车身焊装线上的工装夹具定位单元柔性化设计开发

摘 要

　　随着国内汽车业的快速发展，人们对汽车的乘用舒适性、外观感知、安全系数等的要求越来越高，汽车新产品更新换代速度一再加快，而对国内汽车制造业也提出更高的要求，单一车型生产线无法满足汽车快速迭代的需求。多车型柔性化生产线是未来的重要发展方向，多车型混线生产最大的困难就是各车型的定位基准不统一，因此急需实现车身焊装线上的工装夹具定位单元柔性化设计开发。

　　本文将介绍多车型柔性夹具的设计开发，以下是本文主要的工作和研究内容：

　　首先，研究及总结车身零件的结构特点，结合制造特点，以此为依据分析零件总成焊接过程中，焊装夹具的设计要求。根据现代汽车夹具设计理论，充分研究、对比适用的定位、装夹的机构，指导后续的开发。

　　其次，针对白车身由 400 多个冲压单件组成，零件种类繁多且样式各异，这些零件在 100 套左右的焊接夹具上装配焊接而成为白车身，这些夹具是车身装配和焊接的重要载体，作用重要且影响因素多、开发难度极大。本文创造性的提出了基于零件不同特点，组合不同的夹具以满足零件定位需求及柔性生产需求的柔性焊接夹具设计开发理论，通过柔性顶盖夹具的成功案例进行论证。

　　再次，汽车开发正在朝着"高质量、短周期、低成本"的趋势发展，客户需求车型尽快推陈出新，车型开发成本也一再降低，车身制造技术的发展方向是优化厂房设计、工艺技术，实现资源节约、效率提高，车身夹具未来的发展趋势是简单化、轻量化、小型化、集约化、柔性化、低成本、可重构以及模块化的。本文以侧围夹具开发为例，研究低成本柔性化的设计方法，具有重要的意义。

　　本文结合国内外焊装夹具的技术发展趋势，对柔性焊装夹具的设计理论开展研究，通过基于多定位需求及典型使用工况等技术特点进行深入研究，总结提炼出车身柔性焊接夹具的设计优化方法。系统介绍了焊装夹具的组成、结构和设计方法，对柔性焊装夹具方案进行了阐述、着重介绍了基于实例的柔性焊装夹具的设计开发方法，通过柔性侧围夹具开发实际运用，显著降低了开发成本，取得了较好的经济和社会效益。

　　关键词：车身；焊接夹具；柔性夹具；设计优化

Abstract

　　With the rapid development of domestic automobile industry, people have higher and higher requirements for comfort, appearance perception and safety factor of automobile. The renewal speed of new automobile products has been accelerated, and higher requirements have been put forward for domestic automobile manufacturing industry. Single vehicle production line can not meet the needs of rapid iteration of automobile. Multi-vehicle flexible production line is an important development direction in the future. The biggest difficulty in multi-vehicle mixed production line is that the positioning datum of each vehicle is not uniform. Therefore, it is urgent to realize the flexible design and development of fixture positioning unit in body welding line. This paper will introduce the design and development of multi-vehicle flexible fixture. The following are the main work and research contents of this paper.

　　Firstly, this paper studies and summarizes the structural characteristics of automobile body parts, combines with manufacturing characteristics, and based on this, analyses the design requirements of welding fixture in the process of welding parts assembly. According to the modern automobile fixture design theory, the suitable locating and clamping mechanisms are fully studied and compared to guide the follow-up development.

　　Secondly, in view of the white body is composed of more than 400 stamping sheet, there are many different kinds of parts and different styles, these parts on about 100 sets of welding fixture assembly welding and become white body, the body assembly and welding fixture is the important carrier, and influencing factors of more important role, the development difficulty is great.Creative different features is proposed based on parts, this paper combined the different demand of fixture in order to satisfy the demands of spare parts localization and flexible production of flexible welding jig design and development theory, by demonstrating the top-cover of flexible fixture of successful cases.

　　Again, car development is moving in "high quality, short cycle, low cost" the trend of development, customer demand models as soon as possible, model development costs are lower, is the development direction of automobile body manufacturing technology to optimize the design of the plant, process technology, realize the resource saving, efficiency, clamp the future trend of the development of car body is simple, lightweight, miniaturization, intensive, flexibility, low cost, reconfigurable and modular.Based on lateral confining fixture development as an example, this paper studies the low cost of flexible design method, has the vital significance.

　　In this paper, according to the development trend of welding fixture technology at home and abroad, the design theory of flexible welding fixture is studied. Based on the technical characteristics of parts, positioning requirements and operating conditions, the design optimization method of flexible welding fixture for automobile body is summarized and refined. This paper systematically introduces the composition, structure and design method of welding fixture, expounds the scheme of flexible welding fixture, and emphatically introduces the design and development method of flexible welding fixture based on examples. Through the development and practical application of flexible side fixture, the development cost is significantly reduced, and better economic and social benefits are achieved.

　　Key words: Vehicle body;Welding fixture; Flexible fixture; Design optimization

目 录

　　第 1 章 绪 论

　　1.1 研究背景与意义

　　进入 21 世纪以来，随着我国的国民经济持续不断高速增长，人民生活水平得到持续提高，在党和国家政策的关怀下，整个汽车行业汽车产业持续发展，迎来了黄金时期。因此，汽车行业十多年来呈现不断蓬勃发展的趋势，汽车工业协会在 2019 年初发布了我国汽车产销的数据，根据其相关数据，2018 年中国汽车产销量分别为 2780.9 万辆和 2808.1 万辆，同比下降 4.16%和 2.76%,乘用车累计产销分别完成 2309 万辆和 2235 万辆，同比下降 5%和 5.8%. 从 1986 年汽车制造业成为国民经济的重要支柱产业之后，国家历来重视汽车产业的发展，汽车产业的带动作用也是其他任何行业都无法比拟的，我国汽车行业总产值占 GDP 比重较大，是国民经济支柱产业之一。汽车行业产业链长、辐射面广，与其相关的上下游产业极多，其上游涉及钢铁、机械、橡胶、石化、电子、纺织等行业，下游涉及保险、金融、销售、维修、加油站等行业，因此汽车产业的平稳增长对经济有很大的拉动作用。同时，汽车作为耐用消费品，随着居民收入的逐步提高，对社会总体消费水平有重要的拉动作用。我国一直将汽车工业作为国家重点支持发展的基础产业之一，近年来相继出台汽车下乡、以旧换新、税收优惠、支持新能源汽车发展、推动汽车行业加快兼并重组、支持汽车行业由大向强转变等支持政策[4].作为汽车产业链的重要组成部分，国家出台的相关政策在促进汽车行业可持续发展的同时也带动了汽车制造业的快速发展。

　　从人均 GDP 和汽车千人保有量指标来看，我国目前所处阶段与韩国 1993 年前后、巴西 2008 年前后十分相似。根据统计，1993 年韩国人均 GDP 为 8741 美元，汽车千人保有量为 142 辆；巴西 2008 年人均 GDP 为 8788 美元，汽车千人保有量为 141 辆。韩国在 2004 年人均 GDP 超过 1.5 万美元，汽车千人保有量达到246 辆；巴西 2014 年人均 GDP 为 1.2 万美元，汽车千人保有量超过 200 辆。随着我国人均 GDP 水平的提高，我国汽车千人保有量仍有一定的提升空间。中国汽车市场已经进入了第二个增长阶段[2],市场重心从一线城市向拥有较大发展潜力的二三线城市延伸。中国目前千人汽车保有量刚刚超过 100 辆，与美国近 800 辆的保有量相差巨大，意味着中国汽车市场潜力依然巨大，随着经济社会的不断发展以及城镇化的加快，中国汽车消费量将不断增长。

　　通过对汽车制造业发展趋势的详细分析得知搜索据中国汽车工业协会统计，去年 1 至 7 月，汽车全行业完成工业总产值 3723.82 亿元，同比增长 29.44%,产品销售收入 3598.88 亿元，同比增长 31.05%,利润总额 221.90 亿元，同比增长51.14%.主要经济指标增长都比较大，实现了增产增收。汽车产业作为国民经济支柱产业的地位越来越突出。去年交通运输设备制造业对工业增长的贡献率首次跃升至 40 个工业行业之首。以汽车制造业为主的交通运输设备制造业已取代电子信息通信业，成为名副其实的领头羊。 随着市场需求的不断扩大，我国汽车工业的发展潜力也非常之大[3].

　　与此同时，随着市场的日益饱和、行业竞争日益激烈，以及客户对于汽车产品质量的要求日益提高，汽车行业对于产品的开发及制造要求越来越高。

　　汽车制造能力水平的高低直接决定了汽车厂家的产品质量及口碑，而作为整车载体的白车身的制造能力更是影响到最终汽车产品的质量，如外观、密封、风噪、使用寿命等。车身零件通过最下级夹具定位、焊接成为分总成零件，分总成零件再通过上一级夹具定位焊接，直至最终焊成白车身，汽车车身的焊接装配过程是一个庞大而复杂的装配系统，车身柔性薄板件的偏差、工装夹具的偏差、焊枪工具的偏差及操作失误将对车身焊接装配精度产生影响。白车身的精度关乎到最终整车的品质，每个汽车整车厂无一例外把白车身的精度作为最重要的质量控制指标做严格把控。

　　由于汽车产品逐渐成为快消品，为满足消费者的需求，各汽车厂家都在研究产品的快速迭代，产品的快速迭代对车身焊装夹具提出更高要求，以往的单车型产线势必无法满足需求[5].未来的车身焊装夹具必须满足是柔性的（可兼容多种车型）、可重构的（退市车型的夹具很大部分可以回用）、模块化（缩短设计周期）的，而且是智能的（可实时监测并实时输出监测数据指导维保及制造部门作出应对），只有这样才能满足产品的快速导入投产。但是作为焊装夹具最基本的定位精度要求仍是作为首位需要确保的。

　　柔性焊装夹具技术关乎到汽车厂整车的质量及投产时间，这两个关键因素是整车厂的生命线，目前已经得到各大汽车厂的极大重视，如何开发可靠稳定柔性的焊装夹具以满足车身装配的需求，提高车身的装配质量，是本文着重介绍的内容。

　　1.2 研究现状

　　1.2.1 夹具系统的设计方法

　　以下通过一套完整的夹具开发流程，介绍夹具的系统设计方法。

　　第一步，完成夹具的整体配置表，包含尽可能详尽输入信息：共线车型、生产节拍、占用场地、精度要求、生产能力、电气基本样式等等，如图 1.1 所示。

　　第二步，根据零件装件顺序及零件特点、焊点&涂胶等信息，结合 CDLS,完成工件的定位 MCP（关键定位点）布置。如图 1.2 所示。

　　第三步，完成夹具构思图，包括内容：夹具类型、夹紧方式、零件装入方式、输送方式、控制方式、工作踏台等。如图 1.3 所示。

　　第四步，根据 MCP,结合零件装件及定位夹紧需求特点并结合设计经验，完成夹具的 MCS（定位截面）设计，MCS 指导了夹具的细节设计，比如是否需要二级机构，夹具的动作顺序（先定位、后夹紧）等。如图 1.4 所示。

　　第五步，按照夹具设计规范完成夹具 3D 设计，如图 1.5 所示。

　　第六步，结合焊钳数模和夹具 3D 数模，完成焊接可达性检查，确保焊接可实现性，如出现夹具和焊接干涉的情况，就需要协调做更改，优先考虑优化夹具结构，或者设计更改焊钳结构，最后的选择就是更改定位点位置，如图 1.6.

　　第六步，根据装件顺序、焊接工艺及零件定位要求完成夹具动作顺序图设计交由控制工程师设计控制系统。如图 1.7.

　　1.2.2 夹具方案设计开发流程现状

　　在现代汽车制造业中，汽车车身生产线是现代汽车制造厂四大工艺车间的核心部分，是一个汽车制造企业核心竞争力的体现。车身生产线规划在每个新产品项目实施的前期阶段，处在很重要的位置。由于焊接生产的方式不同、产品的结构不同、生产过程的复杂性不同，焊接生产线的组成和机械化、自动化、柔性化的程度也不同，车身制造工艺需要高质量的焊接夹具来确保。采用产品开发与车身焊装夹具并行的模式有利于缩短产品开发周期，产品设计人员与夹具设计人员提前沟通更有利于提升产品设计质量，前期 SE 分析可以提前规避很多产品的质量风险。如图 1.8 所示。

　　车身焊装夹具具体设计的主要流程，主要分为以下 3 个阶段：

　　1.接收资料阶段：工艺方案书、三维焊点及焊钳、三维产品数模、GD&T;

　　2.设计阶段：完成工装方案书、工装设计任务书、MCP、MCS,据此完成工装三维数模；

　　3.提交交付物阶段：工装二维图纸、动作顺序图及要求、外购件清单、拼台加工清单、工装使用说明书、工装维护说明书；

　　1.3 研究内容

　　本文就柔性焊装夹具的设计理论及优化设计方案、实际案例展开介绍，从系统方案、定位、夹持、切换、重构性等多方面展开研究。

　　第一章，介绍研究背景、意义以及夹具方案设计开发流程现状，展示本文研究的主要内容和章节编排。

　　第二章，首先介绍白车身零件特点，并结合白车身零件特点展开介绍了白车身零件的制造特点，从而引出了车身焊装夹具基本要求并对焊装夹具典型定位夹紧机构设计进行了阐述；第三章，介绍柔性车身焊装夹具的几种实现形式。结合具体零件特点、使用场景、柔性需求给出定义，就基于零件定位需求及使用工况的柔性焊接夹具设计方法进行介绍。

　　第四章，从车身侧围柔性夹具的实际应用展开介绍，从侧围夹具的柔性定位系统、夹具切换系统、抓手输送系统、抓手切换系统等方面进行论述，并介绍了侧围柔性夹具的实际应用效果，佐证了其为经济性较佳的一种柔性侧围夹具实现模式。

　　第五章，总结了车身柔性夹具的开发整体思路及实践意义，展望了未来汽车焊装生产线要向"数字化""智能化" 转型，未来我们工程技术人员任重而道远。

　　第 2 章 车身焊接夹具设计原理
　　2.1 白车身制造特点与焊接夹具设计要求
　　2.1.1 白车身零件特点介绍
　　2.1.2 白车身零件制造特点介绍
　　2.1.3 车身焊装夹具基本要求

　　2.2 典型定位夹紧机构设计
　　2.2.1 典型定位夹紧机构结构
　　2.2.2 压板的设计
　　2.2.3 压板夹紧力的取值与选用气缸的关系
　　2.2.4 普通夹紧气缸使用原则
　　2.2.5 定位块厚度要求
　　2.2.6 调整垫片要求

　　2.2.7 定位块的要求
　　2.2.8 限位块的要求
　　2.2.9 定位销的要求
　　2.3 本章主要内容

　　第 3 章 多夹具单元组合优化的顶盖整体柔性夹具的开发
　　3.1 柔性夹具单元的优化设计方法
　　3.1.1 同套定位单元切换柔性定位夹具
　　3.1.2 不同定位单元切换柔性定位夹具
　　3.1.3 全柔性定位夹具
　　3.2 顶盖整体柔性夹具的方案说明

　　3.2.1 三车型的顶盖零件特点介绍
　　3.2.2 定位策略的确定
　　3.2.3 定位夹紧方案设计
　　3.2.4 顶盖整体柔性夹具机构的结构设计
　　3.3 本章小结

　　第 4 章 基于低成本、少空间的侧围整体切换柔性夹具的设计开发
　　4.1 柔性侧围夹具方案选择
　　4.2 柔性侧围焊装夹具总体方案
　　4.2.1 侧围场地布局
　　4.2.2 侧围生产过程
　　4.2.3 转台结构及切换形式

　　4.2.4 补焊台结构及切换形式
　　4.2.5 抓手切换形式
　　4.2.6 柔性侧围夹具柔性特点
　　4.3 本章小结

第 5 章 总结与展望

　　5.1 总结

　　为满足消费者对汽车多样化和汽车产品更新换代不断加快的需求，新车型开发成为汽车生产商占据市场的重要手段。为节省汽车制造和开发成本，多数主机厂使用模块化、平台化的设计和制造，既可以共用生产设备和人员，同时借鉴现在商品化车型的经验，在商品化车型的基础上进行不断地改进和优化设计。由此带来的问题是产品快速迭代及产品品种的多样化生产。

　　车身设备的投资在整车的设备投资占比很高，如何降低车身设备的投资是广大汽车厂家都在考虑的问题，而车身线夹具的柔性化开发正好解决了此问题，但是因为车身精度关乎到最终整车的品质，所以对车身焊装夹具的精度及稳定性也提出了更高的要求。正因为此，所以本文重点讨论了车身焊装夹具的柔性化、可重构性、自动化、稳定性提升等。本文所论述之侧围柔性焊装夹具已经得到应用，也得到了较好的验证，可满足生产节拍50JPH,焊接自动化率达到100%,将柔性、智能、高效、可靠发挥至极致。

　　本文所研究内容是本人在企业工作多年工作的总结和提升，可以有效指导类似柔性焊装夹具的开发设计，取得了良好的社会效益和经济效益。伴随着车身焊装夹具开发周期一再压缩，成本控制越来越严格，这就要求我们必须改变以往的开发模式，通过系统化、模块化、标准化的设计加快设计进度，不能仅仅依靠人员的主观动能，而要建立数据库及标准化流程指导设计，这个研究意义重大，然而由于本人经验缺乏，知识面有限，在实践中还有许多需要进一步讨论：

　　1.建立柔性夹具开发大数据库，包括典型机构、典型方案、可重构件库等，方便设计时随时调阅及借鉴；

　　2.收集其他分总成及主焊线柔性设计的研究成果，完善焊装夹具柔性设计方案；

　　3.夹具设计目前仍是非标设计，未来如何进行模块化、集成化、标准化的夹具设计还有待于继续深入研究；

　　4.对未来车身制造新技术进行应用性研究，为今后的成熟推广应用，积累经验及工艺数据，确保可靠性、安全性；

　　5.智能工厂是未来汽车制造业的发展方向，智能工厂的前提是数字化，车身设备的数字化是大势所趋，未来车身焊装夹具会采用更多各种类似激光测距开关及各种传感器收集车身夹具数据，后台网络分析这些数据并实时反馈给使用部门做相应应对，以达到减少不良品发生率，实现车身智能化的质量预防与控制，采集线体的实时动作和事件数据，可以让生产线上的一切动作都可视化；同时还可以发现低效及可优化的设备，这些影响效率的问题在这之前都被隐藏在流程中无法被发现。不但可以发现何时在何处可以如何增加产能，还能知道如何做才能实现产能的最大化。所以焊接夹具的未来发展方向是实现各种数据的在线实时采集，建立所有工装设备的大数据库，所有工装设备的信息都存储在数据库中，实现动态实时跟踪，实现工装设备的全生命周期管理，这是未来的重点研究方向。

　　5.2 展望

　　随着消费者对汽车产品更新换代需求的提速，作为整车载体的白车身的迭代速度起到关键作用，未来的车身焊装线必须采用具备节拍内车型切换功能以实现高节拍柔性化高效率的自动线方式，多车型柔性焊装生产线成为各大整车厂的重点研究课题[9].未来，柔性焊装生产线也将向智能化方向发展，车身夹具技术需要从前期设计到生产过程具备虚拟仿真分析、质量控制、过程动态监控等一体化控制手段提高车身精度与焊接质量，需要不同学科的人员参与并协作。

　　"中国制造2025",是中国制造业未来10年的顶层规划和路线图[9],随着智制能造时代的来临，汽车制造业正在全面迈向智能制造，车身制造行业需要尽快推进智能化、数字化转型升级，进一步提升汽车制造工艺和质量水平，自动化水平的提高和数字化发展提升产能利用率，创造汽车制造的革命性成就。各车企技术人员需要不断创新掌握先进技术，不断升级用户体验感，不断优化研发及生产成本，将技术成果转化成实实在在的生产力，共创品质未来，这或许也属于里程碑式的成就。

　　作为汽车焊装行业的普通一员，我为生在这样的时代而自豪，同时也倍感压力，我将不断学习，永葆激情，勇敢面对未来更大的挑战。

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致 谢

　　研究生生涯转瞬即逝，有幸在离开校园多年之后再进入校园进行学习，更为幸运的是进入了中国汽车行业人才翘楚的湖南大学进行学习，深感幸运。通过这几年的深造，我系统学习了汽车理论、汽车设计、轻量化、新能源等专业课程，这些课程让我对汽车的认识更为全面，从一个汽车知识小白成长为准专业人士，更为重要的是这些汽车知识对我目前的日常工作有很大的帮助作用，直观的表现就是看待工作中碰到的问题更全面了，不再像以往那样局限于某一方面，可以站在更高层面上系统的看待及分析解决问题了。

　　在此非常感谢湖南大学的各专业科老师们，正是你们的辛勤无私传授，我才能高效吸取这些知识，并快速应用到工作中。在此对你们致以崇高的敬意和真诚的祝福。

　　特别感谢胡朝辉导师对我专业上的指导，给我指明了研究的方向，让我有了努力攀登的动力；感谢聂昕老师为我们搭接了学习交流分享的平台，正是有了你的悉心组织，同学们之间才有了沟通的桥梁，可以分享和交流各自学习的收获和困难。也感谢顾成波同学在我论文写作过程中对我的悉心指导，让我顺利完成本篇论文。

　　感谢我的父母，是你们背后的默默支持，才成就了今天的我，我所取得的成绩都离不开你们的辛苦付出，在此祝爸爸妈妈身体健康。

　　最后祝所有共同奋斗过的同学们，欢乐的时光虽然短暂，然而值得铭记，祝大家工作顺利，身体健康，在未来的工作中取得更大的成绩。

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