汽車焊裝夾具智能設計研究

袁吟嘯， 陶長城， 徐 華

湖北汽車工業學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002

0 引言

焊裝夾具是汽車白車身焊接生產線的主體構成部分，夾具設計制造占據了整個汽車焊裝生產線制造準備周期的70%～80%時間?？s短夾具設計時間，減少設計人工的消耗，將會大大提高企業的競爭力［1-3］。目前的焊裝夾具設計均為人工設計，工程師根據設計標準，依靠自身經驗，逐個設計出對應的焊裝夾具單元。一般每套夾具由10～30個單元組成，夾具的設計費用占到了夾具總成本（不包括氣缸等標準采購件）的30%以上［4］。如何提高焊裝夾具設計效率成為了降低焊裝夾具總成本的關鍵因素。

禹化寶等［5-6］以案例推理為前提，采用NX8.0平臺構建汽車焊裝夾具知識庫，實現對案例的檢索、重用、修改和存儲，最終實現簡單單元的夾具設計。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 設計系統，在案例表達方面引入“池”的概念，重點研究案例檢索的方法。屠攀等［9］以汽車車門為研究重點，提出柔性焊裝夾具設計思路，采用“相易替換”和“相近合并”的思路，在結構上實現焊裝夾具單元的柔性化設計，最終對設計出的焊裝夾具進行分類，初步建立柔性化焊裝夾具設計的知識工程。

但上述方法存在著相似的問題，推理研究方向單一，多種模式聯合較少，且研究更多停留在理論層面，實際應用較少，與企業的實際需求有偏差。因此為滿足企業實用性的需求，依托合作企業資源，以CATIA 為平臺，提出一種更適合實際應用的焊裝夾具智能化設計思路。利用知識工程模塊，對焊裝夾具提取特征，進行參數化建模，結合面向對象的編程思路，對夾具特征進行知識表達，使夾具零件生成對應的類，再構成相應的功能模塊。使用Python 語言開發初步的自動設計程序，最后結合定位點信息，程序在讀取規范化后的夾具定位點信息（MCP）文件后，由程序自動對焊裝夾具進行智能化和模塊化結構設計。

1 焊裝夾具智能設計系統的總體架構

汽車焊裝夾具智能設計系統是一種面向實際需求與應用的設計系統，該設計系統的體系結構由三部分構成，如圖1所示。

圖1 系統體系結構Fig.1 System architecture diagram

1.1 設計系統工藝知識庫

設計系統的工藝知識庫是整個系統的關鍵環節，主要包含了焊裝夾具的設計思想、布局設計及其結構選擇。工藝知識庫的來源主要是設計式樣書和夾具設計標準，式樣書是進行汽車焊裝夾具設計的依據［10-11］，其明確規定了本工位的工藝信息，包括了沖壓件信息、夾緊形式、主控點信息、工位布局信息、工位上件信息、焊點分布信息等，其中主控點信息（MCP）描述了本工位中車身板件上的定位點信息。

1.2 夾具零件的設計知識庫

夾具零件的設計知識庫主要包括了夾具零件的特征提取、夾具零件的參數化設計和夾具模塊化設計。目前的汽車焊裝夾具，主要有日標和歐標兩種體系標準。與日標焊裝夾具相比，歐標焊裝夾具由于結構簡潔以及其他一些優點，目前在市場上需求的比例已經遠超日標夾具。因此本研究以歐標焊裝夾具為例進行闡述，一個典型的歐標焊裝夾具單元通常由歐標支座、定位塊、連接塊、壓塊、氣缸、墊片等構成，如圖2所示。

圖2 歐標焊裝夾具單元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。夾具零件的參數化設計以CATIA為平臺，結合知識工程顧問模塊（KWA），以零件的外形尺寸特征為主，孔特征為輔，結合尺寸驅動法，對夾具零件進行全參數化設計，生成零件對應的特征參數設計表（De‐sign Table）。焊裝夾具的結構不同導致了夾具的功能也不同，按照夾具單元的功能，對配合使用的零件組合定義成一個模塊，如定位銷、銷座和連接塊構成的固定銷模塊，將這種常用的零件組合裝配構成對應的功能模塊，并建立模塊庫。

1.3 設計系統程序設計

在進行系統程序設計之前，先需要將夾具零件進行知識表達，把零件的3D 數模通過知識表達的形式，轉換成一種讓計算機能理解，能接受的數據結構，本文選用面向對象的知識表達方式。結合前兩種知識庫，將夾具零件的種類作為對象，確定零件實體形狀的特征參數和夾具零件的裝配特征作為對象屬性進行知識表達。本文選用Python 為程序語言結合CATIA二次開發，對夾具零件和模塊進行對象定義，生成一個零件類。

智能設計系統的程序輸入主要是定位點信息和BASE板信息，通過一定的規則和邏輯運算，判斷出BASE板所在的平面，定位點的位置信息，定位點的定位形式（支撐、夾緊、定位夾緊），定位點到BASE板的距離等。再根據這些信息選擇合適的焊裝夾具模塊，并通過邏輯運算計算出對應模塊中的各個零件的特征參數和裝配特征參數。程序最后輸出的結果是對應零件的特征參數設計表，將設計表導入CATIA的知識工程顧問模塊中，得到對應零件的3D數模。

2 焊裝夾具智能設計系統關鍵技術

2.1 MCP文件格式規范化

不同企業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 文件規范化成一種程序能讀取的統一文件格式，以便對MCP 文件進行知識特征提取。

從MCP文件中提取的知識包括定位形式、定位點坐標、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，其描述了各個夾具單元的位置及分布、夾具單元的定位方式、左右對稱信息、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左右對稱件，因此只需要提取左半側的知識信息即可，對提取的知識以知識信息表的形式存儲，如表1所示。其中RPS（Reference Point System）是大眾汽車公司中參考點系統理論中的一種，是應用于單件或者總成設計中的一種基準點系統，能減少車身在焊裝過程中由于基準不統一產生的尺寸誤差。表1中以字母大小寫區分主定位點和輔助定位點，H 代表主定位孔、銷，F 代表主定位面，例如RPS_004_Hxy 表示主定位點004以孔特征（H），約束車身板件x、y兩個方向的自由度。

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

2.2 夾具單元的參數化與模塊化

目前焊裝夾具的主流設計軟件是CATIA，夾具的智能設計使用參數化建模的方式最為簡潔。在CAT.Part進行零件實體創建，對零件特征進行約束，使用用戶自定義特征（UDFS）模塊對零件特征進行類型參數定義，篩選出決定零件實體形狀的特征參數，通過添加公式的方式將特征參數與函數公式相關聯，完成參數化公式創建。如圖4所示，歐標支座作為歐標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。將支座上最長的水平的距離定義為主邊L，把最長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。再建立零件內部坐標系，用IJK代替XYZ坐標系，與RPS車身基準坐標系區分開，使用坐標來表示孔的位置所在。歐標支座的厚度定義為D。將這些特征提取完成后，與函數公式關聯，完成參數公式創建，最終完成參數化建模。

圖4 歐標支座特征Fig.4 Feature diagram of European standard support

通過創建夾具零件特征設計表建立零件的參數表，實現表格數據與零件3D 數模的關聯驅動。再將同一類零件的特征參數導入對應的表格中，結合Catalog編輯器，生成零件章節，解析設計表信息，構成零件的特征實例庫。

第一，引發流程變革。模糊了線上線下的界限，線上學習所占比重在培訓中越來越大，同時線上線下的界限也越發模糊，發展趨勢是形成一體化的混合培訓。

模塊化設計已經成為夾具智能化設計的趨勢，提高了夾具設計的效率，降低夾具設計的成本。結合MCP 文件中的定位點信息中定位方式與夾具結構的不同，夾具結構不同導致功能也不同，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

在汽車焊裝夾具設計的過程中往往會出現干涉問題，其中夾具零件與板件的干涉問題需要在單元設計的過程中解決。如圖6所示，圓球處為MCP文件規定的定位點，在該點進行夾具設計時要考慮到定位塊與車身板件可能會產生的干涉。

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

為避免板件與焊裝夾具產生干涉，要考慮到定位點到板件邊緣的距離，分別是水平方向的距離和豎直方向的距離。使用DMU 優化器中的切割指令，以定位點為截面的原點，選擇合適的軸為法線約束方向，切割出一個過定位點的截斷面，如圖7所示，并將截斷面另存成CATDrawing文件，測量出定位點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。通過測量出的最大水平和豎直方向的距離，來確定就焊裝夾具零件的尺寸。

圖7 定位點截斷面及其CATDrawing圖Fig.7 Location points cross-section and its CATDrawing

2.4 系統程序運行過程

汽車焊裝夾具智能化設計系統以python 語言為工具對CATIA進行二次開發，采用面向對象結合邏輯運算的方法進行編程。系統的運行過程如圖8所示。程序的輸入包括了定位點信息和BASE板信息，其中定位點信息包括了定位形式（支撐、夾緊、銷）、定位點坐標、定位點到板件邊緣的距離。BASE 板信息是指BASE 板4 個邊角的坐標。程序先通過邏輯運算判斷出BASE 板所在的平面，接著計算出定位點到BASE 板的距離，再根據定位形式選擇合適的焊裝夾具模塊，通過邏輯運算計算出該模塊中的各個零件的外形尺寸參數，最后輸出程序計算出的零件的外形參數。

圖8 系統運行流程Fig.8 System operation flow chart

在程序計算的結果出來后，將輸出的參數輸入到對應模塊的零件的設計表中保存并更新零件的3D 數模，再次檢查整個夾具單元是否與板件干涉，如果有干涉則設計人員人工修改，如果沒有就將零件的3D 數模保存到對應模塊的實例庫中，完成這個單元的焊裝夾具設計，對下一個定位點重復此操作，直至完成整個夾具的設計。

3 實例展示

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

圖10 點RPS_001_Fz截斷面CATDrawing圖Fig.10 CATDrawing of RPS_001_Fz truncation surface

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

運行焊裝夾具智能設計系統，選定歐標夾具設計，選擇好合適的模塊，進入數據選擇界面，依次選中BASE 板信息文件和定位點PRS_001_Fz 的信息文件。系統程序會依次讀取信息文件中對應的數據，并顯示在界面上，如圖11所示。

圖11 數據讀取Fig.11 Data reading diagram

按下開始按鈕后，選擇輸出數據文件存儲位置后，在該位置會生成一個TXT 文件，文件中是程序通過邏輯運算得出的特征參數的值，如圖12所示。

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

將得到的參數導入到對應夾具模塊中零件的特征參數設計表中，生成新的零件，如圖13所示。

圖13 模塊智能設計夾具單元Fig.13 Module intelligent design fixture unit diagram

將外購件和標準件與模塊零件進行裝配，構成一個完整的夾具單元，如圖14所示。裝配完成后，檢查是否與板件干涉，如果產生干涉，調整夾具擺放角度。如果沒有干涉，對其他的定位點重復這幾項操作，最終完成整個工位的夾具設計。

圖14 夾具單元Fig.14 Fixture unit diagram

4 結束語

本研究提出一種汽車焊裝夾具的自動設計方法，并以python 語言為工具，開發了相應的自動設計程序。采用參數化建模結合面向對象的知識表示方式，對MCP文件進行規范化以便自動設計程序讀取設計要求與信息，以CATIA 為平臺，構建夾具零件的特征實例庫。程序讀取信息后，通過邏輯運算得出零件的特征參數表，該參數表輸入到零件特征實例庫中，就完成了零件的3D 建模工作。這種設計方式相比于傳統的焊裝夾具設計方式，大大減少了設計人工工時，縮短了設計周期。

汽車焊裝夾具種類繁多，夾具智能化設計是一個非常復雜的課題，本研究僅對智能設計的總體思路、程序框架進行了初步探討，并且通過簡單夾具單元的智能化設計驗證了程序代碼。目前的自動設計的思路還僅僅是邏輯推理和計算，由于夾具零件的復雜程度和多樣性，邏輯運算的方式難以完全達到設計要求。后續將引入機器學習的方式，提升程序的適應能力，并對程序的操作界面進行優化。