基于大数据理念的汽车焊装夹具成组利用研究

安南 于东林 龚奕境 李聪 张博 徐国龙

摘 要：科技的高速发展通常会带来一定的技术问题。在汽车生产制造过程中，汽车焊装夹具大多随着生产线的淘汰而全部废弃。这一问题对国内甚至是国际上各汽车生产单位来说十分普遍，且早已习以为常，但这造成了极大的浪费。针对这一现象，将汽车车身常用焊装夹具按使用类别及工作方式进行划分，详细标记定位每一个具体零件，利用CATIA、UG等软件对其进行三维建模并对焊装件分类、汇总，建立数据库。本文对成组快装焊装夹具数据库的建立、成组技术、成组快装设计要求等方面进行介绍，并对焊装夹具成组快装技术应用价值及市场价值进行分析，解决了夹具市场中闲置夹具过度浪费、制造周期长和成本高的问题。

关键词：焊装夹具；数据库；成组技术；重组快装

中图分类号：U468.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）17-0083-03

Research on Group Utilization of Automobile

Welding Ffixture Based on Big Data

AN Nan1 YU Donglin1 GONG Yijing2 LI Cong1 ZHANG Bo1 XU Guolong1

Abstract： The rapid development of science and technology usually brings some technical problems. In the manufacturing process of automobile， most of the welding jigs and fixtures are abandoned with the elimination of the production line. This problem is very common for domestic and even international automobile production units， and has been used to it， but it has caused a great deal of waste. In view of this phenomenon， the commonly used welding fixtures in automobile body were divided according to the use category and working mode， and each specific part was marked and located in detail. The 3D modeling was carried out by using CATIA and UG software， and the welding parts were classified and summarized， and the database was set up. In this paper， the establishment of group fast loading welding fixture database， group technology， group fast loading design requirements and other aspects were introduced， and the application value and market value of fast loading technology of welding fixture group were analyzed， which solved the problem of excessive waste， long cycle time and high cost in fixture market.

Keywords： welding fixture；data base；group technology；recombination quick loading

從整体上来看，汽车焊接夹具通用性差，专用性强，几乎每套夹具都有不同的形状、不同的结构，属于非标准工装。一条自动化程度较高的焊装线，其夹具数量通常有近千套。因此，焊装夹具的设计工作量相当大，设计精度也不好把握。但是，从焊装夹具的整体结构特点来看，车身焊装夹具体积庞大、结构复杂、形状各异。为了便于制造、装配、检测和维修，必须对夹具的各个组成结构按类别进行分解，分解之后夹具的每类零件具有一定的相似性，从结构上分析几乎都是一样的，只是在尺寸上有所差异。因此，在设计焊装夹具时，按每类零件进行设计、分类与成组，会起到事半功倍的快装效果。焊装夹具的这些结构特点决定了采用参数化、模块化、通用化的设计技术设计焊装夹具具有可行性[1]。

1 成组快装焊装夹具数据库

对汽车焊装夹具的各单元及单元内每个零件进行数据采集，并进行数据整理，构建各个相关数据库[2]：①利用CATIA（见图1）、UG软件将夹具组件分类、汇总，建立数据库；②焊装夹具参数化分类及数据库建立；③焊接夹具模块建库、成组建库；④焊接夹具通用化与系列化建库，非标准化设计与选用；⑤汽车车身焊接工艺性分析与评价，夹具装配与检测评价。建立的数据库如图2所示。图3为软件系统及数据库应用逻辑框图。

2 成组技术与重组技术

2.1 成组技术快装设计

成组技术原意是“将工程技术与管理技术集于一体的生产组织管理方法”。其利用产品零件间的相似性对零件进行分类成组，然后根据每组零件所特有的相似特征为同组零件找出相对统一的最佳处理方法，从而在基本不改变原有工艺和设备的条件下，达到提高效率、节省资源、降低生产成本的目的。该设计方法是通过成组技术的编码系统，对夹具库中原有的相似夹具单元进行相应调整，从而适应新的工作加工要求。若无法选择相似夹具时，就可以使用生成式夹具设计方法，产生新的夹具设计方案，将新产生的夹具编码添加到夹具库中，对夹具库进行扩充，为下次设计作参考用[3，4]。

图4是对不同类型的数模进行成组快装，原有夹具零件总数（图中蓝线）与成组快装后新夹具插入的已有零件总数（图中红线）对比曲线。从图4中可以得出，新旧两种夹具在零件的应用上具有一定的通用性和相似性。

2.2 成组可重构快装设计

可重构制造焊装夹具是按系统规划重排、重复利用、更新模块或零部件的方式，快速调整制造过程、制造功能和制造能力的新型制造方式。此方法对不满足重组的闲置夹具组件进行二次加工再造。与传统的制造系统相比，采用可重构制造系统的企业可随时根据产品的变化，由产品工艺过程变化驱动、快速进行组态规划和重构。焊装夹具结构可重构化设计是将焊装夹具中普遍具有不同功能的元件，如定位块、压块、连接板、转臂和支架等抽出来，预先设计成通用的一系列标准化元部件。在重构设计时，设计者根据需要调用这些元部件，任意组合构成一套夹具[5]。

对焊装夹具零部件进行标准化、通用化、系列化是该设计方法的关键[6]。夹具重构设计主要靠设计者的设计经验和组合水平，汽车焊装夹具的重构可分为3个步骤：夹具方案设计；夹具单元设计；夹具装配与检测评价。图5为成组可重构设计系统结构图。

3 成组快装焊装夹具设计要求

①焊装夹具必须保证焊件焊接后能获得正确的几何形状和尺寸，尤其要保证车身上门窗等孔洞的尺寸和形状[7]。在装配时，夹具能够使被装配的元件获得正确的位置和可靠的夹紧，并且在焊接时能阻止焊件产生变形。

②焊装夹具应动作迅速，操作方便。操作位置要处于人工容易接近、最宜操作的部位。特别是手动夹具，其操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设在工人容易用力的部位。当夹具处于夹紧状态时，应能自锁。

③焊装夹具的设置应便于施工，有足够的装配、焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸。所有定位元件和夹紧机构应与焊点保持适当距离，或布置在焊件的下方，或布置在焊件的侧面。夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。

④夹紧可靠，刚性适当。夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状及焊件的表面质量。夹紧力适当，使夹紧后既不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大而产生较大的应力。

⑤为了保证使用安全，应设置必要的安全互锁保护装置。

⑥用于大型零件焊接的夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具体的刚度，对结构的形状精度、尺寸精度影响较大。

⑦在同一个夹具上，定位元件和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量只选用一种动力源。

⑧焊装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率，尽量使制作时投资少，成本低。

⑨尽量选用已通用化、标准化的夹紧机构及标准的零部件来设计制造焊装夹具[8]。上述这些原则是设计车身焊装夹具时所必须考虑的，但具体到焊装夹具的结构上却差异较大，有的焊装夹具只有一个简单的框架，有的则相当复杂。一般来说，应根据生产批量的大小和产品结构特点并结合本厂的生产条件（如车间面积、起重设备、水电气供应情况和技术水平等）来选择焊装夹具的类型，设计夹具。

4 焊装夹具成组快装技术应用价值

目前，国内汽车焊装生产线水平参差不齐，影响了我国汽车整体发展水平。国内焊装生产线主要依赖进口，一般一条生产线只能生产一种类型的汽车，如果汽车停产，一整套汽车焊装夹具也就被淘汰停用，造成极大的资源与设备浪费，且缺乏互换性和重复使用性，从成本方面考虑就比较高，这也是国内绝大多数汽车制造商面临的严峻问题。从目前使用效果、整体性能和质量来看，国外汽车焊装夹具质量、制造精度都高于国产，但价格昂贵，生产成本高。因此，国内各大汽车厂商亟待开发出高精、高效、模块、组合、通用、经济性的焊接夹具[9]。

5 结语

在汽车焊装夹具生产方案上，首次提出成组快装技术。现阶段，国内外对该技术模式的应用相对缺乏，在现代信息技术和大数据技术时代，充分发掘数据采集、数据优化、数据汇总，并将数据合理应用到焊装生产中，在夹具生产问题上，对夹具设计和成组快装的信息进行深入探究，结合现代大数据技术，依托成组快装系统实现数据采集，使“数字化”在焊装夹具生产中得以具体实现，对于缩短工业生产周期及提高设计效率都起到了很好的促进作用。汽车焊接夹具设计成功，提高了焊接精度和焊接的可靠性，为解决夹具过度浪费问题，发掘和应用大数据技术，将闲置废弃焊装夹具进行信息整合、优化、成组等打下了良好的基础，有利于对夹具行业生产方式进行改革创新。

参考文献：

[1]蔡瑾.組合夹具元件库集成建模技术研究[D].天津：河北工业大学，2009.

[2]李坤宏.基于CATIA的汽车焊装夹具计算机辅助设计[D].重庆：重庆大学，2007.

[3]李少帅，乔立红.成组夹具参数化设计方法研究[J].成组技术与生产现代化，2010（3）：18-23.

[4]郑建鑫.基于成组技术的零件分类编码研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[5]祁捷.成组夹具的设计与实践[J].机械设计与制造，2005（6）：41-42.

[6]邵晨.基于事例的汽车焊接夹具设计及标准化[D].北京：北京化工大学，2009.

[7]汪文芳.轿车车身尺寸控制与夹具工艺设计分析[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[8]刘永喜，乔立红.基于成组技术的夹具快速配置研究[J].成组技术与生产现代化，2007（1）：29-32.

[9]孙进兴，蒋铭和.应用成组夹具技术的经济性评价[J].成组技术与生产现代化，2001（2）：25-28.