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1、硕士研究生学位论文开题报告题目：汽车白车身前后门焊装夹具设计及机器人仿真关键技术研究学 院：汽车工程学院专 业：车辆工程学 号：M060111109姓 名：徐小剑导 师：杨国平日 期：2012年 12月 日研 究 生 处 制摘 要轿车白车身是汽车的重要组成部分，是构成汽车的四大部分之一，是诸多汽车零部件的载体。车身焊接作为白车身制造四大工艺之一，车身焊接的质量、精度、生产效率对整车的质量、精度、生产效率有着直接的影响。在大规模制造方式下，生产流水线是提高产品质量和生产效率的有力工具，在白车身焊接生产过程中也不例外。本文研究的是白车身前后门内板总成某工位的焊装夹具设计，这是轿车的白车身车门焊装夹
2、具设计工作中的第一步。本研究首先介绍了白车身的特点，对焊装夹具的特点和设计要求做了详细介绍，这两部分的内容是白车身焊装夹具设计的基础。本研究的重点之一是对车身前后门内板总成进行三维夹具结构的设计，并建立了夹具标准件库，体现了柔性设计思想。本研究首先分析了客户（主题厂）的工艺仕样书，在设计经验的基础上总结出夹具设计的逻辑结构，以此为设计指导，在分析了车身前后门内板总成的结构之后，同时对焊枪的选型进行了介绍。之后是对已完成的三维夹具进行二维设计，包括基准图的绘制和元件的尺寸标注。基准图详细描述了工件的定位点，因此，对夹具的设计有重要的参考意义。二维尺寸标注部分不但详细具体介绍了尺寸、公差的标注的原
3、则、方法，而且用具体、有代表性的例子进行了详细说明。本研究的另一个重点是焊接机器人的焊接仿真。分析了多机器人的焊接路径优化问题及多机器人间防干涉问题，建立了相关数学模型，并研究了相关算法，编制了程序，得出了初步解决方案。本研究设计了机器人的车身前后门的焊接路径，运用 Robcad 设计并运行证明了该路径的合理性。关键词：白车身，前后门，焊装夹具，机器人仿真1. 选题来源、背景和意义1.1 选题来源作为“卓越工程师”培养计划一员，本课题来自上海通用汽车有限公司沈阳北盛分厂，由作者所在实习单位上海德梅柯汽车装备制造有限公司负责设计生产，公司项目编号为DEMC12-031。1.2 选题背景和意义汽车
4、是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的现代化工具。没有哪种机械产品像汽车那样对社会产生如此广泛而深远的影响。轿车工业发展水平不仅反映了一个国家经济发展和人民生活的水准，而且也反映了一个国家科学技术和文明的水平。据中国汽车工业协会 2006 年 12 月 9 日提供的最新统计，按照 2006 年 1 月到 11 月的进度，2006 年全年中国汽车产销有望首次突破700万辆大观。在 2006 北京国际汽车高峰论坛上，中国汽车工程学会理事长张小虞对中国入世五年带给中国汽车的影响时表示，国内汽车的产量在入世的 5 年内增长了 3倍，中国在全世界汽车产业的排序从过去的第 8 位上升到前 3位。
5、中国已经成为汽车产业大国。要想迈入汽车产业强国行列，我国汽车工业必须努力打造自主品牌、加速技术创新、提高自主知识产权的比重、调整产品结构、促进产品创新和管理机制创新，从总体上提高我国汽车行业的制造水平和能力，增强汽车行业的国际竞争力，加速我国汽车行业的国际化进程。目前世界汽车工业中研究最活跃、发展最迅速的领域之一是汽车车身工程。在汽车 100 多年的发展历史中，汽车车身经历的变化最多。车身的制造对汽车企业的整车生产能力有重要影响。汽车的更新换代在很大程度上取决于车身技术的发展。汽车白车身是汽车其他零部件的载体，是以“钢结构”为主的支撑部件。就轿车车身的设计成本而言，约占整车总成本的一半。它通常
6、有 300 至 500 多个形状复杂的薄板冲压零件，在 5575 个工位上大批量、快节奏的焊接而成。生产时，装夹定位点多达 17002500 个，焊点多达 40005000 。白车身焊接质量的优劣对整车质量起着决定性作用。因此，白车身焊接技术十分重要，它是提高产品质量和生产效率的关键。设计结构优良、定位精度高的焊装夹具对确保车身外型美观具有重大意义。2. 文献综述2.1 国外研究现状在汽车100多年的历史中，汽车的任何部分都没有像轿车车身那样经历了这么多的变化。作为轿车四大总成之一的轿车车身是当今各类高新技术发展的集中载体，而国内外轿车生产的实践也一再证明轿车发展的关键主要就在轿车车身上：轿车
7、整车生产能力的发展取决于轿车车身的生产能力；轿车的更新换代也很大程度的取决于轿车车身技术发展。轿车车身工业是目前世界汽车工业中研究最活跃而发展又最迅速的一个领域。轿车车身的发展史代表了白车身的发展史，它经历了从无到有、由不完善到完善的过程。1886年，世界上第一辆汽车诞生，但几乎没有车身；1902至1908年，轿车车身仍多为敞篷式，但在轿车车身前面加了风档，并逐渐出现脱离了马车车身结构形式的趋势，已出现金属车身；1915年生产的福特T型车是典型的箱型轿车，它确立了完整的轿车车身概念，确立了以后轿车的基本车身造型；1925年，承载式轿车问世，车身由钢板冲压成型的金属结构件和大型覆盖件组成，这种金
8、属结构的车身一直沿用至今。轿车车身历史的转折时期是1928年当时美国费城Budd公司运用了由大型冲压件组成的带门洞和窗洞的全金属的一项专利，用薄钢板冲压出车身所有的构件并将各部分进行对焊，通过减少零件和连接件数量大大减少了生产工序，降低产品成本；30年代末至40年代中期，由于二次世界大战使得轿车车身研究工作基本上中断，许多国家轿车停止了生产，但军用吉普车却得到大力发展；50年代是轿车车身发展的黄金时期，工业美术设计的概念被提出，承载式轿车车身得到广泛的应用并出现广“车身力学”这一概念，轿车车身设计建立了较为完整的框架；探索轿车车身新材料是60年代这一时期的主要特点，诸如复合材料、铝合金材料以及
9、工程塑料在车身中得到应用；随着计算机技术不断进步，计算机技术在车身研发中的应用成为70年代轿车车身领域的主题，CAD技术的应用就是其中的代表；20世纪80年代以后，轿车车身各分支技术朝着更深入、更系统的方向发展：在车身材料方面，就金属材料而言，应用于轿车车身高韧性的超高强度钢不断问世，并大量采用具有良好的防腐蚀性镀锌钢板，大量的非金属材料已较成熟地应用于轿车车身，所占整个车身材料的比例也逐年增加，出现了全铝车身和全塑料复合材料车身等。相关的加工工艺方法（如冷冲压、特种材料成型加工、各种形式的焊接、喷漆、电镀、塑料成形等）也日新月异且不断完善。轿车车身CAD、CAE、CAM技术不断发展成熟，并逐
10、步形成设计及制造计算机集成系统，技术发展与应用使得现代轿车车身在各方面发生了质的飞跃。迈进21世纪以后，轿车车身正朝着轻量化、造型个性化、电子及信息集成化、设计制造虚拟数字化等方向发展。现代轿车车身技术发展趋势是：安全性、舒适性、环保性有机结合；智能化、数字化、人性化和谐统一；现代科技创新的最新成果在轿车车身上得以充分运用。在20世纪30年代到20世纪50年代，对于大批量、少品种的生产情况，一般采用自动流水线制造设备，包括物流设备和相对固定的加工工艺，这可称为刚性自动化（Fixed Automation）方式。自动流水线设备的价格通常相当昂贵，设备固定，不灵活，只能加工几个指定工件。如果要改变
11、产品的品种，自动流水线需要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大。柔性制造系统的出现改变了这一状况。柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）是1967年诞生于英国的一种高效率的，以及对产品和市场变化适应力很强的先进生产系统。由于柔性制造系统还在发展，所以其概念尚无统一的定义，但综合起来可以认为：柔性制造系统是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机软件科学，把工厂生产活动中的自动化设备有机地集成起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，使产品设计、生产相互结合而成的，适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、高效率的制造系统。由于FM
12、S具有较高的生产率和对产品及市场的应变能力，使其在制造领域得到了广泛的应用，尤其在英国、美国、日本、德国等工业化国家，FMS的应用和研究都处于这一领域的前列。一般说来，柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后，夹具还能适应继续使用的应变能力。但是工件变化可以在小范围，即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内，也可在大范围，即零件形状完全不同，尺寸变化也很大。所以，柔性夹具还是含糊的，没有明确的定义和界限。目前，装焊夹具设计仍然是汽车柔性制造系统中的瓶颈，因为夹具的通用性很弱，专用性很强，不同的车型很难在相同的夹具上完成装焊任务，因此装焊夹具设计重点、难点在于如何提高夹具的“柔性”，以适应汽车现代化
13、制造的要求。而这不仅仅是夹具本身的问题，还与汽车车身的设计密切相关。为了最大程度的解决这个难题，应该从车身设计和夹具两方面入手。在车身设计方面，需要解决的关键问题是，如何尽量多地使同一车型不同品种的汽车采用相同或相似的车身结构，从而方便装焊夹具的柔性设计；在夹具设计方面，需要解决的关键问题是，对于现有夹具创新研究的同时，也要在夹具原理和结构方面进行创新研究，寻求原理、结构方面的突破。汽车工业的焊接发展趋势是发展自动化柔性生产系统。而工业机器人，因集自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了机器人。在焊接方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。特别是近几年，国内的汽
14、车生产企业非常重视焊接的自动化。如一汽引进的捷达车身焊装车间的13条生产线的自动化率达80%以上，各条线都由计算机（可编程控制器PLC-3）控制，自动完成工件的传送和焊接。焊接由R30型极坐标式机器人和G60肘节式机器人共61台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输入和输出程序。机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。德国大众的Multivan T5车型焊接生产线上，76的工作由750台机器人完成，代替了1430个工人的工量，在5327个焊点中，4674个焊点由点焊机器人完成。在汽车生产中应用得比较
15、成功的点焊机器人有美国的Unlmate和Versatron，意大利的Deltix6。特别是美国的Unlmate点焊机器人在各国的车身制造中应用的更为普遍。在国内，点焊机器人主要用于车身焊接的侧围、车身总成合焊等工位。它的广泛使用，实现了车身焊接的柔性化生产方式多品种的混线生产。2.2 国内研究现状随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会。预计国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。而采用焊接
16、机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，也必将为汽车产业的发展带来新的生机。相信，在不久的将来，通过共同努力，国内汽车行业的焊接技术会逐步缩短与国外先进焊装技术水平的差距，迎接WTO带给汽车工业的机遇和挑战。3. 研究内容白车身焊接是一个复杂的问题，它涉及较多的因素，有些因素之间还有一定的联系。本文主要研究内容如下：1) 轿车白车身焊接相关技术的研究。白车身焊接是汽车制造过程中非常重要的环节，而轿车的白车身焊接要求更严格，夹具的定位精度为毫米级，整车焊接后的精度要求控制在2mm范围内，甚至更高。因此，本研究首先介绍了白车身的特点，对装焊夹具的特点和设计要求做了详细介绍，这两部分的内容是白车身装焊夹具设计的基础。另外，本文对柔性夹具的相
