1 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1 目的及意义

回顾现代工业的发展历程，经历了机械化、电气化和信息化的变革，第四次工业革命必然是以机、电、信息相结合的智能化制造为主，而数字化与智能化的制造技术则必定是“第四次工业革命”的核心技术，数字化工厂将成为现代工业化与信息化融合的体现，也是实现智能化制造的必经之路^[1]。

近年来，经济的迅速发展促成了机械制造行业激烈的全球化竞争，诸多企业为了争夺市场，对自己机械制造的生产效率和产品质量都提出了更高的要求，而车企也不例外。因此，汽车制造企业面临着新的问题^[2]：

（1） 产品的设计越来越复杂。

不仅仅指零件的形状设计的复杂，产品中包含的零件个数也非常多、零件之间的装配关系也极为复杂。如若在设计时出现了微小错误，就可能造成新产品开发的失败，或者是不能按期交货。

针对此项问题，车企如果每一个产品都重新设计，那么将导致产品系质量的参差不齐，出现一个奇怪的现象——某型号产品品控质量上佳，成为“爆款”，而某些型号产品则不尽人意。究其原因就在于每个产品的设计均需重新开始或者需重新大量设计，而并没有完全的利用上之前系列产品的宝贵设计经验，吸取全部的精华。那么在这里就体现出了数字智能化制造的意义——数字化建模产品，针对需求不断变动的市场，系统化、可视化的对前代产品进行升级优化，取其精华，去其糟粕，让产品的设计数据化的体现，实现对标新时代革命的产品设计。

（2） 产品的制造线越来越长。

复杂的产品不仅仅会影响到其设计，如果追随其本质，将会发现其也导致了复杂且臃肿的制造线。在传统制造模式中，整个的产品过长的制造链，会导致制造的低效统筹与高额的成本。这对传统制造模式来说绝对是极大的挑战：产品制造产生纰漏时的昂贵纠错成本、产品制造线的重复与生产节拍的难以平衡。

在新时代的浪潮下，机、电、信息的结合——数字化工厂(Digital Factory)的出现可以完美解决这些问题。其可以以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式，是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物。“数字化工厂”为制造商及其供应商提供了一个制造工艺信息平台，能够对整个制造过程进行设计规划，模拟仿真和管理，并将制造信息及时地与相关部门、供应商共享，从而实现虚拟制造和并行工程，保障生产的顺利进行。数字化工厂支持从产品设计到制造开始的工作转换，并可以通过详细的规划设计和验证预见所有的制造任务，在提高质量的同时减少设计时间，从而加速开发周期；并且还可以消除浪费，减少为了完成某项任务所需的资源数量等。此外，“数字化工厂”规划系统通过统一的数据平台，实现主机厂内部、生产线供应商、工装夹具供应商等的并行工程。这种技术极大地减少了设计变更，缩短了工艺规划时间，降低了生产成本^[1]。

本文研究的课题为汽车前纵梁连接板总成焊接工作站设计及仿真。焊接作为现代机械制造业中一种必要的工艺方法, 在汽车制造中得到广泛的应用，而对焊接工作站进行设计与仿真，相对该种工艺的普遍性来说，具有重要的价值，将会是汽车制造企业的一项重要的任务。本文将就汽车前纵梁连接板总成的焊接专用夹具和相应的焊接机器人工作站进行规划设计，并在虚拟生产制造仿真环境下对工作站上的焊接机器人等相关设备进行规划仿真分析，最终完成一个数字化工作站，达到增加企业竞争力的目的^[3]。

1.2 国内外研究现状

数字化工厂这一概念诞生于上世纪末，数字化制造技术作为先进制造技术的重要发展方向，已经成为国内外先进制造技术研究的热点，而数字化工厂是数字化制造中关键环节之一。现如今，数字化工厂技术这个概念已经慢慢被大家所接受，对于数字化工厂技术的研究也成为目前国内外研究的重点^[4-9]。

从现有的机器人离线编程软件的运用来看，在汽车行业的运用最多。具有代表性的应用软件有达索公司的DELMIA和德国西门子公司的Tecnomatix、ROBCAD等。此外，一些专业的机器人生产厂家（如KUKA、COMAU、ABB等）也有比较完备的机器人离线编程软件。奇瑞汽车在此方面的研究走在了国内各车企的前面，其离线编程软件，能对工作站的整个生产过程进行模拟，并输出离线程序，有效的提高编程的效率^[11--12]。

在国内，多数车企已经应用了焊接工作站的数字规划，利用数字化工厂仿真软件DELMIA对轿车零部件的焊接机器人工作站进行了数字化建模、三维工厂布局、仿真和离线编程，并通过MATLAB软件进行编程计算对焊点路径进行优化，最终优化了工位节拍和焊接路径，降低了生产成本。随着国内信息技术和精益制造技术的不断发展和应用，工业生产全数字化必将普及，加速我国的工业现代高精化进程^[10]。

国外的数字化工厂(DigitalFactory)建设也非常成熟，例如在对汽车流水线的物料搬运系统的设计中，利用仿真对物料搬运系统进行了改进，以研究影响流水线的变化或影响。通过将当前的运输设备更改为AGV并将存储设备更改为半自动拾光系统来进行改进。应用了Delmia Quest软件进行离散事件仿真的方法。根据模拟结果，总生产产量将比当前工厂的产量增加近三倍。案例研究中出现了一些问题，其中当前的运输需要很长的时间才能在装配线上供应材料，并且损坏零件的风险很高，但是通过数字化仿真，很快就找到了病灶，完成了汽车装配流水线的升级。因此，虚拟制造技术在国外等车企的制造系统中，也产生了深远的影响^[13]。

综上所述，不论是国内还是国外，对于数字化智能制造的追求与方向都是一致的，未来的汽车行业乃至任何机械制造行业，基于机、电、信息等相结合的新技术必定是主流趋势。

2 设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 设计目标

本设计的目标是完成汽车前纵梁连接板总成焊接工作站的设计及仿真。设计将通过相关仿真软件，在虚拟生产制造仿真环境下构造出其专用焊接工装夹具数模，并将整个焊接工作站数字化、可视化的建造出来，进行规划仿真分析，达到能够完成汽车前纵梁连接板总成的全部焊接工艺。

2.2 设计的基本内容

本论文主要针对汽车前纵梁连接板总成焊接工作站，进行设计阶段的一系列仿真验证：对焊接工装夹具进行设计，对焊接工艺以及工作站布局进行选择并利用数字化工厂仿真分析软件实现机器人的离线编程。本论文的研究过程中主要进行了以下几方面的工作：

（1） 分析汽车前纵梁连接板总成的三维结构，设计一个专用焊接工装夹具，并在虚拟环境下对焊装夹具模型进行搭建，并进行分析调整，使其更好的适应焊装机器人工作站的加工线，尽量减少其对工作站正常工作的影响。

（2） 对焊接机器人工作站的结构进行分析，选择合适的焊接方式、焊接设备等，完成整个工作站的三维数字模型的创建，并尽量使其合理。

（3） 对整个三维数字焊接机器人工作站进行动态仿真，对整个工作站中设计不合理的地方进行调整，最终得到一个可执行的汽车前纵梁连接板总成焊接机器人工作站，能完成该总成正常的全套焊接制造流程。

2.3拟采用的技术方案及措施

（1）夹具设计部分

焊装夹具的概念：把车身冲压件在一定工艺装备中定形、定位并夹紧，组合成车身组件、合件、分总成及总成，同时利用焊接的方法使其形成整体的过程称为装焊过程，焊装过程中所使用的夹具称为焊装夹具。焊装夹具基本构造，由底板、夹具地脚、支座、定位销、定位块、夹紧机构（气缸、夹紧臂、U型限位块等）等组成。那么一个起正常作用的焊装夹具应满足以下作用：

（a） 给车身的部件定位、夹紧，保证装配精度和稳定性。

（b） 保证焊接工艺能正常进行。

因此，在设计焊装夹具时，我计划采用六点定位原理，使其在空间中能够被准确定位，并且根据前纵梁连接板总成的结构，合理的利用孔销定位和面定位，保证其装配的精度和稳定性。同时，由于车身板件是不规则的薄板件，并且具有弹性，所以在设计的时候结合前纵梁连接板总成的实际情况，可对其进行过定位，保证焊接工艺能正常的进行。

（2）工作站的三维数字建模

焊接的概念：通过加热或者加压或者两者并用，添加或不加填充材料，使两分离的工件在其接合表面达到原子间的结合，形成永久性连接的一种工艺方法。常用的焊接工艺有五大类近20种不同的焊接工艺方法。

表1 汽车制造业常用的焊接工艺

从图表中我们可以得知，最适合焊接汽车前纵梁连接板总成的焊接工艺为单点电阻焊，而在焊接设备的选择上，毫无疑问为了在虚拟环境下建设焊接机器人仿真工作站，选择更自动化的点焊机器人是最为合适的，最终的焊接工作站将选择合适参数的焊接机器人进行单点电阻焊接，完成工作站的建模。

（3）焊接工作站的动态仿真

从现有的机器人离线编程软件的运用来看，在汽车行业的运用最多。具有代表性的应用软件有德国西门子公司的ROBCAD和达索公司的DELMIA等。

l ROBCAD

ROBCAD是西门子旗下的软件，软件较庞大，重点在生产线仿真，价格也是同软件中最贵的。软件支持离线点焊、支持多台机器人仿真、支持非机器人运动机构仿真，精确的节拍仿真，ROBCAD主要应用于产品生命周期中的概念设计和结构设计两个前期阶段。现已被西门子收购，不再更新。

功能：

1) Workcell and Modeling：对白车身生产线进行设计、管理和信息控制。

2) Spotand OLP：完成点焊工艺设计和离线编程。

3) Human：实现人因工程分析。

4) Application中的Paint、Arc、Laser等模块：实现生产制造中喷涂，弧焊，激光加工，绲边等等工艺的仿真验证及离线程序输出。

5) ROBCAD的Paint模块。喷漆的设计、优化和离线编程，其功能包括：喷漆路线的自动生成、多种颜色喷漆厚度的仿真、喷漆过程的优化。

优点：

1) 与主流的CAD软件(如NX、CATIA、IDEAS)无缝集成。

2) 实现工具工装、机器人和操作者的三维可视化。

3) 制造单元、测试以及编程的仿真。

缺点：价格昂贵，离线功能较弱，Unix移植过来的界面，人机界面不友好。

l DELMIA

DELMIA是达索旗下的CAM软件，大名鼎鼎的CATIA也是达索旗下的CAD软件。DELMIA有6大模块，其中Robotics解决方案涵盖汽车领域的发动机、总装和白车身(Body-in-White)，航空领域的机身装配、维修维护，以及一般制造业的制造工艺。

DELMIA的机器人模块ROBOTICS是一个可伸缩的解决方案，利用强大的PPR集成中枢快速进行机器人工作单元建立、仿真与验证，是一个完整的、可伸缩的、柔性的解决方案。

优点：

1) 从可搜索的含有超过400种以上的机器人的资源目录中，下载机器人和其它的工具资源。

2) 利用工厂布置规划工程师所完成的工作。

3) 加入工作单元中工艺所需的资源进一步细化布局。

缺点：DELMIA属于专家型软件，操作难度较高。

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