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轎車自動化焊接生產線運載輔助夾具優化設計

添加時間:2021/12/02 來源:未知 作者:樂楓
作為汽車主機廠的重要設備,具有需求量大、制造精度高、制造周期長等特點。因此,優質的汽車運載輔助夾具,有助于提高白車身質量,提高勞動生產率。
以下為本篇論文正文:

  摘 要

  21 世紀全球汽車領域進入飛速發展時代,汽車白車身焊裝生產線的制造精度及自動化程度的高低,是影響汽車整車制造質量和生產周期的重要因素。汽車運載輔助夾具是汽車白車身焊裝自動化生產線中常用的工裝夾具之一。作為汽車主機廠的重要設備,具有需求量大、制造精度高、制造周期長等特點。因此,優質的汽車運載輔助夾具,有助于提高白車身質量,提高勞動生產率。

  本文結合實際工程案例,對汽車自動化生產線中的運載輔助夾具進行結構設計及優化設計,主要研究內容如下:

 、胚\載輔助夾具結構設計。以轎車自動化生產線側圍外板運載輔助夾具為研究對象,參考焊接夾具的定位原理,本著基準統一原則,根據技術任務書、側圍外板的主要工藝參數,采用經驗設計法、類比設計法利用 CATIA 軟件對運載輔助夾具結構進行三維模型設計,構成模型的零部件包含幾何信息、位置關系、聯接關系、配合關系、運動關系等,其機械結構組成主要包括定位部件、夾緊部件、底部框架、側框部件。結合現場的工況對關鍵結構進行受力分析和校核計算,得到其強度、變形公式。

 、七\載輔助夾具結構優化設計。以往采用經驗設計法設計的同類產品主要考慮功能、可靠性兩個主要條件,導致運載輔助夾具存在結構設計安全裕度大,自重大的問題。本文在保證運載輔助夾具正常使用情況下,對整個運載輔助夾具進行多目標的優化設計。通過對設計函數、目標函數、約束函數等參數的設計,構建相應的數學模型并求解,參照求解結果對夾具材料的規格、零部件結構進行調整。優化后的運載輔助夾具重量明顯減輕,達到輕量化的目的。在保證運載輔助夾具剛度和強度的前提下,輕量化設計可以保證進一步提升產品性能,提高產品經濟性。

 、腔谟邢拊抡婕夹g的運載輔助夾具結構分析及優化設計。側圍外板運載輔助夾具的主承載結構是梁式框架結構,運用有限元軟件 ANSYS Workbench 對經驗法及數字優化方法優化后的運載輔助夾具進行再次優化,對兩種結構加載不同工況條件,進行如下分析:

 、俳Y構剛度及強度分析 ②典型工況一:運載輔助夾具在正常靜態時,裝卸側圍外板的工況,它屬于線性加載及卸載;③典型工況二:運載輔助夾具在空載、裝載、滿載側圍外板情況下運輸及堆垛的工況,它屬于施加沖擊載荷;在 ANSYS 中導入運載輔助夾具優化結構的有限元模型,獲得不同工況下運載輔助夾具結構數據。

 、冗\載輔助夾具制造的工藝路線提出及標準的制定。按照工藝指定原則,以運載輔助夾具底部框架為例,對其每個零件的加工工序依次進行分析排序,并進行整合,形成最終的零件加工工藝,其中重點分析焊接的參數及工藝形式。根據側圍外板運載輔助夾具的工摘 要21 世紀全球汽車領域進入飛速發展時代,汽車白車身焊裝生產線的制造精度及自動化程度的高低,是影響汽車整車制造質量和生產周期的重要因素。汽車運載輔助夾具是汽車白車身焊裝自動化生產線中常用的工裝夾具之一。作為汽車主機廠的重要設備,具有需求量大、制造精度高、制造周期長等特點。因此,優質的汽車運載輔助夾具,有助于提高白車身質量,提高勞動生產率。

  本文結合實際工程案例,對汽車自動化生產線中的運載輔助夾具進行結構設計及優化設計,主要研究內容如下:

 、胚\載輔助夾具結構設計。以轎車自動化生產線側圍外板運載輔助夾具為研究對象,參考焊接夾具的定位原理,本著基準統一原則,根據技術任務書、側圍外板的主要工藝參數,采用經驗設計法、類比設計法利用 CATIA 軟件對運載輔助夾具結構進行三維模型設計,構成模型的零部件包含幾何信息、位置關系、聯接關系、配合關系、運動關系等,其機械結構組成主要包括定位部件、夾緊部件、底部框架、側框部件。結合現場的工況對關鍵結構進行受力分析和校核計算,得到其強度、變形公式。

 、七\載輔助夾具結構優化設計。以往采用經驗設計法設計的同類產品主要考慮功能、可靠性兩個主要條件,導致運載輔助夾具存在結構設計安全裕度大,自重大的問題。本文在保證運載輔助夾具正常使用情況下,對整個運載輔助夾具進行多目標的優化設計。通過對設計函數、目標函數、約束函數等參數的設計,構建相應的數學模型并求解,參照求解結果對夾具材料的規格、零部件結構進行調整。優化后的運載輔助夾具重量明顯減輕,達到輕量化的目的。在保證運載輔助夾具剛度和強度的前提下,輕量化設計可以保證進一步提升產品性能,提高產品經濟性。

 、腔谟邢拊抡婕夹g的運載輔助夾具結構分析及優化設計。側圍外板運載輔助夾具的主承載結構是梁式框架結構,運用有限元軟件 ANSYS Workbench 對經驗法及數字優化方法優化后的運載輔助夾具進行再次優化,對兩種結構加載不同工況條件,進行如下分析:

 、俳Y構剛度及強度分析 ②典型工況一:運載輔助夾具在正常靜態時,裝卸側圍外板的工況,它屬于線性加載及卸載;③典型工況二:運載輔助夾具在空載、裝載、滿載側圍外板情況下運輸及堆垛的工況,它屬于施加沖擊載荷;在 ANSYS 中導入運載輔助夾具優化結構的有限元模型,獲得不同工況下運載輔助夾具結構數據。

 、冗\載輔助夾具制造的工藝路線提出及標準的制定。按照工藝指定原則,以運載輔助夾具底部框架為例,對其每個零件的加工工序依次進行分析排序,并進行整合,形成最終的零件加工工藝,其中重點分析焊接的參數及工藝形式。根據側圍外板運載輔助夾具的工摘 要21 世紀全球汽車領域進入飛速發展時代,汽車白車身焊裝生產線的制造精度及自動化程度的高低,是影響汽車整車制造質量和生產周期的重要因素。汽車運載輔助夾具是汽車白車身焊裝自動化生產線中常用的工裝夾具之一。作為汽車主機廠的重要設備,具有需求量大、制造精度高、制造周期長等特點。因此,優質的汽車運載輔助夾具,有助于提高白車身質量,提高勞動生產率。

  本文結合實際工程案例,對汽車自動化生產線中的運載輔助夾具進行結構設計及優化設計,主要研究內容如下:

 、胚\載輔助夾具結構設計。以轎車自動化生產線側圍外板運載輔助夾具為研究對象,參考焊接夾具的定位原理,本著基準統一原則,根據技術任務書、側圍外板的主要工藝參數,采用經驗設計法、類比設計法利用 CATIA 軟件對運載輔助夾具結構進行三維模型設計,構成模型的零部件包含幾何信息、位置關系、聯接關系、配合關系、運動關系等,其機械結構組成主要包括定位部件、夾緊部件、底部框架、側框部件。結合現場的工況對關鍵結構進行受力分析和校核計算,得到其強度、變形公式。

 、七\載輔助夾具結構優化設計。以往采用經驗設計法設計的同類產品主要考慮功能、可靠性兩個主要條件,導致運載輔助夾具存在結構設計安全裕度大,自重大的問題。本文在保證運載輔助夾具正常使用情況下,對整個運載輔助夾具進行多目標的優化設計。通過對設計函數、目標函數、約束函數等參數的設計,構建相應的數學模型并求解,參照求解結果對夾具材料的規格、零部件結構進行調整。優化后的運載輔助夾具重量明顯減輕,達到輕量化的目的。在保證運載輔助夾具剛度和強度的前提下,輕量化設計可以保證進一步提升產品性能,提高產品經濟性。

 、腔谟邢拊抡婕夹g的運載輔助夾具結構分析及優化設計。側圍外板運載輔助夾具的主承載結構是梁式框架結構,運用有限元軟件 ANSYS Workbench 對經驗法及數字優化方法優化后的運載輔助夾具進行再次優化,對兩種結構加載不同工況條件,進行如下分析:

 、俳Y構剛度及強度分析 ②典型工況一:運載輔助夾具在正常靜態時,裝卸側圍外板的工況,它屬于線性加載及卸載;③典型工況二:運載輔助夾具在空載、裝載、滿載側圍外板情況下運輸及堆垛的工況,它屬于施加沖擊載荷;在 ANSYS 中導入運載輔助夾具優化結構的有限元模型,獲得不同工況下運載輔助夾具結構數據。

 、冗\載輔助夾具制造的工藝路線提出及標準的制定。按照工藝指定原則,以運載輔助夾具底部框架為例,對其每個零件的加工工序依次進行分析排序,并進行整合,形成最終的零件加工工藝,其中重點分析焊接的參數及工藝形式。根據側圍外板運載輔助夾具的工藝路線,制定同類側圍產品運載輔助夾具加工制造工藝標準,為同類別產品的制造提供參考,對運載輔助夾具標準化設計提供積極促進作用。

  關鍵詞:運載輔助夾具;結構設計;多目標優化;輕量化;底部框架工藝標準

  Abstract

  In the 21st century, the global automotive field has entered an era of rapid development. The manufacturing accuracy and automation of the automotive body-in-white welding production line are important factors that affect the quality and production cycle of the entire automotive vehicle. The vehicle carrier auxiliary fixture is one of the commonly used fixtures in the automatic production line of automobile body-in-white welding. As an important equipment for automobile Original Equipment Manufacturer(OEMs), it has the characteristics of large demand, high manufacturing precision, and long manufacturing cycle. Therefore, high-quality vehicle carrying auxiliary fixtures can help improve the quality of the white body and increase labor productivity.

  In this paper, combined with actual engineering cases, the structural design and optimization design of the carrier auxiliary fixture in the automotive automation production line are carried out. The main research contents are as follows:

 、臫he structure design of carrying auxiliary fixture. Taking the outer panel of the side wall of the automatic production line of a car as the research object, referring to the positioning principle of the welding fixture, in accordance with the principle of standard uniformity, according to the technical task book and the main process parameters of the side wall outer panel, the empirical design method and the analogous design method are used to use the CATIA software Carry out three-dimensional model design for the structure of the auxiliary carrier fixture. The parts that make up the model include geometric information, positional relationship, connection relationship, matching relationship, movement relationship, etc., and its mechanical structure mainly includes positioning parts, clamping parts, bottom frame, side frame part. Combining with the working conditions of the site, the force analysis and calculation of the key structure are carried out, and its strength and deformation formulas are obtained.

 、芆ptimized design of the structure of the carrier auxiliary fixture. In the past, similar products designed by the empirical design method mainly considered the two main conditions of function and reliability, which led to the problem of large safety margin in structural design and self-importance of the auxiliary carrier fixture. In this paper, under the condition of ensuring the normal use of the carrier auxiliary fixture, the entire carrier auxiliary fixture is optimized for multi-objective design. Through the design of the design function, objective function, constraint function and other parameters, the corresponding mathematical model is constructed and solved, and the specifications of the fixture material and the structure of the parts are adjusted with reference to the solution results. The weight of the optimized carrying auxiliary fixture is significantly reduced, achieving the purpose of lightening. Under the premise of ensuring the rigidity and strength of the auxiliary carrying fixture, the lightweight design can ensure further improvement of product performance and product economy.

 。3) Structural analysis and optimization design of carrier aid fixture based on finite element simulation technology. The main load-bearing structure of the auxiliary carrier fixture for the side wall outer panel is a beam frame structure. The finite element software ANSYS Workbench is used to re-optimize the auxiliary carrier fixture optimized by the empirical method and the digital optimization method. The two structures are loaded with different working conditions. Carry out the following analysis: ①Structural stiffness and strength analysis;②Typical working condition 1: When the carrying auxiliary fixture is in normal static state, the working condition of loading and unloading the side wall outer panel is linear loading and unloading;③Typical working condition 2: The carrying auxiliary fixture is in The working conditions of transportation and stacking under the condition of no-load, loaded, full-loaded side wall outer panel, which belong to the impact load; import the finite element model of the optimized structure of the carrier auxiliary fixture in ANSYS, and obtain the structure data of the carrier auxiliary fixture under different working conditions .

 、萈roposal of manufacturing process route and standard formulation of carrier auxiliary fixture. In accordance with the principle of process designation, taking the bottom frame of the carrier auxiliary fixture as an example, the processing procedures of each part are analyzed and sequenced in sequence, and integrated to form the final part processing technology, which focuses on the analysis of welding parameters and process forms. According to the process routeof the auxiliary fixture for carrying auxiliary fixtures on the side wall outer panel, formulate the manufacturing process standards for the auxiliary fixture for the same type of side wall products  to provide a reference for the manufacture of products of the same category and provide a positive promotion for the standardized design of auxiliary fixtures for carrying.

  Keywords:Auxiliary fixture for carrying;structural design;multi-objective optimization design ; lightweight; Bottom frame process standard

夾具

  目 錄

  1 章 緒 論

  1.1 課題背景及研究的目的和意義

  汽車白車身的制造質量,是衡量汽車品質的關鍵指標之一。一般來說,大多數白車身由焊接在 55-75 裝配夾具上的 300 多片沖壓件組成[1,2].焊接自動化生產線由焊接夾具、焊接機器人系統、輸送系統、懸掛系統、鉚接和膠合組成。其中,焊接夾具的功能是在保證汽車各鈑金件符合圖紙要求的情況下,完成白車身高品質、高效率焊接[3].焊裝夾具屬于非標準工裝,是車身焊接生產線的重要組成部分[4].世界上汽車制造業先進國家中,焊接夾具已達到普遍化、系列化,在設計中可以合理選擇[5,6].

  汽車運載輔助夾具的設計制造是實施車身焊裝工藝的重要組成部分。汽車運載輔助夾具與自動化生產線機器人進行配合使用,其精度高,結構復雜。運載輔助夾具的作用是汽車零部件的擺放、存儲、運輸,其中,擺放是機器人在自動化焊接過程中的抓取、放置;存儲是焊接前后汽車零部件堆垛存放在指定工位或庫房;運輸是運載輔助夾具在空載或滿載時搭配物流小車按照焊接工位的順序運載到指定工位。運載輔助夾具作為汽車主機廠的重要設備具有需求量大,加工精度高,制造周期長等特點。在自動化生產線中,運載輔助夾具與機器人、焊接夾具一起配合,對保證產品質量,提高生產效率有著至關重要的作用。

  運載輔助夾具也是焊接夾具中的一種,它在運載、堆垛、機器手抓取過程中會出現底部框架變形、堆垛過程中側框變形、壓緊機構變形、定位裝置變形破損等問題,導致精度降低。以往夾具、檢具、吊具等設備的設計工作均采用經驗設計法、類比法進行,安全系數設置的較高,設計及加工制造均無標準可參照,造成極大的資源浪費。本課題針對汽車自動化焊接生產線中運載輔助夾具出現的問題而展開研究。對實際使用過程中安全裕度大導致運載輔助夾具本身自重大的問題進行輕量化設計,在保證不影響運載輔助夾具正常使用情況下,分別對整個運載輔助夾具進行多目標的優化設計。對優化完成的結構進行底部框架的拓撲仿真分析,確定最終的優化結構,對優化的結構在不同工況下進行靜力學、動力學、疲勞強度的仿真分析,同時完成產品加工工藝的標準制定,實現其在設計、加工過程中的標準化、模塊化。

  1.2 課題國內外研究進展綜述

  1.2.1 汽車自動化焊接夾具國內外發展現狀

  隨著我國汽車工業的發展,汽車焊接生產線已經不再使用傳統的焊接方法,自動剛性焊接線、機器人柔性焊接線和高柔性焊接線的時代已經到來[7].在"中國制造 2025"的推動下,汽車焊接自動化進程也在加快,自動化程度在整車制造過程中的占比高低,直接影響著整車制造質量和水平,對企業的市場競爭力也有著很大影響。汽車工業的發展趨勢和市場需求決定了國內企業只能采取即時生產的方法,讓產量與實際銷售量基本一致[8,9].毫無疑問,這種先進的設計理念與自動化技術能更有效地應對市場的壓力。

  1913 年,福特公司率先開發了第一條單品種焊接生產線[10].上世紀七八十年代,豐田公司開發設計了第一條多車型柔性焊接生產線。在白車身焊接行業的起步和發展中,國外一直走在我國的前列[11].

  由于世界發達國家的激烈競爭和挑戰,美國里海大學 Iacoca 研究提出了一個新的概念"敏捷制造"的提出標志著傳統制造業向敏捷和柔性的轉變[12].S Parkinson 提出敏捷制造的方法的原理,該方法靈活,響應迅速,并將業務的工程和營銷部門組合在一起,以滿足客戶的需求,并討論可用于支持該技術的各種技術支持[13].

  TorresTool 是西班牙 M.Torres 制造的一種可重構夾具裝置,是一種多功能、靈活的通用夾具,該裝置由伺服驅動的銷陣列組成,按最優配置進行定位,可以調整垂直方向和左右方向的定位[14].Yongbai 和 Yiming Rong 提出了基于裝配關系的模塊化夾具設計系統,定義了五種基本的裝配關系,討論了四種典型的裝配關系裝配結構[15].HE Chun 和 X Huang設計了一種頂蓋焊接夾具,通過該焊接設備,可實現前板自動焊接過程中的板裝配、定位、夾緊、鎖緊等多種功能[16].

  為了完成奧迪汽車后頭枕支架的焊接加工,Monkova K 等人通過計算機構建了焊接夾具的三維模型,此焊接夾具確保了其各部件的準確位置[17].明尼蘇達大學的 E1maraghy,Hoda 和 A1geddawy,Tarek 提出了一種模塊化集成夾具的設計方法,該系統能準確定位和點焊松散的預裝配車身零件,四種車身風格驗證了該方法的有效性[18].

  Ahmadz 等人設計了一種可以重新組裝可用的汽車車身焊接夾具,該夾具由鎖臂結構機器人、焊接夾具框架和雙刀開關組成,具有較強的可重構性和靈活性,車身焊接效率的提高,生產成本的降低,既提高了產品效益,也為焊接夾具的設計提供了有價值的參考[19].

  Ramnath B V 等人設計了一種在立式銑床上進行攪拌摩擦焊接的焊接夾具[20].該夾具能在攪拌摩擦焊過程中固定對焊工件,使其位置不發生偏移,利用 ANSYS 軟件對夾具進行了有限元分析,證實了該夾具能夠保證攪拌摩擦焊的順利進行。

  20 世紀 80 年代合資企業出現后,從國外淘汰的生產線開始引入中國。直到 21 世紀,國內經濟和科技的快速發展,使得汽車產業也開始蓬勃發展。雖然國內汽車焊接水平與國外先進的焊接線水平有很大差距,但差距正在迅速縮小。

  清華大學朱耀祥和美國吳士托工學院融亦明研制成功的孔系夾具設計軟件Fix-Des[21-23],為我國汽車焊裝夾具的研究和發展做了重大貢獻。陳猛、郭剛等,提出了將汽車焊接工藝和 CAD 系統開發進行有機結合,他們成功研發了可將汽車焊接夾具與 CAD系統結合到一起的三維汽車焊裝夾具 CAD 系統[24].湖南大學姜潮、韓旭,利用"N-2-1"定位原理,應用隔代遺傳投影的優化方法進行求解,開發了焊接夾具定位點的優化設計[25].

  華中科技大學的韓星和陳傳耀提出了使用不同建模方法來進行夾具優化的構想,提出了差分建模的思想來優化夾具[26].王軼研究了車身焊接過程中影響車身精度的諸多因素,開發出了一套車身焊接設計過程中所采用的工藝方法以及焊接工藝設計和夾具沖壓件定位系統布局的設計方法[27].

  胡志星研究車門內板總成的焊接夾具系統,實現了白車身焊裝夾具快速定位與夾緊功能[28].郭孔斌研究了汽車后門內板的焊接夾具和關鍵定位件,可以減少焊接過程中的誤差,提高汽車內板的焊接精度和焊接質量,提高焊接夾具的自動化和靈活性[29].李云濤等人通過對汽車門框的力學分析,使用有限元分析對車輛門框部分易變形處進行了再設計,此焊接夾具改進后的夾具可靠、穩定且不易變形[30],為后續夾具設計力學分析提供了重要的參考。張發全等人針對傳統焊接夾具對動車組車架適用性差的問題,提出了一種優化后的模塊化柔性焊接夾具[31],該夾具適用性強,能夠用于多種類型的普通火車和動車車架焊接,提高了實用性和準確性。姜杰鳳等人對焊接裝夾方案進行研究,設計了一套用于定位的元件,使用氣動元件對工件進行夾緊處理,通過計算機對整套焊接夾具系統進行控制,提高了夾具的自動化程度,為后續的夾具自動化設計提供了設計參考[32].

  韋義文等人針對目前變型設計主模型構建過程中手工梳理設計參數時存在的效率低下,易產生人為誤差等問題,提出了結合復雜網絡理論的焊接夾具變型主模型構建方法,同時開發了與計算機輔助設計軟件集成的變型設計主模型構建系統,提高了變型設計主模型構建效率和質量[33].

  王強等人針對傳統焊接夾具對于不同車型需要更換大部分夾具,裝夾定位精度不夠,更換夾具成本高等不足,提出一種基于柔性化夾緊結構,快速移動定位機構及平推結構的車身焊接平臺[34].

  1.2.2 結構優化的國內外發展現狀

  現代工業制造不斷追求高效、高性能、低成本的目標。工業產品通過不停地迭代優化設計,將產品進行數學建模,這是一個多學科交叉的復雜問題,涉及到力學、數學規劃、計算機科學等知識[35].

  傳統的結構設計方案大多是設計者根據以往經驗,依靠對以往產品的知識積累對產品進行設計,然后做出樣品進行測試,通過不斷地測試找到最終的可行方案。但是這種方法存在效率低、周期長、成本高[36]等缺點。設計出的產品往往只能達到測試部分的局部最優,而不能解決整體優化問題。除此之外,由于設計過程復雜,大量設計人員簡化了模型,直接使用經驗公式,導致設計精度不高。然而,結構優化設計是根據產品的結構型式、工況和材料性能建立基本模型,然后在此基礎上添加約束條件,對約束條件進行數學求解,通過多次運算進行迭代,直至結果收斂,達到預期要求。相比憑借經驗的結構設計,通過結構優化設計的方法可以充分適用材料性能,減少了總體的成本,在安全可靠的前提下,最大程度的使結構參數合理。

  早在 18 世紀中葉,結構初步設計優化布局理論由 Maxwell 提出并建立,該理論被廣泛使用在當時的設計之中。20 世紀 40 年代,Shanley、Gerard 等人提出了單一工況破壞理論,該理論認為當結構施加外力達到設計的強度極限時,如果結果即將破壞,那么該結構設計為最優化設計[37].

  上世紀 60 年代,Schimit 提出了一種將有限元法和數學規劃法相結合的結構設計方法,此后,在眾多科學家的努力下,結構優化設計得到了迅速發展[38].同時,工程中的優化問題日益復雜,線性優化設計方案已經不能滿足實際設計的需要,人們提出了準則法[39].應力準則法可以減少重分析次數,加快收斂速度。隨著優化理論分析的發展和工程結構復雜性的提高,計算機輔助分析與設計技術的出現、智能算法的引入和有限元理論的發展為結構優化增添了強大的動力[40].

  Cochrance 和 Zelenty 編輯并出版了《多目標優化》一書,為多目標優化學科的最終形成奠定了基礎[41].如果需要同時達到多個目標,并且每個目標之間可能存在沖突,要使各個目標都得到最優化,想要解決這一難題,想辦法在多個目標間取得適當的平衡,為得到問題的較優解,盡量使大多數目標盡可能接近或達到系統所需的"最優"情況。實際工程中所遇到問題基本上都是多目標優化問題,研究如何解決多目標優化問題是具有十分重要的實際意義的[41].

  20 世紀 70 年代初,密歇根大學霍蘭教授提出新的多目標優化算法模仿了生物進化定律[42],通過對模仿生物在自然界中"優勝劣汰",不斷循環這一過程,使得這一種群及種群中個體的素質不斷演變,演變的結果可能是有益的,也有可能是無益的,所以還需要對結果進行分析和篩選,循環往復,最終可以取得最符合條件的個體,也就是取得全局最優解。

  M.Dorigo 等人第一次提出了一種螞蟻在覓食時的過程中,單個螞蟻的行為往往是漫無目的的,但將數量放大到蟻群,蟻群卻可以在不同的環境條件下,找到距離食物源最短的路,其原因在于蟻群中的個體會通過特殊方式進行交流,從而不斷修正路徑,最終找到最短的那條路徑,因此,提出蟻群算法來求解最短路程問題[43].

  劉道華和他的團隊研究了如何結合前饋網絡和自適應共振網絡的優點。自適應共振是指在研究過程中,根據頻率等特性的變化,自適應地調整與共振相關的特性參數的方法[44].

  與單目標優化相比,多目標優化方法有其自身的優勢,多目標優化可同時處理多個優化目標,可以同時滿足多個需求,因此處理問題的效率更高。實際問題包含多個需要考慮的目標,并且需要同時達到多個目標,為了提高解決問題的效率,采用多目標的方法將所有需要考慮的要求結合起來,并對問題進行適當的簡化,得到多目標優化的最優解集[41].

  王麗,王瑞強等人,通過構造運動學和動力學特性的多目標優化函數,利用遺傳算法對含有運動學和動力學的雙響應指標,設計了一種機器人結構,通過多目標一優化獲得了具有較高靈活度的結構參數[45].

  于夢閣,潘振寬等人對高速列車車頭進行多目標空氣動力學優化設計,建立了高速列車頭部的三維參數模型,并進行了五個優化設計提取變量[46].

  于寧波,黃鐘玉為了改善硅片機器人結構的靜、動力學性能,實現結構的輕量化設計,引入多目標優化理論,并結合層次分析法,實現了大臂結構輕量化設計,層次分析法的引入為多目標優化問題中各子目標函數的重要性提供了客觀的理論依據[48].

  1.2.3 國內外發展現狀簡析

  目前國內廠商的焊接夾具設計、制造水平與發達國家相比還存在較大差異,主要體現在:焊接夾具設計、制造的通用化、標準化、系列化;焊接夾具裝配環節的組織管理、質量保證、裝配工藝性的基礎研究;焊接夾具制造、裝配、檢測、調試環節的自動化和智能化的程度等三個環節。

  從國內外專家學者的研究現狀來看,因為焊接夾具應用前景誘人,國外相繼成立了許多焊接夾具研究機構并開展研究,取得了良好效果。國內 20 世紀 80 年代開始焊接夾具技術的跟蹤研究,雖然存在很多有價值的新理論和新方法,但總的來說,各種理論和方法還不成熟,導致焊接夾具的工業自動化、智能化的工程實際應用程度不高。尤其對于像運載輔助夾具這種機械的裝配工藝設計仍存在一些不足和需要解決的問題,主要體現在:

 。1)面向運載輔助夾具的機械結構標準化設計欠缺目前,針對汽車自動化焊接生產線焊接夾具的研究已經取得了一些顯著成果。但汽車自動化焊接生產線中運載輔助夾具設計沒有相對統一的標準,設計人員無法在最短的時間內獲得基于某一標準的產品,需要花費大量時間進行單獨設計,導致同品類運載輔助夾具設計周期長、結構差異大。

 。2)運載輔助夾具的結構分析欠缺運載輔助夾具是用來配合汽車自動化焊接生產線的機械手進行汽車零部件抓取、工位間轉運的夾具。在其生命周期內不斷承擔裝件、取件、運輸、堆垛等工作,工作中又在不斷的承受沖擊、靜壓等載荷,所以運載輔助夾具的設計與制造既要考慮鈑金零件的變形與回彈,還要考慮自身結構的穩定。在實際使用中運載輔助夾具會出現底部框架變形、堆垛側框變形、定位裝置破損等問題,現有的針對汽車夾具研究還沒有拓展到對運載輔助夾具結構研究。本文采用多目標優化方法進行優化結構,并將優化的結構通過有限元仿真分析方法進行分析、模擬不同工況中運載輔助夾具結構變形來判斷運載輔助夾具設計是否滿足技術要求。

 。3)面向運載輔助夾具的制造工藝的標準化設計欠缺現有運載輔助夾具工藝文件較復雜,加工人員經常誤解工藝設計意圖,導致工序錯誤的現象出現,每次都需花費大量時間仔細研讀工藝文件。本文以某汽車主機廠自動化焊接生產線側圍外板運載輔助夾具為例,建立側圍運載輔助夾具的加工工藝路線,參照側圍外板運載輔助夾具工藝路線制定同類運載輔助夾具工藝標準,來固化指導加工。

  1.3 本文的主要研究內容及技術路線

  綜合國內外研究現狀,本課題以某主機廠提供技術任務書、側圍外板 3D 數模、工藝文件和夾具設計標準為依據,對側圍外板運載輔助夾具結構運用 CATIA 軟件進行三維建模。建模完成后,對運載輔助夾具進行受力分析。然后,根據現場出現的問題采用多目標優化方法進行結構優化設計,得到優化后的運載輔助夾具三維數模。采用有限元分析軟件Ansys Workbench 對運載輔助夾具關鍵結構進行拓撲優化仿真分析,得到改進結構,對優化前后的運載輔助夾具結構在不同工況下分別進行靜力學、動力學仿真分析及疲勞壽命分析,得到最終的數據。最后,針對最終優化結構提出一整套完整工藝路線,制定同類產品的工藝標準。本課題主要的研究內容思路策劃如圖 1-1 所示。

  1. 參照焊接夾具的定位原理、基準統一原則、技術任務書、側圍外板的主要工藝參數等標準,以轎車自動化生產線側圍外板運載輔助夾具為研究對象,對運載輔助夾具的主要結構進行 CATIA 三維建模設計,并對建模完成的運載輔助夾具進行詳細強度變形、受力分析。

  2.針對實際使用過程中安全裕度大導致運載輔助夾具本身自重大的問題進行輕量化設計,在保證不影響運載輔助夾具正常使用情況下,分別對整個運載輔助夾具進行多目標的優化設計。

  3. 運用有限元軟件 ANSYS Workbench 對運載輔助夾具的底部框架進行拓撲優化,實現輕量化設計。然后針對優化前后運載輔助夾具結構進行不同工況下的靜力學分析,對比分析結果,在對優化后的運載輔助夾具進行動力學仿真、疲勞壽命仿真分析,得到最終的數據結果。

  4. 按照工藝制定原則,對每個零件的加工工序進行整合,形成最終的零件加工工藝。

  在工藝制定過程中主要對焊接的形式、參數選定等進行分析,制定符合運載輔助夾具的工藝標準。根據側圍外板運載輔助夾具的工藝標準,制定同類側圍產品運載輔助夾具加工制造工藝標準。

  第 2 章 運載輔助夾具三維結構設計及關鍵結構受力分析

  2.1 運載輔助夾具簡介

  2.2 運載輔助夾具結構的三維建模

  2.2.1 需求分析

  2.2.2 運載輔助夾具的工作原理

  2.2.3 運載輔助夾具機械結構設計流程

  2.2.4 運載輔助夾具的構成

  2.3 運載輔助夾具關鍵結構的力學分析

  2.3.1 運載輔助夾具結構的組合變形

  2.3.2 運載輔助夾具變形分析

  2.4 本章小結

  第 3 章 運載輔助夾具結構優化設計

  3.1 運載輔助夾具常見結構問題

  3.2 運載輔助夾具優化設計

  3.2.1 結構優化設計數學模型

  3.2.1.1 基本概念

  3.2.2 多目標優化設計問題與數學模型的建立

  3.3 本章小結

  第 4 章 基于有限元方法對運載輔助夾具結構的分析及優化設計

  4.1 工況分析及有限元分析流程

  4.2 底部框架的拓撲優化設計

  4.2.1 定義設計空間

  4.2.2 基于有限元軟件 ANSYS 中對底部框架結構進行拓撲優化設計

  4.3 經驗法、類比法設計結構與優化后結構的靜力學有限元仿真分析

  4.3.1 有限元模型的建立

  4.3.2 定義材料參數及網格的劃分

  4.3.3 施加載荷和約束

  4.3.4 仿真結果分析

  4.4 動力學分析

  4.4.1 動力學分析簡介

  4.4.2 優化后運載輔助夾具顯示動力學分析

  4.5 優化結構的疲勞強度校核

  4.6 本章小結

  第 5 章 運載輔助夾具加工制造工藝路線提出及標準的制定

  5.1 工藝路線的制定規則與步驟

  5.1.1 工藝路線的制定規則

  5.1.2 工藝路線的制定步驟

  5.2 運載輔助夾具的工藝分析及工藝路線的提出

  5.2.1 材料的選取

  5.2.2 部件工藝過程分析及工藝路線標準的建立

  5.3 本章小結

  結 論

  本課題針對汽車焊接生產線中側圍外板運載輔助夾具在實際使用中出現的結構變形問題,提出了運載輔助夾具設計的標準化、模塊化,同時,采用數學方法對運載輔助夾具實際工作工況進行優化設計并進行模型的改進設計,將設計完成的模型在有限元分析軟件中進行仿真驗證。取得主要研究成果如下:

 、乓云囎詣踊a線側圍外板運載輔助夾具為研究對象,結合現場應用環境、精度要求、設計標準及定位原理等,利用 CATIA 軟件對運載輔助夾具主要結構進行三維模型設計,在設計的過程中對關鍵結構部件,如定位部件的設計、夾緊部件等進行模塊化、標準化設計。同時,將與其它部件裝配方式由焊接、鉚接改進為可調節的螺接形式,這樣在進行不同鈑金件類運載輔助夾具設計時,可以通過調用側圍外板運載輔助夾具中現有的模塊化結構,簡單調整外形結構參數即可滿足實際連接關系,這樣不但縮短了設計的周期,還可以對以往類似產品制造用的專用胎具進行二次改造利用。

 、茖υO計完成的運載輔助夾具進行受力分析。主要針對承力部件進行內外力、應力分析,進而得到運載輔助夾具的組合變形情況,進而確定其危險截面的強度點位置,根據連接結構及截面的不同確定最終結構的剛度計算公式。

 、窃谶\載輔助夾具常規使用工況條件下,提出以質量、變形量、成本最小為設計函數的多目標優化,建立合理的約束函數。通過建立多目標數學模型,計算分析彎曲工況下的整體彎曲剛度、局部彎曲剛度等兩種評價指標,利用計算機仿真技術對設計的合理性進行優化。在滿足運載輔助夾具的剛度和強度前提下,側框部件、支撐部件、定位部件中的方鋼管材料厚度δ的變化值與方管、矩形管的實際設計長度和連接方式有關,其中在滿載工況下,長度為 1080mm、1030mm 的方管厚度由 4mm 變化為 3mm,長度為 995mm、980mm,950mm、1025mm 的管材厚度由 4mm 變化為 2.5mm;在堆垛工況下,長度 1285mm、1060mm矩形管厚度由 4mm 減少到 3.5mm,長度為 1060mm、1205mm 方管厚度由 4mm 減少到2.5mm.側框部件、支撐部件、定位部件中的一部分方鋼管截面和厚度發生變化,當其中對應方管厚度δ的變化由原來的 4mm 減少到 3.5mm 或 2.5mm 時,可得到最優解。運載輔助夾具進行多目標優化之后,結構變形量微小,最大應力值小于屈服極限值,能很好地滿足實際使用需求,故對其結構部分的多目標優化改進是有效的。多目標優化前,運載輔助夾具的重量為 565.223kg,優化后的重量為 497.572kg,重量減輕了 11.97%,在滿足運載輔助夾具功能和可靠性前提下,實現了運載輔助夾具輕量化設計的目的。在批量生產過程中每臺運載輔助夾具材料成本降低了 291 元,為同類別產品的設計提供參考。

 、峭ㄟ^對運載輔助夾具進行工藝規劃,以底部框架為研究對象對其工藝進行逐一分析,通過計算、模擬仿真等方式得出下料、焊接、校型等工序的制造標準及選用合理加工設備。其中,確定了焊接部件的焊接標準,包括焊接連接形式、焊接工序選擇、焊接設備選擇等;定位結構的標準是針對每個零部件,保證零部件加工時每一道工序的標準均與設計標準統一;加工設備的選定在零部件工藝制定的過程中至關重要,針對每一種零部件的自身特點,結合設備利用率,合理選定專用加工設備,也是運載輔助夾具加工制造工藝標準制定的關鍵。

  前景展望:

  本課題對運載輔助夾具進行三維建模、優化設計、工藝標準制定進行了研究,雖提出了合適的方案,但是研究內容中仍有部分不足需要完善。

 。1)針對運載輔助夾具在生產過程中的存在的產品質量缺陷多這一弊端,運載輔助夾具生產過程中應建立質量跟蹤系統,此跟蹤系統必須對部件進行實時掃描跟蹤,將數據采集到終端,實時追蹤產品質量、反應生產時間、核實生產工序等;

 。2)采用模塊化設計的理念,以 Visual Studio2017 和 C#為開發環境和開發語言,開發完整的數字化參數系統,開發完成后可以根據不同尺寸調用結構數據庫,自動生成對應的模塊化程序和結構;

 。3)對于運載輔助夾具加工工藝系統參數化的設計?蓪⑷S計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助工藝過程設計(CAPP)系統進行集成,通過兩種方式的集成,對于相似的零件可以高效的完成其工藝內容的編制工作。

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  致 謝

  畢業論文完成之際,意味著我人生中的研究生階段也即將結束;叵肫 3 年來的點點滴滴,我深切感受到自己是在多位老師,同學和親朋好友的關愛幫助下,才一步一步地走到今天。感謝陪我一起度過美好時光的每位老師和同學們,正是由于你們的指導和幫助,我才能克服困難解決疑惑,順利完成學業。

  首先要感謝我的導師張海波教授,導師治學嚴謹、誨人不倦、平易近人、為人謙和,不僅在學習和生活中給予了我極大的指導與幫助,還使我懂得了許多做人的道理和對待人生的態度,對我影響頗深,這些都必將成為影響我今后學習、工作和生活的寶貴財富。從課題的選擇到論文的最終完成,導師都始終給予我耐心的指導和支持,我取得的每一點成績都凝聚著恩師的汗水和心血。導師開闊的視野、嚴謹的治學 態度、精益求精的工作作風,深深地感染和激勵著我,在此謹向我的導師張海波教授致以衷心的感謝和崇高的敬意。

  感謝范久臣教授對我科研思路的引導和幫助,使我的科研能力,理論水平,研究方法,組織與協調能力等方面得到很大的提高;他積極向上的人生態度,嚴謹務實的工作作風,堅韌不拔的性格魅力,深刻地感染著我,影響著我。

  感謝張杰教授、趙立華教授、劉歡講師在我的課題研究中對我的悉心幫助,在研究思路中提出寶貴的指導性意見。

  感謝課題組的師弟師妹們與我一道分享他們青春的快樂!在此還要對課題組所有師兄弟姐妹們在平時開展相關工作中的支持和幫助一并表示感謝。感謝我的伙伴們在論文寫作過程中提供的熱心幫助!

  感謝我的家人朋友們在三年的學習中一直給予我無條件的愛,給予我最大的精神支持,成為我完成學業的堅強后盾。

  最后,我要向百忙之中參與審閱、評議本論文各位老師、向參與本人論文答辯的各位老師表示由衷的感謝!人生的每個階段都值得好好珍惜,這段美好歲月,因為有你們的關心和幫助,我很幸福。把最美好的祝福獻給你們,愿永遠健康、快樂!

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