具的各單元及單元內每個零件進行數據采集，并進行數據整理，構建各個相關數據庫[2]：①利用CATIA（見圖1）、UG軟件將夾具組件分類、匯總，建立數據庫；②焊裝夾具參數化分類及數據庫建立；③焊接夾具模塊建庫、成組建庫；④焊接夾具通用化與系列化建庫，非標準化設計與選用；⑤汽車車身焊接工藝性分析與評價，夾具裝配與檢測評價。建立的數據庫如圖2所示。圖3為軟件系統及數據庫應用邏輯框圖。

2 成組技術與重組技術

2.1 成組技術快裝設計

成組技術原意是“將工程技術與管理技術集于一體的生產組織管理方法”。其利用產品零件間的相似性對零件進行分類成組，然后根據每組零件所特有的相似特征為同組零件找出相對統一的最佳處理方法，從而在基本不改變原有工藝和設備的條件下，達到提高效率、節省資源、降低生產成本的目的。該設計方法是通過成組技術的編碼系統，對夾具庫中原有的相似夾具單元進行相應調整，從而適應新的工作加工要求。若無法選擇相似夾具時，就可以使用生成式夾具設計方法，產生新的夾具設計方案，將新產生的夾具編碼添加到夾具庫中，對夾具庫進行擴充，為下次設計作參考用[3，4]。

圖4是對不同類型的數模進行成組快裝，原有夾具零件總數（圖中藍線）與成組快裝后新夾具插入的已有零件總數（圖中紅線）對比曲線。從圖4中可以得出，新舊兩種夾具在零件的應用上具有一定的通用性和相似性。

2.2 成組可重構快裝設計

可重構制造焊裝夾具是按系統規劃重排、重復利用、更新模塊或零部件的方式，快速調整制造過程、制造功能和制造能力的新型制造方式。此方法對不滿足重組的閑置夾具組件進行二次加工再造。與傳統的制造系統相比，采用可重構制造系統的企業可隨時根據產品的變化，由產品工藝過程變化驅動、快速進行組態規劃和重構。焊裝夾具結構可重構化設計是將焊裝夾具中普遍具有不同功能的元件，如定位塊、壓塊、連接板、轉臂和支架等抽出來，預先設計成通用的一系列標準化元部件。在重構設計時，設計者根據需要調用這些元部件，任意組合構成一套夾具[5]。

對焊裝夾具零部件進行標準化、通用化、系列化是該設計方法的關鍵[6]。夾具重構設計主要靠設計者的設計經驗和組合水平，汽車焊裝夾具的重構可分為3個步驟：夾具方案設計；夾具單元設計；夾具裝配與檢測評價。圖5為成組可重構設計系統結構圖。

3 成組快裝焊裝夾具設計要求

①焊裝夾具必須保證焊件焊接后能獲得正確的幾何形狀和尺寸，尤其要保證車身上門窗等孔洞的尺寸和形狀[7]。在裝配時，夾具能夠使被裝配的元件獲得正確的位置和可靠的夾緊，并且在焊接時能阻止焊件產生變形。

②焊裝夾具應動作迅速，操作方便。操作位置要處于人工容易接近、最宜操作的部位。特別是手動夾具，其操作力不能過大，操作頻率不能過高，操作高度應設在工人容易用力的部位。當夾具處于夾緊狀態時，應能自鎖。

③焊裝夾具的設置應便于施工，有足夠的裝配、焊接空間，不能影響焊接操作和焊工觀察，不妨礙焊件的裝卸。所有定位元件和夾緊機構應與焊點保持適當距離，或布置在焊件的下方，或布置在焊件的側面。夾緊機構的執行元件應能夠伸縮或轉位。

④夾緊可靠，剛性適當。夾緊時不破壞焊件的定位位置和幾何形狀及焊件的表面質量。夾緊力適當，使夾緊后既不使焊件松動滑移，又不使焊件的拘束度過大而產生較大的應力。

⑤為了保證使用安全，應設置必要的安全互鎖保護裝置。

⑥用于大型零件焊接的夾具，要有足夠的強度和剛度，特別是夾具體的剛度，對結構的形狀精度、尺寸精度影響較大。

⑦在同一個夾具上，定位元件和夾緊機構的結構形式不宜過多，并且盡量只選用一種動力源。

⑧焊裝夾具本身應具有較好的制造工藝性和較高的機械效率，盡量使制作時投資少，成本低。

⑨盡量選用已通用化、標準化的夾緊機構及標準的零部件來設計制造焊裝夾具[8]。上述這些原則是設計車身焊裝夾具時所必須考慮的，但具體到焊裝夾具的結構上卻差異較大，有的焊裝夾具只有一個簡單的框架，有的則相當復雜。一般來說，應根據生產批量的大小和產品結構特點并結合本廠的生產條件（如車間面積、起重設備、水電氣供應情況和技術水平等）來選擇焊裝夾具的類型，設計夾具。

4 焊裝夾具成組快裝技術應用價值

目前，國內汽車焊裝生產線水平參差不齊，影響了我國汽車整體發展水平。國內焊裝生產線主要依賴進口，一般一條生產線只能生產一種類型的汽車，如果汽車停產，一整套汽車焊裝夾具也就被淘汰停用，造成極大的資源與設備浪費，且缺乏互換性和重復使用性，從成本方面考慮就比較高，這也是國內絕大多數汽車制造商面臨的嚴峻問題。從目前使用效果、整體性能和質量來看，國外汽車焊裝夾具質量、制造精度都高于國產，但價格昂貴，生產成本高。因此，國內各大汽車廠商亟待開發出高精、高效、模塊、組合、通用、經濟性的焊接夾具[9]。

5 結語

在汽車焊裝夾具生產方案上，首次提出成組快裝技術。現階段，國內外對該技術模式的應用相對缺乏，在現代信息技術和大數據技術時代，充分發掘數據采集、數據優化、數據匯總，并將數據合理應用到焊裝生產中，在夾具生產問題上，對夾具設計和成組快裝的信息進行深入探究，結合現代大數據技術，依托成組快裝系統實現數據采集，使“數字化”在焊裝夾具生產中得以具體實現，對于縮短工業生產周期及提高設計效率都起到了很好的促進作用。汽車焊接夾具設計成功，提高了焊接精度和焊接的可靠性，為解決夾具過度浪費問題，發掘和應用大數據技術，將閑置廢棄焊裝夾具進行信息整合、優化、成組等打下了良好的基礎，有利于對夾具行業生產方式進行改革創新。

參考文獻：

[1]蔡瑾.組合夾具元件庫集成建模技術研究[D].天津：河北工業大學，2009.

[2]李坤宏.基于CATIA的汽車焊裝夾具計算機輔助設計[D].重慶：重慶大學，2007.

[3]李少帥，喬立紅.成組夾具參數化設計方法研究[J].成組技術與生產現代化，2010（3）：18-23.

[4]鄭建鑫.基于成組技術的零件分類編碼研究[D].上海：上海交通大學，2009.

[5]祁捷.成組夾具的設計與實踐[J].機械設計與制造，2005（6）：41-42.

[6]邵晨.基于事例的汽車焊接夾具設計及標準化[D].北京：北京化工大學，2009.

[7]汪文芳.轎車車身尺寸控制與夾具工藝設計分析[D].武漢：武漢理工大學，2010.

[8]劉永喜，喬立紅.基于成組技術的夾具快速配置研究[J].成組技術與生產現代化，2007（1）：29-32.

[9]孫進興，蔣銘和.應用成組夾具技術的經濟性評價[J].成組技術與生產現代化，2001（2）：25-28.