李力強，呂蘇華，李友力

(1.長春工程學院，吉林長春130012；2.一汽轎車股份有限公司，吉林長春130012)

白車身點焊焊點的三維定位數(shù)據(jù)庫

李力強1，呂蘇華1，李友力2

(1.長春工程學院，吉林長春130012；2.一汽轎車股份有限公司，吉林長春130012)

針對目前國內(nèi)汽車產(chǎn)品開發(fā)過程存在的主要問題，在滿足產(chǎn)品性能的前提下進行了產(chǎn)品結構優(yōu)化，并依據(jù)現(xiàn)有的焊鉗，通過采用電極結構尺寸仿真法制作了一個白車身點焊焊點的三維定位數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)焊點可焊性識別，為點焊的焊點定位設計和審查提供可靠依據(jù)，這將大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，加快國內(nèi)汽車車型更新速度，為汽車早日投入批量生產(chǎn)、搶占市場贏得時間，提高了中國汽車的競爭力。

結構優(yōu)化；仿真；三維定位數(shù)據(jù)庫

0 前言

隨著社會的不斷發(fā)展，人們對汽車的需求量不斷上升，同時對汽車車型的需求也越來越多，這就促使汽車制造商要不斷開發(fā)新的車型。目前中國汽車行業(yè)的車型更新速度比發(fā)達國家慢，較慢的車型更新速度在一定程度上降低了中國汽車產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。新車型的更新速度取決于產(chǎn)品開發(fā)周期，開發(fā)過程主要包括產(chǎn)品設計、工程設計和試生產(chǎn)調(diào)試。其中產(chǎn)品設計是決定開發(fā)周期長短的主要因素，產(chǎn)品設計的合理性直接決定了后續(xù)工程設計和試生產(chǎn)調(diào)試周期的長短。

1 國內(nèi)現(xiàn)狀和存在的主要問題

目前中國汽車業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)過程主要存在兩方面的問題：

(1)開發(fā)周期很長。產(chǎn)品設計是由產(chǎn)品部門設計，接著由工程設計人員對產(chǎn)品設計合理性進行審核，若發(fā)現(xiàn)問題反饋給產(chǎn)品部門。而這兩個步驟目前主要依靠設計人員個人的經(jīng)驗，這就導致在工程設計中選擇夾具和焊鉗時會出現(xiàn)問題，例如，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些焊點即使采用特種焊接也不能實現(xiàn)，造成產(chǎn)品結構重新設計，整個過程重新開始，大幅度延長了開發(fā)周期，使得新車型推遲投產(chǎn)，降低汽車廠商的競爭力。

(2)開發(fā)過程采用傳統(tǒng)方式。目前國內(nèi)的汽車廠家大都根據(jù)產(chǎn)品結構和焊點位置去選擇焊鉗和夾具，因此導致夾具和焊鉗結構復雜、種類繁多，大幅增加了維護成本。例如，目前一汽轎車股份有限公司生產(chǎn)四種車型，在年產(chǎn)量20萬輛時，一共需要大約800種焊鉗，購買費用就高達1 600萬元，維護和備件費用預計還要高于這個數(shù)值。

2 理論和實際應用價值

為了改變目前這種狀態(tài)，需要在滿足產(chǎn)品性能的前提下，進行產(chǎn)品結構優(yōu)化，并依據(jù)現(xiàn)有的焊鉗，制作一個三維定位數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)焊點可焊性識別，為點焊的焊點定位設計和審查提供可靠依據(jù)，既可縮短開發(fā)周期，又可降低維護成本。這對于推動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強企業(yè)競爭力，具有極其重要的實際意義，經(jīng)濟效益顯著，且潛在的市場需求巨大。

2.1 產(chǎn)品結構優(yōu)化

著重分析目前影響車身質量、操作效率的結構，盡可能避免在產(chǎn)品設計中出現(xiàn)以下問題：

(1)需要CO2焊接或者其他特殊焊接方法才能實現(xiàn)的結構。

(2)需要特殊角度或多角度焊鉗操作才能實現(xiàn)的結構。

(3)避免出現(xiàn)焊接熱影響造成表面外觀變形的結構。

(4)多層板焊接和厚板焊接結構。

為此，需要總結白車身焊接的典型結構種類和特征，根據(jù)常用焊鉗結構尺寸確定最合理的產(chǎn)品結構尺寸，在產(chǎn)品設計結構評審階段對不合理的結構進行優(yōu)化。

2.2 焊鉗三維數(shù)據(jù)庫的建立

在焊鉗設計方面，首先應建立基于現(xiàn)有焊裝車間采用的焊鉗的3D數(shù)模數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計已有焊鉗、焊輔的規(guī)格，列出已有焊鉗窗口尺寸的選型必要參數(shù)，以此作為焊鉗選型的依據(jù)。在產(chǎn)品設計階段，同步運用三維建模軟件對設計結構進行焊接操作模擬仿真，以避免出現(xiàn)焊鉗難以實現(xiàn)的結構。這樣做具有以下意義：

(1)通過建立已有焊鉗資料數(shù)據(jù)庫，為焊鉗更改設計提供數(shù)據(jù)基礎和選型依據(jù)，有利于發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中多余的焊鉗種類，取消特殊結構的焊鉗，減少備件，同時為后續(xù)車型的產(chǎn)品設計提供選型基礎，減少后續(xù)車型所需焊鉗種類，減少備件，減少成本投入。

(2)在三維仿真焊接模擬中，引入了電極結構尺寸仿真法，有效提高了仿真效率。

3 典型的搭接結構

3.1 典型的結構

白車身焊接中的幾種典型的結構形式如圖1～圖4所示，這些結構形式的影響有：焊點位置、焊接順序、焊點排列等，若結構太復雜將會給操作帶來困難。

圖1 兩板皆為平面

圖2 其中一板有法蘭

圖3 法蘭外側有拐角

圖4 筒形結構

3.2 常見的缺陷結構類型

在產(chǎn)品各種典型結構中，常見的缺陷結構類型有以下幾種。

(1)修邊短，造成焊接強度或表面不良。

白車身總成側圍與地板焊接處門檻結構易產(chǎn)生如圖5、圖6所示的缺陷。

表1列出了在鋼板厚度和焊接技術條件相關的法蘭幾何尺寸。

圖6 半點缺陷

表1 與板厚和焊接條件相關的法蘭幾何尺寸

改進方法：加長修邊長度，避免分流或強度不足，修邊尺寸如圖7所示。

圖7 修邊尺寸

(2)焊點熱變形影響外表面質量。

頂蓋總成四周焊點由于熱變形，四周修邊出現(xiàn)了波浪缺陷，如圖8、圖9所示。

改進方法：通過產(chǎn)品重新設計，消除此類結構。

(3)需要非點焊類的焊接方法。

白車身總成尾部補焊焊點由于無法點焊，使用CO2補焊和合理的點焊解決方法，如圖10、圖11所示。

圖8 頂蓋總成

圖9 奧迪頂蓋總成(該處無焊點)

圖10 CO2補焊

圖11 奧迪點焊形式

改進方法：按照其他車型搭接形式重新設計產(chǎn)品，減少此類結構。

(4)特殊角度或多角度焊接。

地板輪罩總成焊接表面為相互垂直的面，且兩個面都是斜面，操作困難，如圖12所示。

圖12 兩處焊接表面相互垂直

改進方法：通過產(chǎn)品重新設計，消除此類結構。例如采用整體鋁合金鑄造結構。

(5)多層板焊接或厚板焊接。

側圍總成與地板總成拼焊的多層板情況如圖13所示。

改進方法：通常四層板中都是兩兩板已經(jīng)焊好的，只需將四層板中的兩層外板做鏤空處理，就將四層板轉化成了容易焊接的兩層板，并仍能保證強度要求。

圖13 多層板焊接

4 焊鉗三維數(shù)據(jù)庫的建立與仿真

4.1 建立已有焊鉗資料數(shù)據(jù)庫

為了更清晰的查看所有焊鉗、焊輔的資料情況，制作了焊鉗焊輔數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中列出了焊鉗型號、電極帽型號、電極柄型號、握桿型號、電極接頭型號，通過點擊圖紙鏈接即可快速的查看每個零件對應的圖紙、焊鉗對應的圖紙，如圖14所示。數(shù)據(jù)庫還列出了該焊鉗所對應工位和制件信息，方便進行三維仿真分析。

4.2 電極結構尺寸仿真

4.2.1 傳統(tǒng)仿真存在的問題

用傳統(tǒng)的仿真方法進行焊鉗操作性模擬時，通常有以下步驟：(1)焊鉗模擬；(2)焊點距離修邊線尺寸測量；(3)電極帽與零件間的距離測量；(4)判斷以上測量數(shù)據(jù)，能否滿足焊接要求。為此，仿真時需要測量大量的數(shù)據(jù)，白車身總成包含了6 000多個焊點，對每一個焊點處進行計算、測量，工作量非常大，仿真所消耗的時間也很長。

4.2.2 電極結構尺寸仿真

為了解決這個問題，提出了一種通過增大電極帽尺寸進行快速仿真的方法，稱為電極結構尺寸仿真，如圖15所示。目前所用的電極帽種類一般只有φ 16和φ 13兩種。只需在該尺寸上增加一個量，增大其模型，在仿真過程中，只要保證增大的模型滿足與工件不干涉、不越過修邊線等條件即可，該模型與工件的干涉情況可以方便的通過CATIA中的干涉檢查功能進行觀察，直接判斷是否干涉即可，從而達到快速仿真的效果。

經(jīng)過優(yōu)化后適于仿真的電極帽：

(1)將電極端頭(模擬焊點區(qū))半徑增大邊緣距離V＝3.9 mm，原來端頭直徑為5.0 mm，增大后的電極端頭直徑變?yōu)?2.8 mm。

圖14 焊鉗模型數(shù)據(jù)庫

(2)將電極帽直徑量增大A，A是電極帽與導電體的最小距離，A＝2.0 mm。以φ 16的電極帽為例，優(yōu)化后直徑變?yōu)棣?20，如圖15所示。將車型、焊鉗3D數(shù)據(jù)導入到CATIA裝配設計中，根據(jù)工藝文件對焊點進行仿真。

圖15 優(yōu)化后的電極帽

完成電極帽的優(yōu)化后，對CatiaV5的裝配模塊進行干涉檢查，仿真效果如圖16～圖18所示。

在圖19中的標注處發(fā)生了干涉，為干涉區(qū)域，干涉量為1.25 mm。

5 結論

通過產(chǎn)品設計的合理性評審，將大大減少焊點設計影響焊接操作和焊接后白車身質量的可能性，縮短產(chǎn)品開發(fā)所引起的焊鉗種類和焊接方法的增加，減少設備和工裝的投入。

圖16 白車身焊接總成－主焊線

圖17 焊點仿真

通過采用電極結構尺寸仿真法，減少仿真時間，縮短了開發(fā)周期，為汽車早日投入量產(chǎn)，搶占市場贏得了時間。

Establishment of welding spots 3D positioning database for BIW

LI Li－qiang1，LV Su－h(huán)ua1，LI You－li2
(1.Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China；2.Faw Car Co.，Ltd.，Changchun 130012，China)

To resolve the main problems of designing the new products，car structures are optimized on the premise that capability is met，and 3D positioning database of welding spots in BIW is established using simulation electrode's dimension and structure，which depend on existing clamp to ensure weldability of welding spots.This 3D positioning database provides reliable database to design and check up welding spots，which can shorten the time of the design and reduced the cost.These quicken the updating speed of car types and increase competitiveness of China's automobile products in world markets.

optimized structures；simulation；3D positioning database

圖18 干涉區(qū)域

圖19 干涉尺寸

book=6,ebook=38

TG409

B

1001－2303(2012)06－0053－06

2012－05－06

李力強(1963—)，女，吉林長春人，教授，主要從事焊接工藝方面的科研工作。