張正舉 潘 敏 汪 紅 張惠立 黎志梅

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545000）

基于頂蓋分拼定位的優(yōu)化集成設(shè)計(jì)分析

張正舉 潘 敏 汪 紅 張惠立 黎志梅

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545000）

汽車前期研發(fā)的樣車試制階段，白車身焊接的焊裝線與正式生產(chǎn)線有一定區(qū)別。綜合考慮人員、成本、場(chǎng)地等因數(shù)，采用結(jié)構(gòu)合理的軟工裝夾具，充分利用現(xiàn)有拼臺(tái)，優(yōu)化集成設(shè)計(jì)頂蓋分拼夾具，把分拼夾具集成在總拼拼臺(tái)上面，并沿用總拼夾具對(duì)頂蓋進(jìn)行定位和夾緊。使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)和調(diào)整，確保夾具定位精度滿足公差范圍，可以節(jié)約成本，同時(shí)提升頂蓋分拼的焊接效率和焊接精度。

樣車試制 白車身焊接 軟工裝夾具 頂蓋分拼 優(yōu)化集成設(shè)計(jì)

引言

隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，汽車前期研發(fā)工作在成本、質(zhì)量、時(shí)間等方面都需要得到有效提升，以加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，滿足市場(chǎng)的需求，增加公司品牌的市場(chǎng)占有率。前期研發(fā)的樣車試制階段是整個(gè)研發(fā)周期的重要環(huán)節(jié)之一?；谔摂M模型第一次轉(zhuǎn)換為實(shí)車的實(shí)踐，從樣車試制的騾子車階段到軟工裝階段，再到OTS階段，對(duì)零件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)制造、焊接裝配、整車試驗(yàn)提供有效的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

公司的快速發(fā)展，新車型研發(fā)項(xiàng)目也不斷增加，同時(shí)研發(fā)周期也不斷加快。對(duì)于樣車試制的白車身焊接，有很多方面可以進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如軟工裝夾具的設(shè)計(jì)、焊接工藝的編制、零件開(kāi)發(fā)周期和制造質(zhì)量、物流配送、焊接裝配質(zhì)量等。這里主要分析以提升頂蓋總成分拼焊接效率、焊接精度，降低成本來(lái)優(yōu)化頂蓋總成分拼夾具的設(shè)計(jì)，縮短白車身的制造周期，從而推進(jìn)后續(xù)工序的進(jìn)度。

1 頂蓋總成分拼焊接現(xiàn)狀分析

1.1 白車身焊接軟工裝

樣車試制和量產(chǎn)使用的工裝定位有很大區(qū)別。量產(chǎn)線的焊裝線設(shè)備齊全、功能完備，而在樣車試制階段，受成本、場(chǎng)地、時(shí)間限制，下車體、側(cè)圍、總拼都只布置了一個(gè)拼臺(tái)，然后共用一個(gè)補(bǔ)焊臺(tái)，沒(méi)有布置頂蓋分拼工位，軟工裝線布置方式如圖1所示。以總拼拼臺(tái)為例，把焊接完成的左右側(cè)圍總成裝配在總拼拼臺(tái)的左右兩邊，再用吊具把下車體裝配到定位銷上，然后采取手動(dòng)控制氣閥總拼，再把頂蓋橫梁和頂蓋放到拼臺(tái)上進(jìn)行焊接。這里定位零件的夾具稱為軟工裝，與正式工裝的最主要區(qū)別是沒(méi)有氣動(dòng)裝置。使用過(guò)程中采用手動(dòng)合閘方式，且裝配密集度較高，主要基于一個(gè)拼臺(tái)，完成一個(gè)大總成的裝配焊接。

1.2 頂蓋傳統(tǒng)焊接方式

公司以前樣車試制項(xiàng)目較少，沿用改制的方法和形式來(lái)進(jìn)行頂蓋總成的分拼焊接，主要采用兩種方法。一是劃線定位法，這種方法使用的工具簡(jiǎn)單，包括一把直尺或卷尺、一支記號(hào)筆、一臺(tái)二保焊機(jī)。第一步在UG里打開(kāi)頂蓋總拼數(shù)模，在頂蓋上選取一點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以基準(zhǔn)量取到每根頂蓋橫梁的距離；第二步，焊接時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的位置距離擺放橫梁；第三步，用二保焊點(diǎn)焊固定，最后再用電阻焊焊接。主要影響因素是因頂蓋有弧度，測(cè)量距離誤差大，如圖2（a）所示。另一種是限位定位法。第一步，總拼關(guān)夾好后，根據(jù)側(cè)圍上對(duì)應(yīng)的每個(gè)橫梁的沖壓印放置橫梁；第二步，用二保焊點(diǎn)焊固定；第三步，用電阻焊點(diǎn)焊，最后再放頂蓋進(jìn)行總拼焊接。影響因素主要是側(cè)圍上沒(méi)有沖壓印就不好放置橫梁，如圖2（b）所示。

圖1 軟工裝線布置平面圖

圖2 頂蓋傳統(tǒng)焊接方法

1.3 傳統(tǒng)焊接效果

通過(guò)焊接過(guò)程、焊接效率和焊接精度可以判斷，采用上述兩種方法焊接的效果不佳。主要表現(xiàn)在以下三方面：

（1）焊接效率低。每臺(tái)頂蓋分拼都需要?jiǎng)澗€，然后二保焊固定，再進(jìn)行電阻焊，非增值時(shí)間是焊接增值時(shí)間的5倍，且員工劃線過(guò)程中主觀因素影響大。

（2）焊接精度差。不能有效利用頂蓋橫梁的定位銷孔，采用橫梁的邊緣或數(shù)模測(cè)量距離都存在不精確性，誤差大，影響白車身合格率及總裝零件的裝配。

（3）缺少防錯(cuò)。頂蓋橫梁左右相似度高，一般有設(shè)計(jì)放錯(cuò)，橫梁上左右定位孔直徑不一樣，以便裝配時(shí)能保證橫梁左右位置正確，如圖3所示。此外，缺少了工裝定位時(shí)防錯(cuò)，在放置零件時(shí)易引起裝錯(cuò)情況。

圖3 頂蓋橫梁的設(shè)計(jì)放錯(cuò)

分析頂蓋總成分拼原有的焊接方式，存在諸多缺陷，為提升焊接效率和焊接精度、防止裝錯(cuò)，利用現(xiàn)有拼臺(tái)，優(yōu)化設(shè)計(jì)一套頂蓋夾具，使頂蓋總成分拼焊接規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

2 頂蓋總成分拼定位優(yōu)化集成設(shè)計(jì)

2.1 頂蓋分拼總成結(jié)構(gòu)組成

頂蓋分拼是總拼時(shí)的一個(gè)總成，主要分為非天窗頂蓋和天窗頂蓋，零件尺寸大，外觀弧度大，連接左右側(cè)圍，覆蓋車身頂部。頂蓋上需裝配多個(gè)內(nèi)飾件，按配置區(qū)別，會(huì)增加行李支架等。

以某車型為例，如圖4所示，主要由頂蓋，頂梁1#、2#、3#構(gòu)成，不局限于3根橫梁。有天窗時(shí)，增加天窗加強(qiáng)框。

圖4 頂蓋分拼總成及定位策略示意圖

2.2 頂蓋基準(zhǔn)定位策略（CDLS）

頂蓋CDLS如圖4所示，頂蓋（非天窗）分拼主要考慮頂蓋橫梁1/2/3的定位和焊接。每根橫梁左右各一個(gè)定位銷，銷孔直徑大小不一樣，左右各1個(gè)Z向定位面。其余定位為頂蓋外板的定位，尾端有兩個(gè)定位銷，前后各有兩個(gè)定位夾緊，左右各有四個(gè)定位夾緊。

2.3 采用總拼拼臺(tái)布置定位

基于成本優(yōu)先和節(jié)約場(chǎng)地，直接以總拼拼臺(tái)為基礎(chǔ)拼臺(tái)。在此拼臺(tái)上安裝頂蓋分拼夾具，如圖5所示，分析頂蓋分拼總成與總拼拼臺(tái)之間的位置關(guān)系。頂蓋分拼的定位Z向與立柱支撐Y向垂直，可以考慮用側(cè)圍支撐立柱Y向做支撐面定位頂蓋總成。

圖5 總拼拼臺(tái)

2.4 頂蓋分拼優(yōu)化集成設(shè)計(jì)

如圖6所示，為頂蓋分拼集成定位夾具結(jié)構(gòu)。

圖6 頂蓋分拼夾具關(guān)夾示意圖

合攏總拼拼臺(tái)，旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，分別把橫梁Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ放到對(duì)應(yīng)定位銷中；再放上頂蓋，頂蓋Z向夾具夾緊進(jìn)行焊接。焊接完成后，擰開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)到適合位置，用限位安全卡扣鎖緊。進(jìn)行天窗頂蓋焊接時(shí)，操作方式一樣，只是定位面不一樣，互不干涉。

（1）為能保證用一套夾具可以支撐3跟橫梁的定位，同時(shí)保證夾具與其他定位不發(fā)生干涉，增加過(guò)渡板在X向的尺寸，Y向上采用2個(gè)支基連接做支撐，以保證定位在X向和Y向的空間都能滿足；

（2）翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和限位安全卡扣裝配在連接板上面，定位銷和定位塊固定在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上。當(dāng)進(jìn)行頂蓋分拼焊接時(shí)，旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)到零件裝配位置，并用鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊；焊接完成后，打開(kāi)鎖緊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)到適合位置，并用限位安全卡扣限位固定，防止翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)起到安全保護(hù)作用；

（3）3根橫梁的定位銷Y向坐標(biāo)不一致，增加墊塊和支撐塊保證Y向坐標(biāo)，滿足各個(gè)定位銷和定位塊的支撐，且每個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)交錯(cuò)翻轉(zhuǎn)可以滿足支撐多個(gè)定位銷而不發(fā)生干涉；

（4）每個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)有差別，可以保證橫梁的定位差異性，設(shè)計(jì)成三角支撐方式；還可以同時(shí)滿足頂蓋（天窗）分拼焊接，定位塊定位天窗加強(qiáng)框；各定位塊Z向距離不一致，相互不干涉。

（5）定位好橫梁后，放上頂蓋，頂蓋的定位和固定沿用總拼時(shí)的夾具，不需再重新設(shè)計(jì)，以節(jié)省空間和成本。焊接時(shí)，關(guān)夾上頂蓋夾具，然后進(jìn)行焊接?？偲春附訒r(shí)，關(guān)夾頂蓋夾具，進(jìn)行總拼焊接。

2.5 強(qiáng)度校核

從整套夾具支撐和受力情況分析，它主要是支基承受彎曲應(yīng)力和螺栓受剪切力作用。由UG分析，夾具重量取整40kg，頂蓋總成取整20kg。計(jì)算時(shí)，以如圖7所示的懸臂梁形式進(jìn)行。

（1）支基彎曲強(qiáng)度校核。支基承受Z向作用力G=400+200=600N，主要承受自身重量，梁長(zhǎng)度小于1000，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不會(huì)引起彎曲變形。

（2）螺栓剪切強(qiáng)度校核。支基與支基、支基與立柱之間采用螺栓連接。這里主要考慮支基與立柱間螺栓所受剪切應(yīng)力?，F(xiàn)使用螺栓（M10），一般選用8.8級(jí)的低碳合金鋼材料，采用4顆固定，屈服極限σs=640MPa；螺栓承受靜載荷，許用應(yīng)力[τ]=σs/2.5=256MPa，強(qiáng)度條件公式：

式中，m為接合面數(shù)目，取1；受剪切作用力F=G=600N。查表，M10螺栓小徑d0=8.376。帶入數(shù)值，解得τ=3MPa＜[τ],滿足強(qiáng)度。

3 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化集成設(shè)計(jì)，基于現(xiàn)有總拼拼臺(tái)合理布置頂蓋分拼夾具，滿足了頂蓋分拼的定位和支撐。支撐方式沿用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單實(shí)用、安全可靠?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證效果表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作方便，裝配和焊接效率顯著提高，并提升了焊接質(zhì)量和焊接精度。

[1]宋曉琳.汽車車身制造工藝學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]王純祥.焊接工裝夾具設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3]陳載賦.材料力學(xué)簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].重慶：重慶出版社，1986.

Based on the Top Points to Optimize the Design of the Integrated Analysis of Spell Positioning

ZHANG Zhengju, PAN Min, WANG Hong, ZHANG Huili, LI Zhimei
(Saic gm wuling automobile co., LTD,Liuzhou 545000)

Car early development of a prototype trialmanufacture phase, white body welding welding line and formal production line has a certain difference. Comprehensive consideration of factor such as personnel, cost, space, using soft jig of reasonable structure, make full use of existing spell, and to optimize the design of the integrated roof spell fixture, spell points fixture integration in total spell spell table above, and continue to use the total spell fixture positioning and clamping on the top. Three coordinates measuring instrument were used to detect and adjust to ensure that the fixture positioning precision meet the tolerance range, fixture assembly, designed by adopting this method can save costs, while increasing the top points of welding efficiency and precision.

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