汽車焊裝夾具智能設(shè)計(jì)研究

袁吟嘯， 陶長(zhǎng)城， 徐 華

湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002

0 引言

焊裝夾具是汽車白車身焊接生產(chǎn)線的主體構(gòu)成部分，夾具設(shè)計(jì)制造占據(jù)了整個(gè)汽車焊裝生產(chǎn)線制造準(zhǔn)備周期的70%～80%時(shí)間。縮短夾具設(shè)計(jì)時(shí)間，減少設(shè)計(jì)人工的消耗，將會(huì)大大提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力［1-3］。目前的焊裝夾具設(shè)計(jì)均為人工設(shè)計(jì)，工程師根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依靠自身經(jīng)驗(yàn)，逐個(gè)設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的焊裝夾具單元。一般每套夾具由10～30個(gè)單元組成，夾具的設(shè)計(jì)費(fèi)用占到了夾具總成本（不包括氣缸等標(biāo)準(zhǔn)采購(gòu)件）的30%以上［4］。如何提高焊裝夾具設(shè)計(jì)效率成為了降低焊裝夾具總成本的關(guān)鍵因素。

禹化寶等［5-6］以案例推理為前提，采用NX8.0平臺(tái)構(gòu)建汽車焊裝夾具知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)案例的檢索、重用、修改和存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單單元的夾具設(shè)計(jì)。錢丹［7］、汪振［8］等提出一種基于案例推理的車身焊接夾具CBR-CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在案例表達(dá)方面引入“池”的概念，重點(diǎn)研究案例檢索的方法。屠攀等［9］以汽車車門為研究重點(diǎn)，提出柔性焊裝夾具設(shè)計(jì)思路，采用“相易替換”和“相近合并”的思路，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)焊裝夾具單元的柔性化設(shè)計(jì)，最終對(duì)設(shè)計(jì)出的焊裝夾具進(jìn)行分類，初步建立柔性化焊裝夾具設(shè)計(jì)的知識(shí)工程。

但上述方法存在著相似的問題，推理研究方向單一，多種模式聯(lián)合較少，且研究更多停留在理論層面，實(shí)際應(yīng)用較少，與企業(yè)的實(shí)際需求有偏差。因此為滿足企業(yè)實(shí)用性的需求，依托合作企業(yè)資源，以CATIA 為平臺(tái)，提出一種更適合實(shí)際應(yīng)用的焊裝夾具智能化設(shè)計(jì)思路。利用知識(shí)工程模塊，對(duì)焊裝夾具提取特征，進(jìn)行參數(shù)化建模，結(jié)合面向?qū)ο蟮木幊趟悸?，?duì)夾具特征進(jìn)行知識(shí)表達(dá)，使夾具零件生成對(duì)應(yīng)的類，再構(gòu)成相應(yīng)的功能模塊。使用Python 語(yǔ)言開發(fā)初步的自動(dòng)設(shè)計(jì)程序，最后結(jié)合定位點(diǎn)信息，程序在讀取規(guī)范化后的夾具定位點(diǎn)信息（MCP）文件后，由程序自動(dòng)對(duì)焊裝夾具進(jìn)行智能化和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 焊裝夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

汽車焊裝夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一種面向?qū)嶋H需求與應(yīng)用的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture diagram

1.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)工藝知識(shí)庫(kù)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工藝知識(shí)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包含了焊裝夾具的設(shè)計(jì)思想、布局設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)選擇。工藝知識(shí)庫(kù)的來(lái)源主要是設(shè)計(jì)式樣書和夾具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，式樣書是進(jìn)行汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)的依據(jù)［10-11］，其明確規(guī)定了本工位的工藝信息，包括了沖壓件信息、夾緊形式、主控點(diǎn)信息、工位布局信息、工位上件信息、焊點(diǎn)分布信息等，其中主控點(diǎn)信息（MCP）描述了本工位中車身板件上的定位點(diǎn)信息。

1.2 夾具零件的設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)

夾具零件的設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)主要包括了夾具零件的特征提取、夾具零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)和夾具模塊化設(shè)計(jì)。目前的汽車焊裝夾具，主要有日標(biāo)和歐標(biāo)兩種體系標(biāo)準(zhǔn)。與日標(biāo)焊裝夾具相比，歐標(biāo)焊裝夾具由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔以及其他一些優(yōu)點(diǎn)，目前在市場(chǎng)上需求的比例已經(jīng)遠(yuǎn)超日標(biāo)夾具。因此本研究以歐標(biāo)焊裝夾具為例進(jìn)行闡述，一個(gè)典型的歐標(biāo)焊裝夾具單元通常由歐標(biāo)支座、定位塊、連接塊、壓塊、氣缸、墊片等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 歐標(biāo)焊裝夾具單元Fig.2 European standard welding fixture unit

焊裝夾具零件中可提取的特征包括零件的幾何外形特征、尺寸特征、裝配特征、孔特征等。夾具零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)以CATIA為平臺(tái)，結(jié)合知識(shí)工程顧問模塊（KWA），以零件的外形尺寸特征為主，孔特征為輔，結(jié)合尺寸驅(qū)動(dòng)法，對(duì)夾具零件進(jìn)行全參數(shù)化設(shè)計(jì)，生成零件對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)設(shè)計(jì)表（De‐sign Table）。焊裝夾具的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致了夾具的功能也不同，按照夾具單元的功能，對(duì)配合使用的零件組合定義成一個(gè)模塊，如定位銷、銷座和連接塊構(gòu)成的固定銷模塊，將這種常用的零件組合裝配構(gòu)成對(duì)應(yīng)的功能模塊，并建立模塊庫(kù)。

1.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)之前，先需要將夾具零件進(jìn)行知識(shí)表達(dá)，把零件的3D 數(shù)模通過(guò)知識(shí)表達(dá)的形式，轉(zhuǎn)換成一種讓計(jì)算機(jī)能理解，能接受的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本文選用面向?qū)ο蟮闹R(shí)表達(dá)方式。結(jié)合前兩種知識(shí)庫(kù)，將夾具零件的種類作為對(duì)象，確定零件實(shí)體形狀的特征參數(shù)和夾具零件的裝配特征作為對(duì)象屬性進(jìn)行知識(shí)表達(dá)。本文選用Python 為程序語(yǔ)言結(jié)合CATIA二次開發(fā)，對(duì)夾具零件和模塊進(jìn)行對(duì)象定義，生成一個(gè)零件類。

智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序輸入主要是定位點(diǎn)信息和BASE板信息，通過(guò)一定的規(guī)則和邏輯運(yùn)算，判斷出BASE板所在的平面，定位點(diǎn)的位置信息，定位點(diǎn)的定位形式（支撐、夾緊、定位夾緊），定位點(diǎn)到BASE板的距離等。再根據(jù)這些信息選擇合適的焊裝夾具模塊，并通過(guò)邏輯運(yùn)算計(jì)算出對(duì)應(yīng)模塊中的各個(gè)零件的特征參數(shù)和裝配特征參數(shù)。程序最后輸出的結(jié)果是對(duì)應(yīng)零件的特征參數(shù)設(shè)計(jì)表，將設(shè)計(jì)表導(dǎo)入CATIA的知識(shí)工程顧問模塊中，得到對(duì)應(yīng)零件的3D數(shù)模。

2 焊裝夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MCP文件格式規(guī)范化

不同企業(yè)的式樣書文件的格式不同，其中MCP文件的形式也各不相同。人工閱讀這些文件，可以接受不同的格式，但是若由程序自行讀取，則需要將式樣書中的MCP 文件規(guī)范化成一種程序能讀取的統(tǒng)一文件格式，以便對(duì)MCP 文件進(jìn)行知識(shí)特征提取。

從MCP文件中提取的知識(shí)包括定位形式、定位點(diǎn)坐標(biāo)、定位方向等。某車型前地板工位車身板件的MCP文件如圖3所示，其描述了各個(gè)夾具單元的位置及分布、夾具單元的定位方式、左右對(duì)稱信息、夾具限制車身板件的自由度、定位尺寸等。

圖3 前地板工位車身板件的MCP文件Fig.3 Front floor station body panel MCP

前地板工位的車身板件基本是一個(gè)左右對(duì)稱件，因此只需要提取左半側(cè)的知識(shí)信息即可，對(duì)提取的知識(shí)以知識(shí)信息表的形式存儲(chǔ)，如表1所示。其中RPS（Reference Point System）是大眾汽車公司中參考點(diǎn)系統(tǒng)理論中的一種，是應(yīng)用于單件或者總成設(shè)計(jì)中的一種基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)，能減少車身在焊裝過(guò)程中由于基準(zhǔn)不統(tǒng)一產(chǎn)生的尺寸誤差。表1中以字母大小寫區(qū)分主定位點(diǎn)和輔助定位點(diǎn)，H 代表主定位孔、銷，F(xiàn) 代表主定位面，例如RPS_004_Hxy 表示主定位點(diǎn)004以孔特征（H），約束車身板件x、y兩個(gè)方向的自由度。

表1 前底板工位車身板件MCP知識(shí)表Table 1 MCP knowledge table of body panel in front floor station

2.2 夾具單元的參數(shù)化與模塊化

目前焊裝夾具的主流設(shè)計(jì)軟件是CATIA，夾具的智能設(shè)計(jì)使用參數(shù)化建模的方式最為簡(jiǎn)潔。在CAT.Part進(jìn)行零件實(shí)體創(chuàng)建，對(duì)零件特征進(jìn)行約束，使用用戶自定義特征（UDFS）模塊對(duì)零件特征進(jìn)行類型參數(shù)定義，篩選出決定零件實(shí)體形狀的特征參數(shù)，通過(guò)添加公式的方式將特征參數(shù)與函數(shù)公式相關(guān)聯(lián)，完成參數(shù)化公式創(chuàng)建。如圖4所示，歐標(biāo)支座作為歐標(biāo)夾具中最常用的夾具零件，提取支座的外形尺寸特征作為主特征，孔特征為輔助特征。將支座上最長(zhǎng)的水平的距離定義為主邊L，把最長(zhǎng)的豎直距離定義為主高H，剩余的外形尺寸分別定義成L1～L6，H1～H5。再建立零件內(nèi)部坐標(biāo)系，用IJK代替XYZ坐標(biāo)系，與RPS車身基準(zhǔn)坐標(biāo)系區(qū)分開，使用坐標(biāo)來(lái)表示孔的位置所在。歐標(biāo)支座的厚度定義為D。將這些特征提取完成后，與函數(shù)公式關(guān)聯(lián)，完成參數(shù)公式創(chuàng)建，最終完成參數(shù)化建模。

圖4 歐標(biāo)支座特征Fig.4 Feature diagram of European standard support

通過(guò)創(chuàng)建夾具零件特征設(shè)計(jì)表建立零件的參數(shù)表，實(shí)現(xiàn)表格數(shù)據(jù)與零件3D 數(shù)模的關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)。再將同一類零件的特征參數(shù)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的表格中，結(jié)合Catalog編輯器，生成零件章節(jié)，解析設(shè)計(jì)表信息，構(gòu)成零件的特征實(shí)例庫(kù)。

第一，引發(fā)流程變革。模糊了線上線下的界限，線上學(xué)習(xí)所占比重在培訓(xùn)中越來(lái)越大，同時(shí)線上線下的界限也越發(fā)模糊，發(fā)展趨勢(shì)是形成一體化的混合培訓(xùn)。

模塊化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為夾具智能化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，提高了夾具設(shè)計(jì)的效率，降低夾具設(shè)計(jì)的成本。結(jié)合MCP 文件中的定位點(diǎn)信息中定位方式與夾具結(jié)構(gòu)的不同，夾具結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致功能也不同，將夾具單元按其功能分類，如圖5所示。每一功能單元又可以細(xì)分到夾具的不同模塊。

圖5 夾具單元功能分類Fig.5 Functional classification diagram of fixture unit

2.3 板件干涉問題

在汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)的過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)干涉問題，其中夾具零件與板件的干涉問題需要在單元設(shè)計(jì)的過(guò)程中解決。如圖6所示，圓球處為MCP文件規(guī)定的定位點(diǎn)，在該點(diǎn)進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到定位塊與車身板件可能會(huì)產(chǎn)生的干涉。

圖6 板件定位點(diǎn)及干涉Fig.6 Location point and interference of the plate

為避免板件與焊裝夾具產(chǎn)生干涉，要考慮到定位點(diǎn)到板件邊緣的距離，分別是水平方向的距離和豎直方向的距離。使用DMU 優(yōu)化器中的切割指令，以定位點(diǎn)為截面的原點(diǎn)，選擇合適的軸為法線約束方向，切割出一個(gè)過(guò)定位點(diǎn)的截?cái)嗝妫鐖D7所示，并將截?cái)嗝媪泶娉蒀ATDrawing文件，測(cè)量出定位點(diǎn)到板件邊緣的最大的水平方向的距離和最大的豎直方向的距離。通過(guò)測(cè)量出的最大水平和豎直方向的距離，來(lái)確定就焊裝夾具零件的尺寸。

圖7 定位點(diǎn)截?cái)嗝婕捌銫ATDrawing圖Fig.7 Location points cross-section and its CATDrawing

2.4 系統(tǒng)程序運(yùn)行過(guò)程

汽車焊裝夾具智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)以python 語(yǔ)言為工具對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，采用面向?qū)ο蠼Y(jié)合邏輯運(yùn)算的方法進(jìn)行編程。系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如圖8所示。程序的輸入包括了定位點(diǎn)信息和BASE板信息，其中定位點(diǎn)信息包括了定位形式（支撐、夾緊、銷）、定位點(diǎn)坐標(biāo)、定位點(diǎn)到板件邊緣的距離。BASE 板信息是指BASE 板4 個(gè)邊角的坐標(biāo)。程序先通過(guò)邏輯運(yùn)算判斷出BASE 板所在的平面，接著計(jì)算出定位點(diǎn)到BASE 板的距離，再根據(jù)定位形式選擇合適的焊裝夾具模塊，通過(guò)邏輯運(yùn)算計(jì)算出該模塊中的各個(gè)零件的外形尺寸參數(shù)，最后輸出程序計(jì)算出的零件的外形參數(shù)。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.8 System operation flow chart

在程序計(jì)算的結(jié)果出來(lái)后，將輸出的參數(shù)輸入到對(duì)應(yīng)模塊的零件的設(shè)計(jì)表中保存并更新零件的3D 數(shù)模，再次檢查整個(gè)夾具單元是否與板件干涉，如果有干涉則設(shè)計(jì)人員人工修改，如果沒有就將零件的3D 數(shù)模保存到對(duì)應(yīng)模塊的實(shí)例庫(kù)中，完成這個(gè)單元的焊裝夾具設(shè)計(jì)，對(duì)下一個(gè)定位點(diǎn)重復(fù)此操作，直至完成整個(gè)夾具的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)例展示

圖9 點(diǎn)PRS_001_Fz定位點(diǎn)Fig.9 Location point map of PRS_001_Fz

圖10 點(diǎn)RPS_001_Fz截?cái)嗝鍯ATDrawing圖Fig.10 CATDrawing of RPS_001_Fz truncation surface

根據(jù)BASE板信息，BASE板的4個(gè)坐標(biāo)分別為（350，-1000，475）、（2350，-1000，475）、（2350，1000，475）、（350，1000，475），根據(jù)底板坐標(biāo)可以判斷出BASE板所在平面平行于XY平面。將BASE板信息也儲(chǔ)存為表格文件。

運(yùn)行焊裝夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，選定歐標(biāo)夾具設(shè)計(jì)，選擇好合適的模塊，進(jìn)入數(shù)據(jù)選擇界面，依次選中BASE 板信息文件和定位點(diǎn)PRS_001_Fz 的信息文件。系統(tǒng)程序會(huì)依次讀取信息文件中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并顯示在界面上，如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)讀取Fig.11 Data reading diagram

按下開始按鈕后，選擇輸出數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)位置后，在該位置會(huì)生成一個(gè)TXT 文件，文件中是程序通過(guò)邏輯運(yùn)算得出的特征參數(shù)的值，如圖12所示。

圖12 零件特征參數(shù)Fig.12 Feature parameters of parts

將得到的參數(shù)導(dǎo)入到對(duì)應(yīng)夾具模塊中零件的特征參數(shù)設(shè)計(jì)表中，生成新的零件，如圖13所示。

圖13 模塊智能設(shè)計(jì)夾具單元Fig.13 Module intelligent design fixture unit diagram

將外購(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)件與模塊零件進(jìn)行裝配，構(gòu)成一個(gè)完整的夾具單元，如圖14所示。裝配完成后，檢查是否與板件干涉，如果產(chǎn)生干涉，調(diào)整夾具擺放角度。如果沒有干涉，對(duì)其他的定位點(diǎn)重復(fù)這幾項(xiàng)操作，最終完成整個(gè)工位的夾具設(shè)計(jì)。

圖14 夾具單元Fig.14 Fixture unit diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出一種汽車焊裝夾具的自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，并以python 語(yǔ)言為工具，開發(fā)了相應(yīng)的自動(dòng)設(shè)計(jì)程序。采用參數(shù)化建模結(jié)合面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示方式，對(duì)MCP文件進(jìn)行規(guī)范化以便自動(dòng)設(shè)計(jì)程序讀取設(shè)計(jì)要求與信息，以CATIA 為平臺(tái)，構(gòu)建夾具零件的特征實(shí)例庫(kù)。程序讀取信息后，通過(guò)邏輯運(yùn)算得出零件的特征參數(shù)表，該參數(shù)表輸入到零件特征實(shí)例庫(kù)中，就完成了零件的3D 建模工作。這種設(shè)計(jì)方式相比于傳統(tǒng)的焊裝夾具設(shè)計(jì)方式，大大減少了設(shè)計(jì)人工工時(shí)，縮短了設(shè)計(jì)周期。

汽車焊裝夾具種類繁多，夾具智能化設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的課題，本研究?jī)H對(duì)智能設(shè)計(jì)的總體思路、程序框架進(jìn)行了初步探討，并且通過(guò)簡(jiǎn)單夾具單元的智能化設(shè)計(jì)驗(yàn)證了程序代碼。目前的自動(dòng)設(shè)計(jì)的思路還僅僅是邏輯推理和計(jì)算，由于夾具零件的復(fù)雜程度和多樣性，邏輯運(yùn)算的方式難以完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。后續(xù)將引入機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，提升程序的適應(yīng)能力，并對(duì)程序的操作界面進(jìn)行優(yōu)化。