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摘 要
21 世纪全球汽车领域进入飞速发展时代，汽车白车身焊装生产线的制造精度及自动化程度的高低，是影响汽车整车制造质量和生产周期的重要因素。汽车运载辅助夹具是汽车白车身焊装自动化生产线中常用的工装夹具之一。作为汽车主机厂的重要设备，具有需求量大、制造精度高、制造周期长等特点。因此，优质的汽车运载辅助夹具，有助于提高白车身质量，提高劳动生产率。
本文结合实际工程案例，对汽车自动化生产线中的运载辅助夹具进行结构设计及优化设计，主要研究内容如下：
⑴运载辅助夹具结构设计。以轿车自动化生产线侧围外板运载辅助夹具为研究对象，参考焊接夹具的定位原理，本着基准统一原则，根据技术任务书、侧围外板的主要工艺参数，采用经验设计法、类比设计法利用 CATIA 软件对运载辅助夹具结构进行三维模型设计，构成模型的零部件包含几何信息、位置关系、联接关系、配合关系、运动关系等，其机械结构组成主要包括定位部件、夹紧部件、底部框架、侧框部件。结合现场的工况对关键结构进行受力分析和校核计算，得到其强度、变形公式。
⑵运载辅助夹具结构优化设计。以往采用经验设计法设计的同类产品主要考虑功能、可靠性两个主要条件，导致运载辅助夹具存在结构设计安全裕度大，自重大的问题。本文在保证运载辅助夹具正常使用情况下，对整个运载辅助夹具进行多目标的优化设计。通过对设计函数、目标函数、约束函数等参数的设计，构建相应的数学模型并求解，参照求解结果对夹具材料的规格、零部件结构进行调整。优化后的运载辅助夹具重量明显减轻，达到轻量化的目的。在保证运载辅助夹具刚度和强度的前提下，轻量化设计可以保证进一步提升产品性能，提高产品经济性。
⑶基于有限元仿真技术的运载辅助夹具结构分析及优化设计。侧围外板运载辅助夹具的主承载结构是梁式框架结构，运用有限元软件 ANSYS Workbench 对经验法及数字优化方法优化后的运载辅助夹具进行再次优化，对两种结构加载不同工况条件，进行如下分析：
①结构刚度及强度分析 ②典型工况一：运载辅助夹具在正常静态时，装卸侧围外板的工况，它属于线性加载及卸载；③典型工况二：运载辅助夹具在空载、装载、满载侧围外板情况下运输及堆垛的工况，它属于施加冲击载荷；在 ANSYS 中导入运载辅助夹具优化结构的有限元模型，获得不同工况下运载辅助夹具结构数据。
⑷运载辅助夹具制造的工艺路线提出及标准的制定。按照工艺指定原则，以运载辅助夹具底部框架为例，对其每个零件的加工工序依次进行分析排序，并进行整合，形成最终的零件加工工艺，其中重点分析焊接的参数及工艺形式。根据侧围外板运载辅助夹具的工摘 要21 世纪全球汽车领域进入飞速发展时代，汽车白车身焊装生产线的制造精度及自动化程度的高低，是影响汽车整车制造质量和生产周期的重要因素。汽车运载辅助夹具是汽车白车身焊装自动化生产线中常用的工装夹具之一。作为汽车主机厂的重要设备，具有需求量大、制造精度高、制造周期长等特点。因此，优质的汽车运载辅助夹具，有助于提高白车身质量，提高劳动生产率。
本文结合实际工程案例，对汽车自动化生产线中的运载辅助夹具进行结构设计及优化设计，主要研究内容如下：
⑴运载辅助夹具结构设计。以轿车自动化生产线侧围外板运载辅助夹具为研究对象，参考焊接夹具的定位原理，本着基准统一原则，根据技术任务书、侧围外板的主要工艺参数，采用经验设计法、类比设计法利用 CATIA 软件对运载辅助夹具结构进行三维模型设计，构成模型的零部件包含几何信息、位置关系、联接关系、配合关系、运动关系等，其机械结构组成主要包括定位部件、夹紧部件、底部框架、侧框部件。结合现场的工况对关键结构进行受力分析和校核计算，得到其强度、变形公式。
⑵运载辅助夹具结构优化设计。以往采用经验设计法设计的同类产品主要考虑功能、可靠性两个主要条件，导致运载辅助夹具存在结构设计安全裕度大，自重大的问题。本文在保证运载辅助夹具正常使用情况下，对整个运载辅助夹具进行多目标的优化设计。通过对设计函数、目标函数、约束函数等参数的设计，构建相应的数学模型并求解，参照求解结果对夹具材料的规格、零部件结构进行调整。优化后的运载辅助夹具重量明显减轻，达到轻量化的目的。在保证运载辅助夹具刚度和强度的前提下，轻量化设计可以保证进一步提升产品性能，提高产品经济性。
⑶基于有限元仿真技术的运载辅助夹具结构分析及优化设计。侧围外板运载辅助夹具的主承载结构是梁式框架结构，运用有限元软件 ANSYS Workbench 对经验法及数字优化方法优化后的运载辅助夹具进行再次优化，对两种结构加载不同工况条件，进行如下分析：
①结构刚度及强度分析 ②典型工况一：运载辅助夹具在正常静态时，装卸侧围外板的工况，它属于线性加载及卸载；③典型工况二：运载辅助夹具在空载、装载、满载侧围外板情况下运输及堆垛的工况，它属于施加冲击载荷；在 ANSYS 中导入运载辅助夹具优化结构的有限元模型，获得不同工况下运载辅助夹具结构数据。
⑷运载辅助夹具制造的工艺路线提出及标准的制定。按照工艺指定原则，以运载辅助夹具底部框架为例，对其每个零件的加工工序依次进行分析排序，并进行整合，形成最终的零件加工工艺，其中重点分析焊接的参数及工艺形式。根据侧围外板运载辅助夹具的工摘 要21 世纪全球汽车领域进入飞速发展时代，汽车白车身焊装生产线的制造精度及自动化程度的高低，是影响汽车整车制造质量和生产周期的重要因素。汽车运载辅助夹具是汽车白车身焊装自动化生产线中常用的工装夹具之一。作为汽车主机厂的重要设备，具有需求量大、制造精度高、制造周期长等特点。因此，优质的汽车运载辅助夹具，有助于提高白车身质量，提高劳动生产率。
本文结合实际工程案例，对汽车自动化生产线中的运载辅助夹具进行结构设计及优化设计，主要研究内容如下：
⑴运载辅助夹具结构设计。以轿车自动化生产线侧围外板运载辅助夹具为研究对象，参考焊接夹具的定位原理，本着基准统一原则，根据技术任务书、侧围外板的主要工艺参数，采用经验设计法、类比设计法利用 CATIA 软件对运载辅助夹具结构进行三维模型设计，构成模型的零部件包含几何信息、位置关系、联接关系、配合关系、运动关系等，其机械结构组成主要包括定位部件、夹紧部件、底部框架、侧框部件。结合现场的工况对关键结构进行受力分析和校核计算，得到其强度、变形公式。
⑵运载辅助夹具结构优化设计。以往采用经验设计法设计的同类产品主要考虑功能、可靠性两个主要条件，导致运载辅助夹具存在结构设计安全裕度大，自重大的问题。本文在保证运载辅助夹具正常使用情况下，对整个运载辅助夹具进行多目标的优化设计。通过对设计函数、目标函数、约束函数等参数的设计，构建相应的数学模型并求解，参照求解结果对夹具材料的规格、零部件结构进行调整。优化后的运载辅助夹具重量明显减轻，达到轻量化的目的。在保证运载辅助夹具刚度和强度的前提下，轻量化设计可以保证进一步提升产品性能，提高产品经济性。
⑶基于有限元仿真技术的运载辅助夹具结构分析及优化设计。侧围外板运载辅助夹具的主承载结构是梁式框架结构，运用有限元软件 ANSYS Workbench 对经验法及数字优化方法优化后的运载辅助夹具进行再次优化，对两种结构加载不同工况条件，进行如下分析：
①结构刚度及强度分析 ②典型工况一：运载辅助夹具在正常静态时，装卸侧围外板的工况，它属于线性加载及卸载；③典型工况二：运载辅助夹具在空载、装载、满载侧围外板情况下运输及堆垛的工况，它属于施加冲击载荷；在 ANSYS 中导入运载辅助夹具优化结构的有限元模型，获得不同工况下运载辅助夹具结构数据。
⑷运载辅助夹具制造的工艺路线提出及标准的制定。按照工艺指定原则，以运载辅助夹具底部框架为例，对其每个零件的加工工序依次进行分析排序，并进行整合，形成最终的零件加工工艺，其中重点分析焊接的参数及工艺形式。根据侧围外板运载辅助夹具的工艺路线，制定同类侧围产品运载辅助夹具加工制造工艺标准，为同类别产品的制造提供参考，对运载辅助夹具标准化设计提供积极促进作用。
关键词：运载辅助夹具；结构设计；多目标优化；轻量化；底部框架工艺标准
Abstract
In the 21st century, the global automotive field has entered an era of rapid development. The manufacturing accuracy and automation of the automotive body-in-white welding production line are important factors that affect the quality and production cycle of the entire automotive vehicle. The vehicle carrier auxiliary fixture is one of the commonly used fixtures in the automatic production line of automobile body-in-white welding. As an important equipment for automobile Original Equipment Manufacturer（OEMs）， it has the characteristics of large demand, high manufacturing precision, and long manufacturing cycle. Therefore, high-quality vehicle carrying auxiliary fixtures can help improve the quality of the white body and increase labor productivity.
In this paper, combined with actual engineering cases, the structural design and optimization design of the carrier auxiliary fixture in the automotive automation production line are carried out. The main research contents are as follows:
⑴The structure design of carrying auxiliary fixture. Taking the outer panel of the side wall of the automatic production line of a car as the research object, referring to the positioning principle of the welding fixture, in accordance with the principle of standard uniformity, according to the technical task book and the main process parameters of the side wall outer panel, the empirical design method and the analogous design method are used to use the CATIA software Carry out three-dimensional model design for the structure of the auxiliary carrier fixture. The parts that make up the model include geometric information, positional relationship, connection relationship, matching relationship, movement relationship, etc., and its mechanical structure mainly includes positioning parts, clamping parts, bottom frame, side frame part. Combining with the working conditions of the site, the force analysis and calculation of the key structure are carried out, and its strength and deformation formulas are obtained.
⑵Optimized design of the structure of the carrier auxiliary fixture. In the past, similar products designed by the empirical design method mainly considered the two main conditions of function and reliability, which led to the problem of large safety margin in structural design and self-importance of the auxiliary carrier fixture. In this paper, under the condition of ensuring the normal use of the carrier auxiliary fixture, the entire carrier auxiliary fixture is optimized for multi-objective design. Through the design of the design function, objective function, constraint function and other parameters, the corresponding mathematical model is constructed and solved, and the specifications of the fixture material and the structure of the parts are adjusted with reference to the solution results. The weight of the optimized carrying auxiliary fixture is significantly reduced, achieving the purpose of lightening. Under the premise of ensuring the rigidity and strength of the auxiliary carrying fixture, the lightweight design can ensure further improvement of product performance and product economy.
（3） Structural analysis and optimization design of carrier aid fixture based on finite element simulation technology. The main load-bearing structure of the auxiliary carrier fixture for the side wall outer panel is a beam frame structure. The finite element software ANSYS Workbench is used to re-optimize the auxiliary carrier fixture optimized by the empirical method and the digital optimization method. The two structures are loaded with different working conditions. Carry out the following analysis: ①Structural stiffness and strength analysis;②Typical working condition 1: When the carrying auxiliary fixture is in normal static state, the working condition of loading and unloading the side wall outer panel is linear loading and unloading;③Typical working condition 2: The carrying auxiliary fixture is in The working conditions of transportation and stacking under the condition of no-load, loaded, full-loaded side wall outer panel, which belong to the impact load; import the finite element model of the optimized structure of the carrier auxiliary fixture in ANSYS, and obtain the structure data of the carrier auxiliary fixture under different working conditions .
⑷Proposal of manufacturing process route and standard formulation of carrier auxiliary fixture. In accordance with the principle of process designation, taking the bottom frame of the carrier auxiliary fixture as an example, the processing procedures of each part are analyzed and sequenced in sequence, and integrated to form the final part processing technology, which focuses on the analysis of welding parameters and process forms. According to the process routeof the auxiliary fixture for carrying auxiliary fixtures on the side wall outer panel, formulate the manufacturing process standards for the auxiliary fixture for the same type of side wall products to provide a reference for the manufacture of products of the same category and provide a positive promotion for the standardized design of auxiliary fixtures for carrying.
Keywords:Auxiliary fixture for carrying;structural design;multi-objective optimization design ; lightweight; Bottom frame process standard
目 录
1 章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
汽车白车身的制造质量，是衡量汽车品质的关键指标之一。一般来说，大多数白车身由焊接在 55-75 装配夹具上的 300 多片冲压件组成[1,2].焊接自动化生产线由焊接夹具、焊接机器人系统、输送系统、悬挂系统、铆接和胶合组成。其中，焊接夹具的功能是在保证汽车各钣金件符合图纸要求的情况下，完成白车身高品质、高效率焊接[3].焊装夹具属于非标准工装，是车身焊接生产线的重要组成部分[4].世界上汽车制造业先进国家中，焊接夹具已达到普遍化、系列化，在设计中可以合理选择[5,6].
汽车运载辅助夹具的设计制造是实施车身焊装工艺的重要组成部分。汽车运载辅助夹具与自动化生产线机器人进行配合使用，其精度高，结构复杂。运载辅助夹具的作用是汽车零部件的摆放、存储、运输，其中，摆放是机器人在自动化焊接过程中的抓取、放置；存储是焊接前后汽车零部件堆垛存放在指定工位或库房；运输是运载辅助夹具在空载或满载时搭配物流小车按照焊接工位的顺序运载到指定工位。运载辅助夹具作为汽车主机厂的重要设备具有需求量大，加工精度高，制造周期长等特点。在自动化生产线中，运载辅助夹具与机器人、焊接夹具一起配合，对保证产品质量，提高生产效率有着至关重要的作用。
运载辅助夹具也是焊接夹具中的一种，它在运载、堆垛、机器手抓取过程中会出现底部框架变形、堆垛过程中侧框变形、压紧机构变形、定位装置变形破损等问题，导致精度降低。以往夹具、检具、吊具等设备的设计工作均采用经验设计法、类比法进行，安全系数设置的较高，设计及加工制造均无标准可参照，造成极大的资源浪费。本课题针对汽车自动化焊接生产线中运载辅助夹具出现的问题而展开研究。对实际使用过程中安全裕度大导致运载辅助夹具本身自重大的问题进行轻量化设计，在保证不影响运载辅助夹具正常使用情况下，分别对整个运载辅助夹具进行多目标的优化设计。对优化完成的结构进行底部框架的拓扑仿真分析，确定最终的优化结构，对优化的结构在不同工况下进行静力学、动力学、疲劳强度的仿真分析，同时完成产品加工工艺的标准制定，实现其在设计、加工过程中的标准化、模块化。
1.2 课题国内外研究进展综述
1.2.1 汽车自动化焊接夹具国内外发展现状
随着我国汽车工业的发展，汽车焊接生产线已经不再使用传统的焊接方法，自动刚性焊接线、机器人柔性焊接线和高柔性焊接线的时代已经到来[7].在"中国制造 2025"的推动下，汽车焊接自动化进程也在加快，自动化程度在整车制造过程中的占比高低，直接影响着整车制造质量和水平，对企业的市场竞争力也有着很大影响。汽车工业的发展趋势和市场需求决定了国内企业只能采取即时生产的方法，让产量与实际销售量基本一致[8,9].毫无疑问，这种先进的设计理念与自动化技术能更有效地应对市场的压力。
1913 年，福特公司率先开发了第一条单品种焊接生产线[10].上世纪七八十年代，丰田公司开发设计了第一条多车型柔性焊接生产线。在白车身焊接行业的起步和发展中，国外一直走在我国的前列[11].
由于世界发达国家的激烈竞争和挑战，美国里海大学 Iacoca 研究提出了一个新的概念"敏捷制造"的提出标志着传统制造业向敏捷和柔性的转变[12].S Parkinson 提出敏捷制造的方法的原理，该方法灵活，响应迅速，并将业务的工程和营销部门组合在一起，以满足客户的需求，并讨论可用于支持该技术的各种技术支持[13].
TorresTool 是西班牙 M.Torres 制造的一种可重构夹具装置，是一种多功能、灵活的通用夹具，该装置由伺服驱动的销阵列组成，按最优配置进行定位，可以调整垂直方向和左右方向的定位[14].Yongbai 和 Yiming Rong 提出了基于装配关系的模块化夹具设计系统，定义了五种基本的装配关系，讨论了四种典型的装配关系装配结构[15].HE Chun 和 X Huang设计了一种顶盖焊接夹具，通过该焊接设备，可实现前板自动焊接过程中的板装配、定位、夹紧、锁紧等多种功能[16].
为了完成奥迪汽车后头枕支架的焊接加工，Monkova K 等人通过计算机构建了焊接夹具的三维模型，此焊接夹具确保了其各部件的准确位置[17].明尼苏达大学的 E1maraghy,Hoda 和 A1geddawy,Tarek 提出了一种模块化集成夹具的设计方法，该系统能准确定位和点焊松散的预装配车身零件，四种车身风格验证了该方法的有效性[18].
Ahmadz 等人设计了一种可以重新组装可用的汽车车身焊接夹具，该夹具由锁臂结构机器人、焊接夹具框架和双刀开关组成，具有较强的可重构性和灵活性，车身焊接效率的提高，生产成本的降低，既提高了产品效益，也为焊接夹具的设计提供了有价值的参考[19].
Ramnath B V 等人设计了一种在立式铣床上进行搅拌摩擦焊接的焊接夹具[20].该夹具能在搅拌摩擦焊过程中固定对焊工件，使其位置不发生偏移，利用 ANSYS 软件对夹具进行了有限元分析，证实了该夹具能够保证搅拌摩擦焊的顺利进行。
20 世纪 80 年代合资企业出现后，从国外淘汰的生产线开始引入中国。直到 21 世纪，国内经济和科技的快速发展，使得汽车产业也开始蓬勃发展。虽然国内汽车焊接水平与国外先进的焊接线水平有很大差距，但差距正在迅速缩小。
清华大学朱耀祥和美国吴士托工学院融亦明研制成功的孔系夹具设计软件Fix-Des[21-23],为我国汽车焊装夹具的研究和发展做了重大贡献。陈猛、郭刚等，提出了将汽车焊接工艺和 CAD 系统开发进行有机结合，他们成功研发了可将汽车焊接夹具与 CAD系统结合到一起的三维汽车焊装夹具 CAD 系统[24].湖南大学姜潮、韩旭，利用"N-2-1"定位原理，应用隔代遗传投影的优化方法进行求解，开发了焊接夹具定位点的优化设计[25].
华中科技大学的韩星和陈传耀提出了使用不同建模方法来进行夹具优化的构想，提出了差分建模的思想来优化夹具[26].王轶研究了车身焊接过程中影响车身精度的诸多因素，开发出了一套车身焊接设计过程中所采用的工艺方法以及焊接工艺设计和夹具冲压件定位系统布局的设计方法[27].
胡志星研究车门内板总成的焊接夹具系统，实现了白车身焊装夹具快速定位与夹紧功能[28].郭孔斌研究了汽车后门内板的焊接夹具和关键定位件，可以减少焊接过程中的误差，提高汽车内板的焊接精度和焊接质量，提高焊接夹具的自动化和灵活性[29].李云涛等人通过对汽车门框的力学分析，使用有限元分析对车辆门框部分易变形处进行了再设计，此焊接夹具改进后的夹具可靠、稳定且不易变形[30],为后续夹具设计力学分析提供了重要的参考。张发全等人针对传统焊接夹具对动车组车架适用性差的问题，提出了一种优化后的模块化柔性焊接夹具[31],该夹具适用性强，能够用于多种类型的普通火车和动车车架焊接，提高了实用性和准确性。姜杰凤等人对焊接装夹方案进行研究，设计了一套用于定位的元件，使用气动元件对工件进行夹紧处理，通过计算机对整套焊接夹具系统进行控制，提高了夹具的自动化程度，为后续的夹具自动化设计提供了设计参考[32].
韦义文等人针对目前变型设计主模型构建过程中手工梳理设计参数时存在的效率低下，易产生人为误差等问题，提出了结合复杂网络理论的焊接夹具变型主模型构建方法，同时开发了与计算机辅助设计软件集成的变型设计主模型构建系统，提高了变型设计主模型构建效率和质量[33].
王强等人针对传统焊接夹具对于不同车型需要更换大部分夹具，装夹定位精度不够，更换夹具成本高等不足，提出一种基于柔性化夹紧结构，快速移动定位机构及平推结构的车身焊接平台[34].
1.2.2 结构优化的国内外发展现状
现代工业制造不断追求高效、高性能、低成本的目标。工业产品通过不停地迭代优化设计，将产品进行数学建模，这是一个多学科交叉的复杂问题，涉及到力学、数学规划、计算机科学等知识[35].
传统的结构设计方案大多是设计者根据以往经验，依靠对以往产品的知识积累对产品进行设计，然后做出样品进行测试，通过不断地测试找到最终的可行方案。但是这种方法存在效率低、周期长、成本高[36]等缺点。设计出的产品往往只能达到测试部分的局部最优，而不能解决整体优化问题。除此之外，由于设计过程复杂，大量设计人员简化了模型，直接使用经验公式，导致设计精度不高。然而，结构优化设计是根据产品的结构型式、工况和材料性能建立基本模型，然后在此基础上添加约束条件，对约束条件进行数学求解，通过多次运算进行迭代，直至结果收敛，达到预期要求。相比凭借经验的结构设计，通过结构优化设计的方法可以充分适用材料性能，减少了总体的成本，在安全可靠的前提下，最大程度的使结构参数合理。
早在 18 世纪中叶，结构初步设计优化布局理论由 Maxwell 提出并建立，该理论被广泛使用在当时的设计之中。20 世纪 40 年代，Shanley、Gerard 等人提出了单一工况破坏理论，该理论认为当结构施加外力达到设计的强度极限时，如果结果即将破坏，那么该结构设计为最优化设计[37].
上世纪 60 年代，Schimit 提出了一种将有限元法和数学规划法相结合的结构设计方法，此后，在众多科学家的努力下，结构优化设计得到了迅速发展[38].同时，工程中的优化问题日益复杂，线性优化设计方案已经不能满足实际设计的需要，人们提出了准则法[39].应力准则法可以减少重分析次数，加快收敛速度。随着优化理论分析的发展和工程结构复杂性的提高，计算机辅助分析与设计技术的出现、智能算法的引入和有限元理论的发展为结构优化增添了强大的动力[40].
Cochrance 和 Zelenty 编辑并出版了《多目标优化》一书，为多目标优化学科的最终形成奠定了基础[41].如果需要同时达到多个目标，并且每个目标之间可能存在冲突，要使各个目标都得到最优化，想要解决这一难题，想办法在多个目标间取得适当的平衡，为得到问题的较优解，尽量使大多数目标尽可能接近或达到系统所需的"最优"情况。实际工程中所遇到问题基本上都是多目标优化问题，研究如何解决多目标优化问题是具有十分重要的实际意义的[41].
20 世纪 70 年代初，密歇根大学霍兰教授提出新的多目标优化算法模仿了生物进化定律[42],通过对模仿生物在自然界中"优胜劣汰",不断循环这一过程，使得这一种群及种群中个体的素质不断演变，演变的结果可能是有益的，也有可能是无益的，所以还需要对结果进行分析和筛选，循环往复，最终可以取得最符合条件的个体，也就是取得全局最优解。
M.Dorigo 等人第一次提出了一种蚂蚁在觅食时的过程中，单个蚂蚁的行为往往是漫无目的的，但将数量放大到蚁群，蚁群却可以在不同的环境条件下，找到距离食物源最短的路，其原因在于蚁群中的个体会通过特殊方式进行交流，从而不断修正路径，最终找到最短的那条路径，因此，提出蚁群算法来求解最短路程问题[43].
刘道华和他的团队研究了如何结合前馈网络和自适应共振网络的优点。自适应共振是指在研究过程中，根据频率等特性的变化，自适应地调整与共振相关的特性参数的方法[44].
与单目标优化相比，多目标优化方法有其自身的优势，多目标优化可同时处理多个优化目标，可以同时满足多个需求，因此处理问题的效率更高。实际问题包含多个需要考虑的目标，并且需要同时达到多个目标，为了提高解决问题的效率，采用多目标的方法将所有需要考虑的要求结合起来，并对问题进行适当的简化，得到多目标优化的最优解集[41].
王丽，王瑞强等人，通过构造运动学和动力学特性的多目标优化函数，利用遗传算法对含有运动学和动力学的双响应指标，设计了一种机器人结构，通过多目标一优化获得了具有较高灵活度的结构参数[45].
于梦阁，潘振宽等人对高速列车车头进行多目标空气动力学优化设计，建立了高速列车头部的三维参数模型，并进行了五个优化设计提取变量[46].
于宁波，黄钟玉为了改善硅片机器人结构的静、动力学性能，实现结构的轻量化设计，引入多目标优化理论，并结合层次分析法，实现了大臂结构轻量化设计，层次分析法的引入为多目标优化问题中各子目标函数的重要性提供了客观的理论依据[48].
1.2.3 国内外发展现状简析
目前国内厂商的焊接夹具设计、制造水平与发达国家相比还存在较大差异，主要体现在：焊接夹具设计、制造的通用化、标准化、系列化；焊接夹具装配环节的组织管理、质量保证、装配工艺性的基础研究；焊接夹具制造、装配、检测、调试环节的自动化和智能化的程度等三个环节。
从国内外专家学者的研究现状来看，因为焊接夹具应用前景诱人，国外相继成立了许多焊接夹具研究机构并开展研究，取得了良好效果。国内 20 世纪 80 年代开始焊接夹具技术的跟踪研究，虽然存在很多有价值的新理论和新方法，但总的来说，各种理论和方法还不成熟，导致焊接夹具的工业自动化、智能化的工程实际应用程度不高。尤其对于像运载辅助夹具这种机械的装配工艺设计仍存在一些不足和需要解决的问题，主要体现在：
（1）面向运载辅助夹具的机械结构标准化设计欠缺目前，针对汽车自动化焊接生产线焊接夹具的研究已经取得了一些显著成果。但汽车自动化焊接生产线中运载辅助夹具设计没有相对统一的标准，设计人员无法在最短的时间内获得基于某一标准的产品，需要花费大量时间进行单独设计，导致同品类运载辅助夹具设计周期长、结构差异大。
（2）运载辅助夹具的结构分析欠缺运载辅助夹具是用来配合汽车自动化焊接生产线的机械手进行汽车零部件抓取、工位间转运的夹具。在其生命周期内不断承担装件、取件、运输、堆垛等工作，工作中又在不断的承受冲击、静压等载荷，所以运载辅助夹具的设计与制造既要考虑钣金零件的变形与回弹，还要考虑自身结构的稳定。在实际使用中运载辅助夹具会出现底部框架变形、堆垛侧框变形、定位装置破损等问题，现有的针对汽车夹具研究还没有拓展到对运载辅助夹具结构研究。本文采用多目标优化方法进行优化结构，并将优化的结构通过有限元仿真分析方法进行分析、模拟不同工况中运载辅助夹具结构变形来判断运载辅助夹具设计是否满足技术要求。
（3）面向运载辅助夹具的制造工艺的标准化设计欠缺现有运载辅助夹具工艺文件较复杂，加工人员经常误解工艺设计意图，导致工序错误的现象出现，每次都需花费大量时间仔细研读工艺文件。本文以某汽车主机厂自动化焊接生产线侧围外板运载辅助夹具为例，建立侧围运载辅助夹具的加工工艺路线，参照侧围外板运载辅助夹具工艺路线制定同类运载辅助夹具工艺标准，来固化指导加工。
1.3 本文的主要研究内容及技术路线
综合国内外研究现状，本课题以某主机厂提供技术任务书、侧围外板 3D 数模、工艺文件和夹具设计标准为依据，对侧围外板运载辅助夹具结构运用 CATIA 软件进行三维建模。建模完成后，对运载辅助夹具进行受力分析。然后，根据现场出现的问题采用多目标优化方法进行结构优化设计，得到优化后的运载辅助夹具三维数模。采用有限元分析软件Ansys Workbench 对运载辅助夹具关键结构进行拓扑优化仿真分析，得到改进结构，对优化前后的运载辅助夹具结构在不同工况下分别进行静力学、动力学仿真分析及疲劳寿命分析，得到最终的数据。最后，针对最终优化结构提出一整套完整工艺路线，制定同类产品的工艺标准。本课题主要的研究内容思路策划如图 1-1 所示。
1. 参照焊接夹具的定位原理、基准统一原则、技术任务书、侧围外板的主要工艺参数等标准，以轿车自动化生产线侧围外板运载辅助夹具为研究对象，对运载辅助夹具的主要结构进行 CATIA 三维建模设计，并对建模完成的运载辅助夹具进行详细强度变形、受力分析。
2.针对实际使用过程中安全裕度大导致运载辅助夹具本身自重大的问题进行轻量化设计，在保证不影响运载辅助夹具正常使用情况下，分别对整个运载辅助夹具进行多目标的优化设计。
3. 运用有限元软件 ANSYS Workbench 对运载辅助夹具的底部框架进行拓扑优化，实现轻量化设计。然后针对优化前后运载辅助夹具结构进行不同工况下的静力学分析，对比分析结果，在对优化后的运载辅助夹具进行动力学仿真、疲劳寿命仿真分析，得到最终的数据结果。
4. 按照工艺制定原则，对每个零件的加工工序进行整合，形成最终的零件加工工艺。
在工艺制定过程中主要对焊接的形式、参数选定等进行分析，制定符合运载辅助夹具的工艺标准。根据侧围外板运载辅助夹具的工艺标准，制定同类侧围产品运载辅助夹具加工制造工艺标准。
第 2 章 运载辅助夹具三维结构设计及关键结构受力分析
2.1 运载辅助夹具简介
2.2 运载辅助夹具结构的三维建模
2.2.1 需求分析
2.2.2 运载辅助夹具的工作原理
2.2.3 运载辅助夹具机械结构设计流程
2.2.4 运载辅助夹具的构成
2.3 运载辅助夹具关键结构的力学分析
2.3.1 运载辅助夹具结构的组合变形
2.3.2 运载辅助夹具变形分析
2.4 本章小结
第 3 章 运载辅助夹具结构优化设计
3.1 运载辅助夹具常见结构问题
3.2 运载辅助夹具优化设计
3.2.1 结构优化设计数学模型
3.2.1.1 基本概念
3.2.2 多目标优化设计问题与数学模型的建立
3.3 本章小结
第 4 章 基于有限元方法对运载辅助夹具结构的分析及优化设计
4.1 工况分析及有限元分析流程
4.2 底部框架的拓扑优化设计
4.2.1 定义设计空间
4.2.2 基于有限元软件 ANSYS 中对底部框架结构进行拓扑优化设计
4.3 经验法、类比法设计结构与优化后结构的静力学有限元仿真分析
4.3.1 有限元模型的建立
4.3.2 定义材料参数及网格的划分
4.3.3 施加载荷和约束
4.3.4 仿真结果分析
4.4 动力学分析
4.4.1 动力学分析简介
4.4.2 优化后运载辅助夹具显示动力学分析
4.5 优化结构的疲劳强度校核
4.6 本章小结
第 5 章 运载辅助夹具加工制造工艺路线提出及标准的制定
5.1 工艺路线的制定规则与步骤
5.1.1 工艺路线的制定规则
5.1.2 工艺路线的制定步骤
5.2 运载辅助夹具的工艺分析及工艺路线的提出
5.2.1 材料的选取
5.2.2 部件工艺过程分析及工艺路线标准的建立
5.3 本章小结
结 论
本课题针对汽车焊接生产线中侧围外板运载辅助夹具在实际使用中出现的结构变形问题，提出了运载辅助夹具设计的标准化、模块化，同时，采用数学方法对运载辅助夹具实际工作工况进行优化设计并进行模型的改进设计，将设计完成的模型在有限元分析软件中进行仿真验证。取得主要研究成果如下：
⑴以汽车自动化生产线侧围外板运载辅助夹具为研究对象，结合现场应用环境、精度要求、设计标准及定位原理等，利用 CATIA 软件对运载辅助夹具主要结构进行三维模型设计，在设计的过程中对关键结构部件，如定位部件的设计、夹紧部件等进行模块化、标准化设计。同时，将与其它部件装配方式由焊接、铆接改进为可调节的螺接形式，这样在进行不同钣金件类运载辅助夹具设计时，可以通过调用侧围外板运载辅助夹具中现有的模块化结构，简单调整外形结构参数即可满足实际连接关系，这样不但缩短了设计的周期，还可以对以往类似产品制造用的专用胎具进行二次改造利用。
⑵对设计完成的运载辅助夹具进行受力分析。主要针对承力部件进行内外力、应力分析，进而得到运载辅助夹具的组合变形情况，进而确定其危险截面的强度点位置，根据连接结构及截面的不同确定最终结构的刚度计算公式。
⑶在运载辅助夹具常规使用工况条件下，提出以质量、变形量、成本最小为设计函数的多目标优化，建立合理的约束函数。通过建立多目标数学模型，计算分析弯曲工况下的整体弯曲刚度、局部弯曲刚度等两种评价指标，利用计算机仿真技术对设计的合理性进行优化。在满足运载辅助夹具的刚度和强度前提下，侧框部件、支撑部件、定位部件中的方钢管材料厚度δ的变化值与方管、矩形管的实际设计长度和连接方式有关，其中在满载工况下，长度为 1080mm、1030mm 的方管厚度由 4mm 变化为 3mm,长度为 995mm、980mm,950mm、1025mm 的管材厚度由 4mm 变化为 2.5mm;在堆垛工况下，长度 1285mm、1060mm矩形管厚度由 4mm 减少到 3.5mm,长度为 1060mm、1205mm 方管厚度由 4mm 减少到2.5mm.侧框部件、支撑部件、定位部件中的一部分方钢管截面和厚度发生变化，当其中对应方管厚度δ的变化由原来的 4mm 减少到 3.5mm 或 2.5mm 时，可得到最优解。运载辅助夹具进行多目标优化之后，结构变形量微小，最大应力值小于屈服极限值，能很好地满足实际使用需求，故对其结构部分的多目标优化改进是有效的。多目标优化前，运载辅助夹具的重量为 565.223kg,优化后的重量为 497.572kg,重量减轻了 11.97%,在满足运载辅助夹具功能和可靠性前提下，实现了运载辅助夹具轻量化设计的目的。在批量生产过程中每台运载辅助夹具材料成本降低了 291 元，为同类别产品的设计提供参考。
⑶通过对运载辅助夹具进行工艺规划，以底部框架为研究对象对其工艺进行逐一分析，通过计算、模拟仿真等方式得出下料、焊接、校型等工序的制造标准及选用合理加工设备。其中，确定了焊接部件的焊接标准，包括焊接连接形式、焊接工序选择、焊接设备选择等；定位结构的标准是针对每个零部件，保证零部件加工时每一道工序的标准均与设计标准统一；加工设备的选定在零部件工艺制定的过程中至关重要，针对每一种零部件的自身特点，结合设备利用率，合理选定专用加工设备，也是运载辅助夹具加工制造工艺标准制定的关键。
前景展望：
本课题对运载辅助夹具进行三维建模、优化设计、工艺标准制定进行了研究，虽提出了合适的方案，但是研究内容中仍有部分不足需要完善。
（1）针对运载辅助夹具在生产过程中的存在的产品质量缺陷多这一弊端，运载辅助夹具生产过程中应建立质量跟踪系统，此跟踪系统必须对部件进行实时扫描跟踪，将数据采集到终端，实时追踪产品质量、反应生产时间、核实生产工序等；
（2）采用模块化设计的理念，以 Visual Studio2017 和 C#为开发环境和开发语言，开发完整的数字化参数系统，开发完成后可以根据不同尺寸调用结构数据库，自动生成对应的模块化程序和结构；
（3）对于运载辅助夹具加工工艺系统参数化的设计。可将三维计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工艺过程设计（CAPP）系统进行集成，通过两种方式的集成，对于相似的零件可以高效的完成其工艺内容的编制工作。
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致 谢
毕业论文完成之际，意味着我人生中的研究生阶段也即将结束。回想起 3 年来的点点滴滴，我深切感受到自己是在多位老师，同学和亲朋好友的关爱帮助下，才一步一步地走到今天。感谢陪我一起度过美好时光的每位老师和同学们，正是由于你们的指导和帮助，我才能克服困难解决疑惑，顺利完成学业。
首先要感谢我的导师张海波教授，导师治学严谨、诲人不倦、平易近人、为人谦和，不仅在学习和生活中给予了我极大的指导与帮助，还使我懂得了许多做人的道理和对待人生的态度，对我影响颇深，这些都必将成为影响我今后学习、工作和生活的宝贵财富。从课题的选择到论文的最终完成，导师都始终给予我耐心的指导和支持，我取得的每一点成绩都凝聚着恩师的汗水和心血。导师开阔的视野、严谨的治学 态度、精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，在此谨向我的导师张海波教授致以衷心的感谢和崇高的敬意。
感谢范久臣教授对我科研思路的引导和帮助，使我的科研能力，理论水平，研究方法，组织与协调能力等方面得到很大的提高；他积极向上的人生态度，严谨务实的工作作风，坚韧不拔的性格魅力，深刻地感染着我，影响着我。
感谢张杰教授、赵立华教授、刘欢讲师在我的课题研究中对我的悉心帮助，在研究思路中提出宝贵的指导性意见。
感谢课题组的师弟师妹们与我一道分享他们青春的快乐！在此还要对课题组所有师兄弟姐妹们在平时开展相关工作中的支持和帮助一并表示感谢。感谢我的伙伴们在论文写作过程中提供的热心帮助！
感谢我的家人朋友们在三年的学习中一直给予我无条件的爱，给予我最大的精神支持，成为我完成学业的坚强后盾。
最后，我要向百忙之中参与审阅、评议本论文各位老师、向参与本人论文答辩的各位老师表示由衷的感谢！人生的每个阶段都值得好好珍惜，这段美好岁月，因为有你们的关心和帮助，我很幸福。把最美好的祝福献给你们，愿永远健康、快乐！
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