□ 汪永輝 □ 李 鷹 □ 徐靜芬

上汽大眾汽車有限公司 上海 200030

1 設(shè)計(jì)背景

隨著近幾年汽車行業(yè)的高速發(fā)展,新車型的研發(fā)周期逐漸縮短。樣車試制是新車型研發(fā)過(guò)程中的重要一環(huán),一般分為白車身焊接和零件總裝兩個(gè)主要部分。白車身通常由300～500個(gè)沖壓零件焊接而成[1],車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜,剛性差,易變形,制造偏差難以控制,而焊接質(zhì)量又對(duì)汽車安全性有重要影響[2]。焊接夾具可以保證焊接件的相對(duì)位置和尺寸精度,減小焊接過(guò)程中的變形,是白車身所有零件總成的平臺(tái)[3]。焊接夾具的設(shè)計(jì)和制造周期在很大程度上決定了白車身的制造周期,因此對(duì)白車身總拼焊接夾具進(jìn)行變型設(shè)計(jì)具有重要意義。

在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)中,試制產(chǎn)業(yè)起步較晚,樣車試制周期普遍較長(zhǎng),從而延后了新車型的上市時(shí)間。通過(guò)對(duì)白車身總拼焊接夾具進(jìn)行變型設(shè)計(jì),可以有效縮短白車身的總拼焊接時(shí)間,進(jìn)而縮短樣車試制周期。

針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的缺點(diǎn),筆者根據(jù)試制過(guò)程中白車身總拼焊接夾具的特點(diǎn),按照裝配級(jí)變型設(shè)計(jì)的產(chǎn)品建模方法,建立白車身總拼焊接夾具模型,再通過(guò)對(duì)車身基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)[4]、三向機(jī)構(gòu)、型面參數(shù)化的調(diào)整和替換,快速實(shí)現(xiàn)白車身總拼焊接夾具的變型設(shè)計(jì)。

2 白車身總拼焊接夾具組成

白車身總拼焊接夾具一般由側(cè)框焊接夾具、車頂焊接夾具、后圍焊接夾具、衣帽架焊接夾具等部分組成[5],如圖1所示。

圖1 白車身總拼焊接夾具組成

3 精度控制要點(diǎn)

基于上述白車身總拼焊接夾具的組成,提出三方面精度控制要點(diǎn)。

(1) 保證龍門(mén)裝配尺寸。龍門(mén)的裝配尺寸是整車外觀間隙階差的基礎(chǔ),當(dāng)總成焊接不包含側(cè)圍模塊時(shí),底板基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)作為主要的定位基準(zhǔn)[6]。在分裝夾具中,與前后立柱有關(guān)的分總成裝焊都必須直接用前后立柱定位,并且從分裝到總裝定位基準(zhǔn)應(yīng)統(tǒng)一。當(dāng)總成焊接包含側(cè)圍模塊時(shí),龍門(mén)應(yīng)在側(cè)圍焊接夾具上形成。

(2) 保證前后懸置孔位置準(zhǔn)確度。車身前后懸置孔的位置準(zhǔn)確度是車身整體尺寸精度的關(guān)鍵點(diǎn),保證和控制車身整體尺寸在公差范圍內(nèi),必須確保前后懸置孔的位置準(zhǔn)確度。車身底板上的懸置孔一般沖壓在底板加強(qiáng)梁上,裝焊時(shí)要保證懸置孔的相對(duì)位置,以便使車身順利下落到車架上,這也是后序涂裝、總裝工藝懸掛和輸送的基礎(chǔ)。

(3) 保證前后風(fēng)窗口裝配尺寸。前后風(fēng)窗的裝配尺寸是車身焊接中的關(guān)鍵控制項(xiàng),涉及整車外觀。若前后風(fēng)窗尺寸控制不佳,則會(huì)直接影響前機(jī)蓋與前翼子板、后側(cè)圍與行李廂蓋的裝配及外觀質(zhì)量。前后風(fēng)窗口一般由外覆蓋件和內(nèi)覆蓋件組成,一部分在前后圍總成上形成,應(yīng)用分裝夾具時(shí)需注意解決定位問(wèn)題;一部分在總裝夾具上形成,通過(guò)專用風(fēng)窗口定位夾具對(duì)風(fēng)窗口進(jìn)行精確定位,以保證風(fēng)窗口的裝配尺寸,從而保證車身的整體尺寸受控。

4 變型設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

通過(guò)總結(jié)大量設(shè)計(jì)實(shí)例,將白車身總拼焊接夾具變型設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容歸納為五個(gè)方面。

(1) 數(shù)量變化。白車身輔助定位面產(chǎn)生變化,在總拼焊接夾具上體現(xiàn)出夾緊位置的增多與減少,通過(guò)對(duì)夾具型面及夾頭陣列進(jìn)行改變,實(shí)現(xiàn)數(shù)量上的變化。

(2) 型面變化。開(kāi)發(fā)新車型,必然會(huì)體現(xiàn)出型面變化。將這種變化體現(xiàn)在總拼焊接夾具上,使夾具的型面發(fā)生變化。

(3) 位置變化。白車身輔助定位面的位置產(chǎn)生變化,通過(guò)改變總拼焊接夾具型面和夾頭的位置與之相匹配,可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)夾具的變型設(shè)計(jì)。

(4) 連接變化。連接變化有兩層含義:一是連接方式變化,包括螺紋連接、焊接、鉚接、過(guò)盈連接等;二是各種連接方式下連接結(jié)構(gòu)變化。通過(guò)改變連接方式和連接結(jié)構(gòu),可以得到不同的結(jié)構(gòu)。

(5) 尺寸變化。尺寸包括長(zhǎng)度、距離、角度等,通過(guò)改變總拼焊接夾具分總成的尺寸,實(shí)現(xiàn)夾具的變型設(shè)計(jì)。

5 產(chǎn)品控制模型

以上五種變化是相互關(guān)聯(lián)的,白車身總拼焊接夾具的變型設(shè)計(jì)通常包括其中的幾種變化,因此單純采用參數(shù)化技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)[7]。對(duì)此,從裝配角度出發(fā),建立相應(yīng)的模型來(lái)控制多種形式的變化[8-10],由此提出產(chǎn)品控制模型。

5.1 定義與內(nèi)涵

在產(chǎn)品建模過(guò)程中,用關(guān)鍵工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和全局設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)草圖、基準(zhǔn),以及產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面,再由這些草圖、基準(zhǔn),以及產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面組成產(chǎn)品三維布局結(jié)構(gòu),稱為產(chǎn)品控制模型。通過(guò)幾何元素的相關(guān)復(fù)制將相關(guān)聯(lián)的信息傳遞至子裝配體,作為子裝配體的主要參數(shù),同時(shí)可以在子裝配體中添加參數(shù),層層下發(fā)傳遞信息。在構(gòu)建產(chǎn)品控制模型時(shí),注重最初的產(chǎn)品總體布局,捕獲和抽取各個(gè)子裝配體和零件間的基本特征及相互關(guān)聯(lián)性,這是產(chǎn)品控制模型的內(nèi)涵。

5.2 表達(dá)關(guān)系

產(chǎn)品控制模型中的所有幾何關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系、裝配關(guān)系都能夠?yàn)橄乱患?jí)使用,不僅可以控制子裝配體空間位置的分布和大小,而且可以表達(dá)具有配合、約束關(guān)系的零件間幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系。通過(guò)預(yù)留模塊接口的方式,產(chǎn)品控制模型為模塊間的銜接提供了有利保障。

(1) 幾何關(guān)系。在產(chǎn)品控制模型中,主要由基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面、草圖,以及產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面等基本元素組成幾何關(guān)系。進(jìn)行自頂向下的設(shè)計(jì)時(shí),產(chǎn)品控制模型將為產(chǎn)品總裝配體、子裝配體及具體零件提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)和坐標(biāo)。以上基本元素是產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),同時(shí)也是產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的核心。通過(guò)編輯基本元素,可以對(duì)產(chǎn)品中的重要幾何關(guān)系進(jìn)行修改。

(2) 拓?fù)潢P(guān)系。在產(chǎn)品初始設(shè)計(jì)階段,為產(chǎn)品中的各個(gè)子裝配體及零件分配準(zhǔn)確的空間位置與大小是至關(guān)重要的。在產(chǎn)品控制模型中,不但需要考慮零件間的定位關(guān)系和相互之間的配合、約束關(guān)系,而且還需要考慮子裝配體的位置分布、接口等問(wèn)題。產(chǎn)品控制模型可以認(rèn)為是產(chǎn)品三維布置圖,從產(chǎn)品的最頂層到零件詳細(xì)設(shè)計(jì),都能夠充分反映產(chǎn)品中存在的拓?fù)潢P(guān)系,如圖2所示。

(3) 裝配關(guān)系。產(chǎn)品控制模型為產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件分配空間位置。進(jìn)行裝配時(shí),采用原坐標(biāo)系絕對(duì)定位,可以確定關(guān)鍵零件在產(chǎn)品中的位置及規(guī)定的空間區(qū)域,對(duì)非關(guān)鍵零件進(jìn)行貼合、平行、對(duì)齊、對(duì)中等裝配操作。當(dāng)產(chǎn)品控制模型中控制位置的關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化時(shí),關(guān)鍵零件的位置也發(fā)生變化,其它相關(guān)聯(lián)的零件受裝配約束影響自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 產(chǎn)品控制模型拓?fù)潢P(guān)系

6 變型設(shè)計(jì)實(shí)例

朗逸是上海大眾的一款熱賣車型,以其白車身總拼焊接夾具為實(shí)例進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。朗逸車型白車身總拼焊接對(duì)象主要有底板、側(cè)圍、車頂、衣帽架、前上縱梁等,龍門(mén)骨架、型面塊、夾頭、三向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、工業(yè)鋁型材是朗逸車型白車身總拼焊接夾具的主要組成部分。

6.1 構(gòu)建頂層產(chǎn)品控制模型

朗逸白車身底板和側(cè)框的控制點(diǎn)見(jiàn)表1。構(gòu)建頂層產(chǎn)品控制模型時(shí),以這些控制點(diǎn)為基礎(chǔ),通過(guò)線、面的擴(kuò)展完善模型。底板總成是總拼焊接夾具定位的基準(zhǔn),因此選取白車身基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)的點(diǎn)作為模型控制點(diǎn)。底板控制點(diǎn)分布如圖3所示,其中UC1和UC5為主控制點(diǎn),分別控制X、Y、Z方向和Y、Z方向,其它為輔助控制點(diǎn),用于Z方向的支撐。側(cè)框控制點(diǎn)分布如圖4所示,共有16個(gè)控制點(diǎn)。其中,SC1、SC6為主控制點(diǎn),其它為輔助控制點(diǎn)。

圖3 底板控制點(diǎn)分布

表1 底板和側(cè)框控制點(diǎn)

圖4 側(cè)框控制點(diǎn)分布

6.2 構(gòu)建產(chǎn)品控制模型

在頂層產(chǎn)品控制模型的基礎(chǔ)上,按照總拼焊接夾具各個(gè)子裝配體的功能,復(fù)制相關(guān)幾何元素和基準(zhǔn)到零件中,形成產(chǎn)品控制模型的層次結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品控制模型的層次結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品裝配的層次結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng),產(chǎn)品中復(fù)雜的層次關(guān)系通過(guò)變型元素和基準(zhǔn)的相關(guān)性復(fù)制實(shí)現(xiàn)表達(dá),避免了復(fù)雜的參數(shù)引用。在子裝配體中,由設(shè)計(jì)者添加輔助的幾何元素和基準(zhǔn),層層向下傳遞,直至零件詳細(xì)設(shè)計(jì)為止。

6.3 零件詳細(xì)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品裝配

進(jìn)行零件詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí),擁有從頂層或父層傳遞過(guò)來(lái)的設(shè)計(jì)參數(shù),并基于這些參數(shù)完成設(shè)計(jì)建模。最后按照絕對(duì)坐標(biāo)系對(duì)零件進(jìn)行裝配,完成產(chǎn)品建模,如圖5所示。

圖5 白車身總拼焊接夾具模型

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者應(yīng)用產(chǎn)品控制模型對(duì)白車身總拼焊接夾具進(jìn)行了變型設(shè)計(jì),通過(guò)改變關(guān)鍵控制點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)模型的變更,避免了傳統(tǒng)建模時(shí)參數(shù)間的過(guò)多引用,并根據(jù)模型布局進(jìn)行裝配,減少了傳統(tǒng)裝配中的配對(duì)、對(duì)齊、對(duì)中等煩瑣操作。采用變型設(shè)計(jì)方法,可以縮短樣車試制周期,進(jìn)而縮短新車型的研發(fā)周期。