（机械制造及其自动化专业论文）白车身生产线焊点规划方法研究与应用.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e d t o 保密2 年 t o n 卣iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t y w i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nw e l d i n g s p o tl a y o u t i nc a r b o d y 。i n - w h i t e p r o d u c tl i n e ( s u p p o r t e db yf o u n d a t i o n 。f s h a n g h a i a u t o m 。t i v ei n d u s t r yc 。r p o r a t i o n ，g 。a m n o 0 5 0 4 ) s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o l o fm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ： m a j o r ： c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g a n da u t o m a t i o n p i n gy i n p r o f h a i j i a n gl i u j a n u a r y ，2 0 0 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：罗薄 纠年月3 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在乏年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：y 1l 脑l 乙 学位论文作者签名：乡薄 讥， 年p1 月i ) 日0 棚玎年月，多日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：尹碑 知p 了i f - f 月d 日 摘要 摘要 焊接是白车身制造过程中的重要环节，白车身焊接质量的优劣对整车质量 起着决定性的作用。合理的焊点规划可以确保焊接质量、降低生产成本、提高 生产效率。然而，目前国内大多数汽车生产企业进行白车身焊点规划所使用的 手段和设计理念远没有达到世界先进水平，所做的焊点规划方案不够完善，缺 乏严格的数学论证，从而导致生产周期过长，影响了整条焊接线的生产。因此， 提出合理的焊点规划方案，编写相应的焊点管理软件，使之能够很好地进行规 划是非常必要和迫切的。 本研究以帕萨特b 5 为研究对象，针对白车身焊点规划的特点和要求建立了 “白车身焊点管理系统”。在设计系统前，本研究分析了白车身焊接生产过程， 探讨了白车身焊点规划的影响因素：零件、点焊工艺和制造资源。在此基础上， 提出了焊点规划的数学模型，分析了焊点规划的数学原型一背包问题，并比较 各算法j 结合白车身焊点规划的特点，选择爬山算法作为焊点规划的数学算法。 在设计系统时，本研究是在v i s u a lc + + n e t 和s q ls e r v e r2 0 0 0 的软件环 境下进行白车身焊点管理系统的开发。按照规范化的开发流程，从数据库设计 到界面设计再到最后的功能模块设计，实现了软件的几大功能：焊点查询，包 括焊点号查询、零件号查询、高级查询：焊点分配，包括分配焊点、取消分配； 焊点信息，包括查看焊点信息、修改焊点信息。最后本研究以帕萨特b 5 左前门 某一工位的焊点规划任务作为实例，详细介绍了“白车身焊点管理系统”的功 能和在实际生产中的应用。 本研究的意义在于将传统凭借人工经验进行的焊点规划用定量的数学语言 描述，根据企业实际需求编制相应的程序，实现在计算机上进行焊点规划，从 而提高了规划任务的效率和准确率。所以本研究具有一定的社会效益和经济效 益。 关键词：白车身，焊点规划，背包问题，焊点管理系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w e l d i n gi sav e r yi m p o r t a n ts t e pi np r o d u c i n gc a r - b o d y t h ew e l d i n gq u a l i t yo f c a r b o d yi nw h i t ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o l ec a r r e a s o n a b l ew e l d i n gs p o t l a y o u tc a ni n s u r ew e l d i n gq u a l i t y , r e d u c ep r o d u c t i o nc o s ta n di m p r o v et h ew o r k i n g e f f i c i e n c y h o w e v e r , t h em e a s u r e sa n dt h e o r i e su s e db yc u r r e n t l ym o s td o m e s t i cc a r m a k e r sa r ef a rl a gb e h i n dt h ea d v a n c e dl e v e l t h ep l a n sa r en e i t h e rp e r f e c tn o rl a c ko f m a t h e m a t i c sa r g u m e n t a t i o n ，w h i c hw i l lr e s u l ti ni n c r e a s i n gp r o d u c tc y c l et i m ea n d i m p a c t i n gt h ew h o l ep r o d u c tl i n e s oi ti sn e c e s s a r ya n du r g e n tt op r e s e n tr e a s o n a b l e p l a na n dp r o g r a mr e l e v a n ts o f t w a r e b a s e do np a s s a tb 5a n da c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u e s t so fw e l d i n g s p o tl a y o u tt h i sr e s e a r c hd e v e l o p e d w e l d i n gs p o tm a n a g e m e n ts y s t e mo fc a r - b o d y i nw h i t e ”b e f o r ed e s i g n i n g ，i ta n a l y z e dt h ew e l d i n gp r o c e s so fc a r - b o d yi nw h i t e a n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha sp a r t s ，w e l d i n gp r o c e s sa n dp r o d u c t r e s o u r c e s t h e nt h ea r t i c l ep r e s e n t e dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fw e l d i n gs p o tl a y o u t ， a n a l y z e dt h ea r c h e t y p ew a sk n a p s a c kp r o b l e m a f t e rc o m p a r i n g t h r e ek i n d so f a r i t h m e t i ct ok n a p s a c kp r o b l e ma n dc o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fw e l d i n g s p o tl a y o u tt h i sr e s e a r c hc h o s em o u n t a i nc l i m b i n ga r i t h m e t i c a si t sm a t h e m a t i c s a r i t h m e t i c t h i sr e s e a r c h d e v e l o p e d t h ew e l d i n g s p o tm a n a g e m e n ts y s t e m i nt h e e n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + n e ta n ds q ls e r v e r2 0 0 0 a c c o r d i n gt 6s t a n d a r d p r o c e d u r e ，f r o md a t a b a s et o i n t e r f a c ea n dt of u n c t i o n a lm o d u l e s ，t h es y s t e mw a s d e v e l o p e ds t e pb ys t e p a n dr e a l i z e ds c h e d u l e df u n c t i o n s t h e s ef u n c t i o n sw e r e s e a r c h i n gw e l d i n gs p o t m o d u l ei n c l u d i n gw e l d i n gs p o tn o s e a r c h i n g ，p a r tn o s e a r c h i n g a n da d v a n c e ds e a r c h i n g ；a s s i g n i n gw e l d i n gs p o t m o d u l ei n c l u d i n g a s s i g n i n gw e l d i n gs p o ta n dc a n c e l i n gi t ；w e l d i n gs p o ti n f o r m a t i o nm o d u l ei n c l u d i n g l o o k i n gf o ra n da m e n d i n gt h e s ei n f o r m a t i o n a tl a s t t h i sr e s e a r c hu s e daw o r k i n g p r o c e d u r ei nt h el e f tf r o n td o o ro fp a s s a t b 5a sa ne x a m p l et oe x p l a i nh o wt h e s y s t e mt ob eu s e di na c t u a lp r o d u c t i i a b s t r a c t t h es i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hi st h a ti tu s e dm a t h e m a t i c sl a n g u a g et od e s c r i b e w e l d i n gs p o tl a y o u t w h i c ht r a d i t i o n a l l y d e p e n d e d o nh u m a n er e s o u r c ea n d p r o g r a m m e dr e l e v a n ts o f t w a r ea c c o r d i n gt h er e q u i r e m e n t so fe n t e r p r i s e t h es y s t e m c a l ll e tw o r k e r sm a k ew e l d i n gs p o tl a y o u tw i t ht h eh e l po fc o m p u t e r , a n di t c a n e n h a n c et h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n dv e r a c i t y s ot h er e s e a r c hh a sb o t hs o c i e t ya n d e c o n o m yb e n e f i t s k e yw o r d s ：c a r - b o d yi nw h i t e ，w e l d i n gs p o tl a y o u t ，k n a p s a c kp r o b l e m ，w e l d i n g s p o tm a n a g e m e n ts y s t e m 1 1 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题提出的背景及其研究意义1 1 2 国内外的发展现状3 1 3 研究主要内容4 第二章白车身生产线焊点规划技术研究6 2 1 前言6 2 2 白车身生产线焊点规划分析6 2 2 1 白车身焊接生产过程6 2 2 2 白车身生产线焊点规划对象研究分析8 2 3 系统研究分析1 9 2 3 1 系统技术方案1 9 2 3 2 系统关键技术2 1 2 4 小结2 1 第三章白车身生产线焊点规划方法2 2 3 1 前言2 2 3 2 焊点规划的目标2 2 3 3 焊点规划的基本原则2 3 3 3 1 焊点规划前期准备2 3 3 3 2 焊点规划2 5 3 4 焊点规划数学模型2 8 3 4 1 分配涉及因素分析2 8 3 4 2 焊点分配数学方法3 2 3 5 小结3 8 i v 目录 第四章白车身生产线焊点管理系统3 9 4 1 前言3 9 4 2 焊点管理系统的数据库设计3 9 4 2 1 需求分析4 0 4 2 2 概念结构设计4 1 4 2 3 逻辑结构设计4 3 4 3 焊点管理系统的程序设计4 4 4 3 1 软件环境4 4 4 3 2 系统界面设计4 8 4 3 3 数据库连接5 0 4 3 4 系统的功能模块设计5 2 4 4 小结5 3 第5 章焊点管理系统的功能与应用5 4 5 一1 一前言5 4 刚舌5 4 5 2b 5 左前门焊点管理任务分析5 4 5 3 系统功能说明5 4 5 3 1 焊点查询5 5 5 3 2 焊点信息浏览及修改5 7 5 3 3 焊点分配5 9 5 3 4 焊接管理6 0 5 3 5b 5 左前门分配结果6 1 5 4 小结6 4 第六章结论及展望6 5 致谢6 7 参考文献6 8 v 目录 附录a 白车身焊点管理软件部分源代码7 1 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 2 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及其研究意义 焊接是现代机械制造业中一种必要的工艺方法【l0 1 ，焊接工程是集工艺、机 械、材料、控制、计算机等多学科的、跨领域的集成性技术。焊接技术在汽车 制造中得到广泛的应用，它与冲压、涂装、整车总成装配是汽车制造的4 大技 术支柱。在汽车的车架、车身、车厢、发动机、变速箱、车桥等6 大总成中， 焊接技术都有广泛的应用，所以焊接技术的创新和提高是汽车制造水平提升的 基础和助力器。 中国汽车工业已经走过了5 0 年的发展历程，可以说中国的汽车焊接技术也 伴随着中国汽车工业走过了5 0 年。在5 0 年中，中国汽车工业从无到有，逐渐 走向国际化，汽车焊接技术也从落后、自主开发、技术引进到整线引进，逐渐 接近国际先进水平【o b 】。而在汽车发展历史中，汽车车身经历的变化最多。汽车 车身不仅与底盘和发动机一起构成汽车的三大部件，而且还是决定汽车产品市 场竞争力和市场寿命的主要因素之一。汽车白车身( b o d yi nw h i t e ，b i w ) 如图 1 1 所示，是指尚未进入涂装和内饰总装阶段之前的车身畔】。白车身是汽车其他 零部件的载体，是以“钢结构 为主的支撑部件，它是一个复杂的体系，制造 过程相当复杂，如图1 2 所示。白车身零部件数量众多、结构复杂，制造成本约 占整车的4 0 6 0 ，通常有3 0 0 - 5 0 0 多个形状复杂的薄板冲压零件，在5 5 - 7 5 个工位上大批量、快节奏的焊接而成。生产时，装夹定位点多达1 7 0 0 - - - , 2 5 0 0 个，焊点多达4 0 0 0 - - 5 0 0 0 个【0 3 1 。所以，车身焊接的优劣对整车质量起着决定性 作用，因此在白车身大规模生产准备过程和整个制造周期中，焊接的工艺规划 十分重要，如图1 3 所示，其中焊点的管理和对焊接任务的分配尤为关键。 车身焊接主要应根据生产纲领来确定生产节拍，根据焊接工作量来确定焊 接设备数量、焊接固定工位和焊接生产线的数量，生产线的形式又要根据工件 的大小、结构复杂程度和生产面积的大小来确定，一般应有底板装焊线，左右 侧围装焊线，车门装焊线，车身总焊线和车身调整线等，其他可以采用焊接央 具固定工位进行生产。焊接设备以悬挂式点焊、多点焊、机器人点焊为主：c 0 2 第一章绪论 焊、气焊和悬挂缝焊为辅。 图1 1白车身结构 图1 2 白车身制造过程 在白车身制造中，焊接技术的要求和发展趋势如下：对焊接产品有高的尺 寸精度要求、对焊缝接头有高的性能要求、对批量化焊接生产有高品质的要求、 对焊接过程有高节拍、高效率的要求以及生产更加文明和自动化等等【0 5 1 。 为了符合汽车工业中焊接技术的发展趋势，必须进行合理的焊点规划，从 而实现高节拍、高效率的生产要求。 但是，目前对于白车身的焊点规划主要还是依靠工艺规划人员的经验水平 和手工操作来完成，由于信息规模庞大，手工操作难免出现许多问题，重复、 2 遗漏的现象时有发生：而且规划人员各自进行设计，通常需要经过多个环节、 多方面的协调方可形成最后方案，规划人员的工作处于孤立分散的状态，规划 2 第一章绪论 人员之间、规划人员与其他部门人员之间的协调和合作能力受到限制，这样必 然会造成规划的低效率和低质量，从而导致生产周期过长，影响了整条焊接线 的生产。这样的焊点规划方法远远没有达到世界先进的水平，而且现行的以人 工为主的方法缺乏严格的数学论证，所以制订的规划方案存在着很大的随机性。 图1 3 焊接规划在白车身生产和制造中的地位 因此，国内的汽车企业希望展开联合研究，对白车身焊点进行更合理有效 的规划，目的在于减少规划时间和规划量、加强工艺的标准性、减少出错率、 提高生产效率，降低生产成本，提高资源的利用率从而给企业带来巨大的实际 效益。因此本研究具有一定的社会效益和经济效益。 1 2 国内外的发展现状 在白车身工艺规划中，焊接规划是其最主要的工艺方面。具有焊接规划功 能是一个白车身工艺规划系统最基本和最重要的要求。焊接规划系统主要是实 现焊点管理，包括焊点的查找、焊点信息的修改以及焊点分配等功能，实现 在计算机上管理白车身焊点信息，从而为解决当前白车身制造过程中存在的焊 点管理问题提供新的手段。 3 第一章绪论 国外的研究机构已经进行了这方面的应用性技术研究，研究成果可以实现 焊点分配，同时也为焊点和焊接设备提供高级查询工具，焊接工艺规划树也确 保了焊接工艺规划的正确性。为了更精确的属性管理，焊接管理系统也提供了 详细的焊点浏览器、详细的焊枪浏览器、详细的焊机变压器浏览器和详细的焊 机控制器浏览器、按照要求输出焊接管理报告如焊接管理选项卡表、焊枪备用 零件报表、焊接数据表等，并且进行焊接管理一致性检验。t e c n o m a t i x 公司开 发的e m 系列软件就是该类软件。 目前，国内检索到相关技术的研究不多。在2 0 0 2 年底上海大众引进了德国 大众正在使用的工艺规划软件e m p 1 a n n e r ，用于自车身工艺规划和设计工 作。但是从国外购买此类软件虽然可以提高汽车生产线焊点规划水平，同时也 大大增加了汽车的生产成本，降低其在市场上的竞争力，因此目前国内大部分 汽车公司的白车身焊点规划仍然是依靠人工来完成，其水平仍停留在相当落后 的阶段。 现代计算机技术和软件技术日新月异的发展为解决这项难题提供了有利的 工具和手段，只要花费有限的资金就可以应用这些先进的工具和手段来开发自 己的白车身焊点规划软件“白车身生产线焊点管理系统 。白车身生产线焊 点管理系统为工艺规划人员提供了一个统一完整的资源信息平台。它将所有的 数据统一存储在计算机中，提供完整的信息读取、信息操作、信息交流的数据 平台，增加了信息管理的可视性；同时它在为工艺人员提供方便快捷的信息管 理功能的同时，保证了数据的一致性和安全性，完全适应车身制造过程中焊点 信息管理的需要。 1 3 研究主要内容 本研究是基于上海汽车工业科技发展基金会项目一“帕萨特轿车自车身工 艺及生产线规划设计知识管理系统研究与实现”，结合上海大众汽车有限公司白 车身焊点规划的实际情况，提出开发白车身生产线焊点管理系统，以此来提高 汽车白车身工艺规划的速度与质量。 白车身焊点规划是一个复杂的问题，涉及较多的因素，有些因素之间还存 在着一定的联系。本研究明确了焊点规划的目标和基本原则，分析了白车身焊 点规划的影响因素，在此基础上建立白车身焊点规划的数学模型，分析了白车 4 点规划方面的研究状况，说明了本研究具有一定的社会效益和经济效益。 论文第二章研究了白车身生产线焊点规划技术。分析了白车身焊接生产的 过程，研究了白车身焊点规划的三个因素：零件、工艺、资源，并在此基础上 提出白车身焊点管理系统，实现在计算机上管理以及分配焊点的功能。 论文第三章研究了白车身生产线焊点规划方法。根据白车身焊点规划的影 响因素，确定在白车身焊点规划中，起作用的是零件、点焊工艺、制造资源以 及数学算法。分析了白车身焊接的特点，研究了白车身焊点规划的数学原型一 一背包问题，并比较了各算法之间的优缺点。 论文第四章详细论述了白车身焊点管理系统的开发过程：从数据库的设计 到系统界面设计再到最后的程序设计，详细阐述了焊点管理系统的开发流程。 其间选用v i s u a lc + + n e t 和s q ls e r v e r2 0 0 0 作为开发工具，实现焊点查询、 焊点分配、焊点信息浏览和修改等软件功能。 论文第五章详细介绍了“白车身焊点管理系统的功能和在实际生产中的 应用，并以帕萨特b 5 白车身左前门某一工位的焊点规划任务作为实例，运用白 车身焊点管理系统软件完成该工位的焊点分配任务。 论文的第六章是对本研究工作进行总结，并针对本研究的局限性提出后续 工作与展望。 5 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 2 1 前言 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 白车身生产线焊点规划是一个复杂的问题，涉及到较多的工程因素，如焊 点的数量和位置、零件、焊钳、工装夹具等等，因此在进行焊点规划之前，必 须要对这些因素有个全面的了解。本章研究了白车身的焊接过程，分析了影响 白车身焊点规划的三个因素：零件、点焊工艺、资源。同时本章介绍了白车身 焊点管理系统，该系统实现了在计算机上管理白车身焊点信息，为解决当前白 车身制造过程中存在的焊点管理问题提供了新的手段。 2 2 白车身生产线焊点规划分析 白车身通常由3 0 0 - - - 8 0 0 多个具有复杂空间曲面的薄板冲压零件组成，结构 相当复杂。制造这样一个复杂的车身，通常要经过5 5 - - - , 7 5 个工位，用到1 0 0 多 个大型夹具以及5 0 0 - - 8 0 0 个定位器，装夹定位点多达1 7 0 0 一- - 2 5 0 0 个，而焊点 数更是多达3 0 0 0 - - 5 0 0 0 个。所以，车身焊接的优劣对整车质量起着决定性作用， 而焊点的工艺规划在白车身大规模生产准备过程和整个制造周期中更是有着举 足轻重的地位。以帕萨特b 5 轿车为例，其白车身总成由七大部分7 4 3 个零件组 成，其焊接信息如表2 1 所示。 表2 1 帕萨特轿车白车身总成焊接信息表 2 2 1 白车身焊接生产过程 焊接技术是汽车制造中的一项关键技术，它与冲压、涂装和整车总成装配 是汽车制造的4 大技术支柱【0 9 1 。白车身焊接生产过程是一个复杂的过程，其生 6 图2 1 白车身焊接生产流程示意图 白车身焊接主要应根据生产纲领来确定生产节拍，根据焊接工作量来确定 焊接设备数量、焊接固定工位和焊接生产线的数量，生产线的形式又要根据工 件的大小、结构复杂程度和生产面积的大小来确定，一般应有底板装焊线，左 右侧围装焊线，车门装焊线，车身总焊线和车身调整线等，其他可以采用焊接 央具固定工位进行生产【1 0 】。其中单个焊接工位的生产过程大致如下：运输一定 位并夹紧一焊接一松开夹具一运输。 近年来车身焊接的发展趋势是： ( 1 ) 改进车身的制造程序。把构成车身总成的主要部件划分为底板带前端分 总成、左右侧围分总成和顶盖分总成四大件，再加上一些前后风窗上下框和外 板等零部件。这样可简化车身总成的装焊工序，有利于提高自动化程度，增加 产量，节省厂房面积和降低成本。 7 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 ( 2 ) 用机器人点焊代替人工点焊，甚至取代多点焊机点焊。它不仅能提高自 动化水平，节省人力，而且能更好地保证质量。 ( 3 ) 实现多车型的柔性生产。即在同一条装焊线上，以任意顺序组织多种变 型车的生产。利用现代电子技术在变换车型品种时，自动地将信号通知全线各 个工位，使各工位的焊具或工装快速自动调整换位，以适应新产品的生产。 2 2 2 白车身生产线焊点规划对象研究分析 在白车身工艺规划中焊点规划是其主要方面。焊点规划的任务就是在特定 的生产条件下，确定生产节拍和生产过程、确定生产设备和劳动力的配置以达 到高质量、高效率、低成本的目标。 焊点规划最终以焊接工艺规程的形式出现。焊接工艺规程又称焊接细则， 是指导焊工操作的详细工艺说明书，是以工艺评定为基础，以具体产品为服务 对象的详尽焊接工艺】。焊接工艺规程指导焊工正确选用焊接材料，焊接参数 与操作技术，同时也可作为焊接材料定额，综合制造工艺规程和焊缝质量的检 查依据【1 2 】。 在焊点规划过程中，要考虑与焊点相关的三个对象：零件、工艺和制造资 源。图2 2 ( a ) 表示了零件、工艺和制造资源三者在规划中的三种代号，三角形 表示零件( p a r t ) ，矩形表示工艺( o p e r a t i o n ) ，圆形表示制造资源( r e s o u r c e ) 。 如图2 2 ( b ) 所示，不同的箭头分别表示了车身焊接的物资流( m a t e r i a lf l o w ) 、 资源流( r e s o u r c ef l o w ) 和工艺顺序( o p e r a t i o no r d e r ) ，该图表现了白车身制 造时三者的关系和流动过程i l3 1 。需要指出的一点就是在规划领域中，制造资源 不仅仅是生产设备，工人也属于制造资源、工人工资是重要的制造成本。 险 零件 工艺 图2 2 ( a ) l o p e m u o n 畛嗽黪r e s o 岫 焊接规划中各对象的基本关系 妒- 、i ，莎、 p r 三!圆，颦 8 图2 2c o ) o 叠的t h 苗( 憎 涉 _ + 国 ，源 q 一 生产线焊点规划技术研究 结构比较复杂。国外汽车制造企业根据多年 的特点。根据装配顺序将白车身零件分成多 成的焊接之后，才进行上一级的焊接【2 2 1 。也 就是整个装焊过程先将零件装焊成组合件和部件，最后由若干个零件、组合件 和部件装焊成结构总成，这一装焊过程，需按严格的要求和顺序进行【1 4 】。其分 级情况如下：第一、二级为总装车间总成。第三级为白车身总成。第四级为装 焊在第三级装焊线上的总成零件，如车身焊接总成。第五级为装焊在第四级装 焊线上的分总成零件，左前门是装焊在车身焊接总成上的分总成，属于第五级。 以下各级依次类推，总之，上一级零件是下一级的总成，各级别呈树状关系。 以帕萨特b 5 轿车为例，整个车身由七大总成组成，共计7 4 3 个零件，如图2 3 所示。 在白车身焊点规划过程中，必须考虑各零件的焊装顺序，因为在焊装过程 中存在着零部件加工过程的物流方向，这一物流方向在表达零件加工运送途径 的同时也表明了各个零件加工工位之间的上下依存关系。如车身部件的总成必 须在车身部件各组成部分的分总成工位的基础上进行，车身整体车架的补焊必 须在车身车架的定位焊工位加工完毕的基础上进行i l6 1 。以帕萨特b 5 轿车左前门 为例，白车身左前门总成是一个大的零件总成如图2 4 所示，它的制造过程是 严格按照一定的顺序进行加工，如图2 5 所示。 图2 4 帕萨特b 5 白车身左前门零件结构图 9 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 图2 3 帕萨特b 5 白车身总成结构简图及零件数 1 0 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 2 2 2 2 点焊工艺 图2 5 帕萨特b 5 白车身左前门制造顺序图 制定合理的点焊工艺是保证焊接质量的关键因素。在整个焊接件生产过程 中，工艺设计工作贯穿其中。工艺设计工作不仅涉及到企业的生产类型、产品 结构、工艺装备、生产技术水平等，甚至还要受到工艺人员实际经验和生产管 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 理体制的制约，其中任何一个因素发生变化，都有可能导致工艺设计方案的变 化【1 7 1 。 1 焊接方法的选择 白车身组成零部件除某些加强结构外，都是薄板冲压零件，其厚度在1 1 2 5 m m 范围，适于薄板的焊接方法有电阻焊、c 0 2 气体保护焊、气焊和钎焊。 当生产批量不大和具有密封要求的连接处以及敞开性差的焊缝情况下一般采用 c 0 2 气体保护焊和气焊：钎焊主要用于修补或装配间隙难以保证的连接处；相比 较而言电阻点焊是车身焊接最合适的焊接方法。 电阻点焊有如下优点【1 4 】： ( 1 ) 车身冲压零件采用低碳冷轧薄板材料制成，该材料具有良好的电阻点焊 可焊性；塑性变形温度范围宽；结晶温度范围窄，使焊点核心不容易产生热裂 纹；淬火倾向小，使焊接接头不容易变脆，不易产生冷裂纹，能获得满意的焊 接质量。 ( 2 ) 低碳钢对焊接规范要求不是很严格，大批量生产中可采用硬规范( 大电 流、短时间) ，能获得高的生产效率。 ( 3 ) 电阻点焊设备操作简单，对装焊工人技术水平要求不高，故焊接质量受 人为影响因素小。 ( 4 ) 易于实现机械化和自动化，获得很高的生产效率。 ( 5 ) 搭接接头形式，有利于提高装配速度，对零件互换性要求可以降低。 2 点焊工艺 点焊是汽车焊接生产中应用最广的工艺方法。它适合于制造可以采用搭接 接头、接头不要求气密的薄板构件，如轿车车身的焊接【2 4 】。同时点焊是汽车制 造中典型的廉价工艺。一般每辆车有3 0 0 0 至4 0 0 0 个焊点，若将设备、电极的 损耗与维修等全部费用加起来，则每个焊点价值5 美分左右。采用点焊工艺拼 焊一台钢板结构的白车身所需成本仅为1 5 0 - - - 2 0 0 美元，与整车的总成本相比， 是十分经济合理的1 2 5 】。 电阻点焊的最大优点是：热量集中、加热时间短、热影响区小、变形小， 易获得质量较好的焊点1 2 6 1 。但是点焊也有局限性，点焊板不能用于高档车外表 面的薄板零件，但可以用于焊接各种汽车的内部零件和经济型轿车、货车的外 表面零件。与其它焊接方式相比，点焊主要适用于以下几方面：a 中空的框架类 零件；b 需要局部焊接加强板的零件：c 功能性零件，如车门、保险杠等：d 成 1 2 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 型复杂程度不均匀的零件。 点焊工艺是通过确定的焊接环境要求、产品原材料、焊接辅料( 焊丝、焊条、 焊剂、保护气体) 和板材焊前剖口形状和角度以及质量检验方法来选定最佳的焊 接方法、焊接顺序和焊接易损件( 电极和导电嘴) 更换频次，来选择最合理的焊接 设备参数( 输入电源、额定焊接电流、工作电压、额定负载持续率) 和焊接工艺参 数( 焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、空行程速度、气体混合比和气 源的压力) 的范围1 2 7 】。 3 点焊原理 焊点的一般要求是：外观表面压坑浅、平滑、呈均匀过渡，无明显凸肩式 局部挤压的表面鼓起：不允许外表有环状或径向裂纹：表面不得有熔化或粘附 的铜合金。从内部看，焊点形状应规则、均匀，焊点尺寸应满足结构和强度的 要求：焊点核心周围无严重过热组织。白车身焊点一般直径为6 至8 m m ，l s j 距- 为1 0 至4 0 0 m m 。 电阻点焊的基本原理是通过点焊电极对被焊工件施加并保持一定的压力， 使工件稳定接触，然后使焊接电源输出的电流通过被焊工件和它们的接触表面， 产生热量，升高温度，熔化接触点局部形成焊点，达到将金属工件焊接在一起 的目的。点焊结构和热量分布特性如图2 6 所示。电阻点焊过程中，在良好的焊 接循环条件下，无论焊接什么材料，每一个焊点的形成过程必分为3 个连续的 阶段：第一阶段预压阶段。紧密接触工件的焊接处，保证所需的接触电阻。 第二阶段通电加热阶段。电流通过挤压在电极间的工件，产生热量，加热 工件达到熔化状态，形成熔核。熔核外部金属因通过的电流较小，形成包围熔 核的塑形环，影响焊点强度。第三阶段冷却结晶阶段。焊点熔化形成核后， 在冷却结晶过程中伴随有相当大的收缩，在这一阶段一定要延迟解除电极的压 力，使焊点在未完全冷却前，在电极压力作用下得到更加致密的结晶组织。点 焊形核如图2 7 所示【2 8 】。 图2 6 点焊结构与热量分布特性图 1 3 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 誊豢黪“j 囊 一4 o 州f _- 一 。： ：z ：稚黝欧磁滗欲绻琵缓薅麓缀缓露锄戮蚴汝画瀚麓 4 影响点焊的因素 影响点焊的焊点大小和强度的因素主要有工艺规范参数和工件表面质量两 个方面。 ( 1 ) 工艺规范参数对焊点质量的影响【2 6 】【2 9 】 焊接电流的影响 焊接电流是点焊过程中加热焊件的一个决定性参数。焊点的加热热量用焦 耳一楞次定律表达： q 2 【，2 ( f ) r ( ，) 衍 ( 2 1 ) 式中 q 加热热量， ，( f ) 通过焊件焊接区的瞬间电流值，彳 尺( f ) 两电极间的总电阻，q f 通电时间，j 如果以平均值表示上式，可简化为： q = 2 r t ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可知，焊接时电阻产生的热量和焊接电流值的平方成正比。因 此，要求焊接电流值有一定的范围。低于该范围的下限值时，不能获得熔核， 将降低焊点强度。高于该范围的上限值太多时，在焊接区达到熔化温度时，电 极间的焊件被加热到塑性范围，并且电极压入工件太深，使工件表面出现凹坑 并挤出熔化的金属，从而降低焊点质量。 焊接时间的影响 由式( 2 2 ) 可知，点焊时点焊处产生的热量q 和通电时间，成正比。在其他 参数不变的情况下，焊点强度与通电时间，的关系如图2 8 所示。 1 4 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 薹 、一 韬 艇 囊 通电时同( _ ) 图2 8 焊接时间对焊点强度的影响【2 6 】 焊接电流和焊接时间对熔核大小的影响是一致的，焊接电流越大，通电时间 越长，所得到的核心也就越大。 电极压力的影响 电极压力是在焊接周期中电极施加于焊件的压力。电极压力对焊接质量的 影响：一是调节焊接区的内加热强度；二是决定焊接区塑性变形的程度。电极 压力使被焊材料的表面氧化层破坏并调节接触电阻大小，所以，当焊接电流一 定时，电极压力过大，导致焊件加热不足，熔核尺寸和焊透率都大为减少，造 成焊点强度下降。因此在生产中，不能无限制的增加电极压力，只能在和其他 参数相配合下，调整到合适的电极压力，方可进行焊接。 电流分流 分流是在焊接过程中，绕过焊接区的电流，由于分流的存在，总电流中只 有一部分作用在焊接区域，分流降低对焊接区域的加热作用，减少焊点的熔核 直径。影响分流的因数很多：点距、焊板厚、焊件的数目、焊接顺序、焊接表 面状态等。 ( 2 ) 工件表面质量对焊点质量的影响 在被焊工件材料确定后，其电阻值一定，则影响电流通过的因素关键在工 件表面的质量。当焊件表面上有油污、漆膜涂层、灰尘以及氧化膜、铁锈等脏 物，而使上、下电极与工件接触处以及两工件之间接触面上的电阻增大，因而 使焊接电流电路受阻，改变了电阻内的电流值，使焊接处产生的热量不足，熔 焊不易形成，焊点强度不易保证。如果工件表面很脏，有时根本不导电，使焊 接过程中断。 1 5 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 5 提高点焊质量的途径 提高点焊质量应从以下几个方面着手： ( 1 ) 严格控制焊接工艺参数。点焊质量主要是评估单个焊点的强度、耐腐蚀 性的高低、在大生产条件下焊点的合格率等。 ( 2 ) 选择合适电极材料、形状和尺寸，及时修整或更换电极，电极良好的冷 却对保证焊接质量很重要。 ( 3 ) 采用多脉冲或s l o p e 电流方法焊接。一种是增加预热和后热电流，另一 种是增加缓升和缓降电流。 ( 4 ) 采用微机控制技术，实时监控焊接参数，提高控制精度。 2 2 2 3 资源 在白车身焊点规划过程中，与规划相关的资源包括物料、设备、人力、信息 四个方面。在焊点规划过程中必须综合考虑这四个方面才能制定出合理的规划。 1 物料 白车身是由数千个零件组成的，各零件之间的厚度以及材料会有差异，针 对这些差异，焊点的规划也将做相应的调整。如冲压件与冲压件连接有较大厚 度差的焊接，由于其材料不同是无法采用电阻焊的方法，一般采用c o ：m a g 焊 接【18 1 。 2 设备 焊接设备以悬挂式点焊、点焊机器人、多点焊为主；c 0 2 焊、气焊和悬挂缝 焊为辅 2 0 】。 ( 1 ) 悬挂式点焊机 悬挂式点焊机是目前车身焊装生产线上的主要设备，一个车身焊装车间一 般有2 0 0 - - 3 0 0 台悬挂式点焊机，用于车身各个部位的装配点焊，特别用于点焊 焊接位置复杂多变的部件。如图2 9 所示是以悬挂式点焊机为主的焊接装配线。 ( 2 ) 点焊机器人 点焊机器人是为了提高车身焊装线的自动化程度，减轻操作者的劳动强度， 提高工作效率，保证焊接质量，在现代化的车身焊接生产线上，采用点焊机器 人代替笨重的悬挂式点焊机，以代替人的单调、重复、长时间的强体力劳动。 同时，还适应产品的多样化生产。其车身自动焊装生产线如图2 1 0 所示。 现代点焊机器人生产线的特点是【2 3 】： 1 6 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 采用逆变电流，以减少焊接变压器体积和重量，有利于将变压器和焊钳 制成一体式，改善焊机的电气性能，并能提高电源的热效率，达到节能目的。 图2 9 以悬挂式点焊机为主的车身焊接装配线 图2 1 0 由点焊机器人系统组成的车身自动焊装生产线 1 7 第二章白车身生产线焊点规划技术研究 采用柔性化机器人或柔性化机器人焊接系统，以适应焊装线的少批量多 品