车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究

1、学号：密级：公开湖南大学硕士学位论文车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究艉肿（够）玎巨，。湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取由本人承担。作者签名：互象艮吏日期：彻踟年岁月加日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关本学位论文属于、保密口，在年解密后适用本授权书。、不保密日。（请在以上相应方框内打“）作者签名：日期：私移年户月办相导师签名：日期：洲。年如沙日得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其

2、他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。下身激光焊接央具设计入射角对焊接质量影响的研究摘要激光加工技术作为先进制造技术之一，在工业发达国家的汽车工业应用中已越来越广泛，激光切割和激光焊接逐渐成为标准的加工工艺。三维激光切割技术可以取代冲压工艺中的冲孔模和修边模，不仅节省了大量的设计制造成本，而且缩短了新车型的开发周期；激光焊接技术应用于白车身焊接，大大提高了车身的强度

3、和刚度，增加了车身的安全性，而且有利于车身的轻量化。本文对白车身切割焊接柔性生产线和焊接柔性夹具进行了初步设计。激光光束入射角对焊接质量的影响作为车身焊接中的难点问题之一，本文就该问题进行了重点研究。首先，对白车身切割焊接生产线和柔性焊接夹具进行了研究。分析了车门结构和基于激光焊接的工艺；基于柔性化和安全性的考虑，对生产线总体布局进行了设计；按照技术上先进、经济上合理、生产上适用的原则，对该生产线主要设备进行了选型和设计；基于标准化、模块化的设计思想，设计和试制了车身激光焊接柔性夹具。其次，论述了激光焊接原理和激光焊接技术在汽车制造中的应用，对车身常用板材一镀锌板的几种焊接方法进行了比较，即激

4、光焊接、弧焊、电阻点焊；总结分析了镀锌板激光焊接的难点和影响焊接质量的主要因素；提出了提高焊接质量的方法，包括：工艺措施法、优化参数和焊接过程法、在线检测控制法。最后，针对激光光束入射角对镀锌板焊接质量的影响进行了深入的研究，通过正交试验选取光束垂直入射焊接时较佳的工艺参数，在该参数下，改变光束入射角，进行焊接试验，对试验结果做了大量的焊后检测分析，包括焊缝表面形貌、焊缝截面、拉剪试验、硬度、金相等。通过试验数据的处理和分析，得出了入射角变化对镀锌板焊接质量的影响规律和该实验条件下临界入射角。为激光焊接在车身上的应用奠定了基础。关键词：白车身；生产线；柔性夹具；入射角；工艺；质量硕士学位论文，

5、】，；（），】，侬，行，拜，车身激光焊接央具设计与入射角对焊接质量影响的研究，：；激光组焊技术第章总结与参考文致谢一附录图机器人和焊接头连接法兰图传统车身焊接夹具图不利于激光焊接的车身结构图激光焊接和电阻点焊凸缘结构图激光卷对接焊与电阻点焊车身结构图定位元件图移动定位元件图央紧元件图激光柔性焊接夹具方案一车身激光焊接夹具设计与入射角对焊接质量影响的研究图激光柔性焊接夹具方案和连接板图激光柔性焊接夹具方案三和调节螺柱图图激光柔性夹具方案图图夹具阵列孔底板图车门分总成的柔性焊接夹具图图激光拼焊示意图图激光拼焊在车身中的应用图白车身激光组焊图上下板表层锌蒸气排出图图中间锌层排出图图镀锌板焊接质量的影

6、响因素图汽车激光焊常见焊接接头形式图汽车激光焊焊接接头形式图试验原理图图试验现场图图型板条式激光器及其模式图型三维激光切割机床图不同光束入射角下板厚焊缝表面形貌图不同光束入射角下板厚焊缝表面形貌一图不同入射角下板厚搭接接头截面形状一图不同光束入射角下光斑上能量作用位置的变化图不同入射角下板厚搭接接头截面形状一图拉伸试样图所承受的拉剪载荷随入射角度变化图间隙不同时拉剪载荷随入射角度变化图板厚拉剪试验断口位置一图板厚拉剪试验断口位置图不同入射角时硬度分布图不同入射角时焊缝截面图图母材区金相组织图热影响区金相组织图焊缝区金相组织硕：上学位论文附表索引表激光器主要技术参数表龙门式混合光路和飞行光路比较

7、表三维激光切割机床主要技术参数表不同种类激光器性能比较表不同机器人性能比较表型号机器人的主要技术参数表钢与锌的熔沸点比较表镀锌板常用几种焊接方法比较表激光器主要技术参数表试验材料的力学性能和化学成分（质量分数，）表正交试验因素水平表表正交试验方案表入射角试验参数硕学位论文第章绪论激光加工概况激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。年月，美国人研制出了世界上第一台实用的红宝石激光器。激光加工技术经过几十年的发展，已经成为工业生产中的项常用技术。激光加工作为一种非接触、低噪声、无污染、节省材料的绿色加工技术还具有信息化的特点，便于实现智能控制和加工技术的高度柔性化，是典型的集

8、光、机、电、材料、热物理等诸多学科于一体的先进加工技术。激光技术已在工农业生产、通信、军事、医疗卫生、能源等许多方面获得了重要应用。激光（）是原子核电子受激辐射经光放大而形成的光辐射，具有很多不同于普通光的特性，如：单色性、相干性、方向性和高光强等。因此，激光束作为一种特种加工的能源，和传统加工相比具有一系列的优点：激光束易于传输，其时间特性和空间分布容易控制，易于实现自动化；激光束聚焦后的光斑具有极高的功率密度，可以加热熔化甚至汽化任何材料，可以进行局部区域的精细快速加工；加工过程中工件的热影响和热变形都很小等。这些优点极大地推动了激光在材料加工行业中的应用，激光被誉为“未来制造系统的共同加

9、工手段吨。在工业生产中，激光加工主要用于切割、焊接、打孔、表面处理、打标等行业。近年来，又开辟了一些新的应用领域，如激光成型与校形、激光微细加工、纳米材料制备及激光复合加工、激光快速制造等。目前，它已发展成为一个世界范围内的产业。在欧洲各国中，诸多激光加工应用中最多的领域是激光切割，但增长最快的加工类别却是激光焊接。在汽车制造业，激光焊接得到了最为广泛的应用，技术也日趋成熟。图激光加工技术在车身制造中的应用车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究激光切割和焊接作为汽车制造业新加工方式，是一个具有很大发展潜力的方向。在国际汽车工业界，激光加工技术己广泛应用于汽车制造中，激光切割与焊接逐渐

10、成为标准的加工工艺。车身在汽车整车制造中占有重要的地位，不仅车身成本占整车的，而且对汽车制造的安全、节能、环保和快速换型有重要影响。据估计，在车身制造工艺中采用激光加工技术，可节省的新车身开发模具和约的夹具，使生产周期缩短，白车身重量减少约，制造精度（形状、尺寸等）和白车身总体质量（刚度、强度等）显著提高】。图所示为激光加工技术在车身制造中的应用。白车身柔性焊接生产线和柔性焊接夹具研究现状白车身焊接生产线研究现状国外现状汽车产生于世纪末，福特汽车公司开发出了世界上第一条汽车生产流水线，代替了早期的手工作坊式生产。福特生产线吸收了流水线和互换性的设计思想，以标准化，具有互换性的零部件进行型车的组

11、装，实现了汽车的大批量生产。这种大批量生产方式极大的提高了生产效率和降低了生产成本，但是福特生产模式每条生产线只能生产单一品种的车型，造成了资源的极大浪费。世纪年代，欧洲汽车厂家把大批量生产和产品差异化结合起来，产品差异化即针对不同的市场和客户，设计不同的产品和营销计划，这使得欧洲汽车汽车产量逐渐超过了北美。由于汽车行业竞争的加剧，消费者需求趋于多样化、个性化，汽车品种开始逐渐增多，更新周期也越来越短，但之前单一、刚性的生产方式只能满足大批量的生产，小批量生产必然带来成本的增加。上世纪六七十年代，丰田公司吸收福特生产模式的原理，根据自身实践，创造出一套以准时化生产和全面质量管理方式为主要特征的

12、新型生产系统，即“精益求精”生产系统，开发出了世界第一条柔性汽车生产线，使一条生产线能够适应多个品种的汽车车型生产。“精益求精”的生产方式也受到了世界其它工业国家的追捧，在其它工业行业也得到了广泛的应用¨。如今，随着自动化技术，计算机技术以及机器人技术的发展，生产线大量应用柔性化的设备。汽车通用平台技术的发展可以实现在同一条生产线上完成多种车型的快速组装，减少生产线的建设数量和占地面积，提高自动化程度及生产效率，显著降低新车型投资。世界各大汽车生产商均采用了此种生产模式，有的可以实现五种甚至是六种车型的混流生产，切换速度快，生产效率高，节约了大量的成本。硕卜学位论文图意大利的柔性混流

13、生产线图所示为意大利的柔性混流生产线，该生产线包括台焊接机器人，套侧围夹具，套传输系统，个传输小车，套侧围夹具支撑，侧围快速夹紧定位向平移机构，占地×，实现一个平台种车型的柔性生产。该系统柔性很好，切换很方便，适应多种结构的车身，不足之处是占地面积大，控制系统复杂，价格高。焊装做为汽车四大生产工艺之一，焊装的车身质量关乎到车身的外观质量及总装装配的难易程度，焊装生产工艺在四大工艺中起到承上启下的作用。目前大众、通用等世界各大汽车生产厂商大多采用了汽车白车身激光焊接系统进行车身焊接，建立了激光白车身焊装生产线。国内现状国内汽车工业起步较晚，年生产出中国第一辆解放牌汽车，生产线为早期福特

14、大批量刚性生产方式，生产方式简单落后。到了八十年代，国内汽车生产企业和国外企业成立合资企业，即走引进模仿国产化的道路。近些年由于国内汽车行业竞争的加剧，大量引进国外车型，汽车的库存开始增加，原有的大批量刚性生产线产能过剩，国内所有的汽车厂家都在寻找柔性化生产方式，进行单一平台多车型共线生产。上海大众、一汽大众等企业已经实现了一条生产线生产两种或两种以上的车型。目前国内汽车公司的焊装生产线焊接方式大多采用电阻点焊，且大部分为人工操作，机器人应用较少，依然以劳动密集型为主，产品标准化程度较低，产品质量也不高，生产线上的加工检测设备也以进口为主。比如车身激光焊，这是轿车车身制造的关键技术，对提高汽车

15、质量和安全性能起着重要作用。但目前这项技术却为国外所垄断，国内只有合资企业才能通过引进设备使用这种焊接技术，在民族品牌汽车中，几乎还是空白哺。下身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究车身柔性焊接夹具理论研究和应用现状柔性夹具的理论研究现状国内外的很多高校和科研单位在柔性夹具及其设计理论方法方面进行了大量的研究。等人研制了一个用于箱体类组合夹具设计的基于语言的专家系统，当输入工件的形状，定位加紧点等信息，该专家系统能够自动选取合适的夹具模块哺。和在年提出了一种夹具模块化设计方法。，和于年提出一种运用有限元分析和非线性优化的薄板夹具设计方法，将优化结果通过价值函数分析来确定装配工序中最优夹

16、具定位单元数：，和于年提出了适合于车身薄板件夹具设计的“定位原理，在薄板件法方向即第一基准面应用多于个定位点去限制这一方向的零件变形，其中的最优的定位点数“可利用有限元分析软件和非线性规划方法找到。提出了关于型定位机器人的柔性夹具定位空间综合方法引。我国学者于年代中后期也开始对组合夹具元件的设计与管理进行了研究和开发，在总结和吸取我国应用和发展槽系夹具经验的基础上，根据现代机械加工特征及夹具的发展趋势，研制了新一代孔系组合夹具系统。北京工商大学麻建东和刘璇开发了组合夹具元件库。山东工业大学的徐志刚基于广义映射原理，开发了支持“的组合夹具设计自动化软件系统，为夹具结构设计自动化软件系统的开发探索

17、出一条新的途径引。清华大学张展生等提出一种全新的由机器人调整的可重构汽车车身焊接夹具。该夹具充分利用了焊装生产线上工业机器人的高精度与柔性自动化能力。并采用“一步直拉式”夹具定位调整方法，实现夹具的快速自动化构建与调整朝。由于夹具设计过程中的随机因素较多，迄今为止，所开发的夹具设计系统还很少应用于实际生产。车身柔性夹具的应用现状柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后，夹具还能够适应这种变化并继续使用的具有一定应变能力的夹具。目前国内汽车公司所用的夹具普遍都采用一个焊接工位设计一套央具，当工位发生较大变化时就重新设计一套新的夹具，这就导致了车身制造成本的上升和效率的下降，同时延长了新车型的研发

18、周期，如图所示。德紧各种加工单图柔性装夹系统图所示为西班牙集团公司设计制造的柔性装央系统。这套系统最典型的结构是卧式三轴，它由若干个排架组成，每个排架在计算车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究机程序指令控制下可独立沿轴方向移动，每个排架下有若干个支撑杆，每个支撑杆也是由计算机程序指令控制下沿轴独立移动。在每个支撑杆的顶端有一个专门设计的可制动调整的吸盘，能在任意方向倾斜，用作系统的末端受动器，是设备和航空部件的接触点。该系统较贵，每套数百万美元¨利。丰田汽车公司全球车身制造系统（，简称）采用内置式夹具，如图所示。图示上图是柔性生产系统（，简称）焊装夹具，其包括三套高精度且

19、昂贵的夹具，从车身的左、右、上方对车体固定（如图中红色）。而核心之处在于“由内向外的设计理念，从车体内部由一台夹具支撑并固定车体，夹具从敞开的顶部伸入，按车身结构设计的内部定位点定位并按车身定位夹紧方案进行夹紧。当侧面焊接完毕后，夹具从车体中抽出，车体则随着生产线移动到下一工位，进行补焊，并安上车顶盖，对车顶盖进行焊接。该夹具柔性很好、技术水平较高、通用性和互换性较好，投资也相对较小。当然，这需要相当精确的定位尺寸配合，而且其生产装备和质量控制与车身设计互为依托，对车身结构设计要求很严，行业推广有很大的困难。图丰田全球车身制造系统图夹具系统图所示是日本公司生产的夹具系统。该系统是一款可编程的自

20、动夹具安装平台，每个夹具平台由个或个伺服电机驱动的轴控制，通过改变其运动程序，方便地实现不同定位基准的工件在同一个夹具平台上生产，该夹具平台具有高刚性、编程简单、维修方便等优点，不仅适合整车焊装线，也适合各分总成和零部件的多品种共线生产，但是该系统成本很昂贵，一次性投入非常高。激光光束入射角对镀锌板焊接质量影响的研究现状镀锌板因其良好的抗腐蚀性能而被广泛应用于各个领域，包括电力、交通、建筑、化工、通风供热设施以及家具制造等行业。尤其在汽车制造中，各种普通硕。：学位论文镀锌板，高强度镀锌板，超高强度镀锌板的应用大幅提高了车身等部件的抗腐蚀性能和汽车的使用寿命，通常厚镀层的镀锌板在大气中的使用寿命

21、不低于年¨。引。锌蒸气是影响镀锌板激光焊接质量的主要因素，减少锌蒸气的蒸发和使其有效排出是当前的研究热点之。目前，提高焊接质量的方法主要有以下三种：特定工艺措施法¨卜引、优化参数和焊接过程乜、在线检测控制拈。引。激光光束入射角变化会影响到达加工工件表面激光光斑面积和反射率，进而影响激光功率密度，而激光功率密度对激光焊接具有重要影响，国内外学者对激光光束入射角偏转对激光加工质量的研究这一课题做了一定的研究。图焊接头和夹具干涉图韩国学者等人研究了使用激光器的激光远程焊接，研究认为光束入射角小于等于时可以得到连续穿透焊缝，大于时，焊缝则不连续。湖南大学的陈根余，刘旭飞等对入射角改

22、变时激光切割质量进行了研究，研究认为光束入射角增加后会导致反射加大，实际输入工件材料的激光能量减少，入射角改变会导致切缝宽度变化。入射角在范围内变化时，对切割面粗糙度的影响很小，入射角超过时，切割面会严重过烧，粗糙度大大增加，切割质量很差。山东大学的刘杰，孙胜，管延锦等刚研究了激光弯曲成型过程中激光入射角变化对材料吸收率的影响，实验结果表明：在采用激光对具有吸收层的工件进行多次扫描时，由于变形部分入射角增大引起激光吸收率提高，以及光斑面积增大引起激光功率下降，从而导致作用于工件表面的激光能量因素改变，这是弯曲角度发生变化的主要原因。董志娟，栾贵时¨们研究了不同激光入射角度对表面硬化效

23、果的影响。研究结果认为：相同的激光硬化工艺处理参数（激光功率、扫描速度、离焦量）下，入射角度越大，硬化层越浅。表面显微硬度也逐渐减小，淬硬层的宽度逐渐增大。但是关于激光光束入射角变化对镀锌板焊接质量的影响却没有相应的研究。激光光束入射角改变对焊接质量有着重要影响，生产实践中应用激光焊接白车身车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究时，因为焊接头不同于电阻点焊焊枪，其尺寸比较大，经常会和车身零部件及工装夹具产生干涉，使焊接过程无法顺利进行，如图所示，而激光焊接头偏转一定角度，可以很大程度上避免上述干涉。因此，开展激光光束入射角对镀锌板焊接质量的研究具有重大的研究意义和实际应用价值。课题的

24、研究背景和意义汽车工业做为一个国家的支柱产业，其水平的高度在一定程度上代表了一个国家工业水平的高度。汽车行业的竞争实际上就是汽车质量的竞争，汽车生产成本的竞争，汽车经济效益的竞争。当前全球汽车企业之间的竞争越来越激烈，为了在激烈的市场竞争中赢得先机，各汽车厂家的新款车型推出周期越来越短，同时，随着年轻的消费者对汽车产品个性化需求越来越高，传统的单一大批量刚性生产方式正逐渐被小批量、多品种、个性化的柔性生产模式所代替。因此，快速的响应市场多元化的需求，建立柔性化的生产线，缩短新车型的推出周期对汽车企业至关重要。汽车车身夹具作为汽车生产线的关键技术之一，其柔性水平很大程度上决定了生产线柔性的水平，

25、传统的汽车焊装夹具一般只能满足单一零件的工件装夹，当工件更换时，夹具也随之更换，这不断浪费了大量的资源和生产成本，而且间接延长了整个生产线和新车型的研发周期。因此，研制柔性化的汽车焊装夹具对于柔性生产线的实现和新车型的研发具有重要的意义。激光焊接作为一种新的加工手段，其在汽车车身上得到了广泛的应用。激光焊接不仅减轻了白车身的重量，提高了白车身的强度和刚度，而且更容易实现白车身焊接的柔性化和智能化，提高生产效率。镀锌板因其优越的防腐性在车身上得到大量使用，镀锌板的激光焊接因为锌蒸气的沸点低，易蒸发，不易排出的锌蒸气对焊接质量有严重不良影响，车身镀锌板激光焊接时，激光焊接时焊缝位置的不同，会导致焊

26、接方式和焊接角度随焊缝位置的变化而变化。由于车身零部件以及焊装夹具结构的限制，焊接聚焦镜组不能总是垂直于焊缝来焊接，焊接头需要偏转一个角度才能完成焊接。激光光束入射角变化会影响到达加工工件表面激光光斑的大小和吸收率，进而影响激光功率密度，从而影响加工质量，因此进行不同激光入射角度下的焊接试验研究，对激光焊接在汽车车身上的应用具有重大的现实意义。本文的主要研究内容硕：学位论文（）项目资助。本文对白车身生产线的总体布局进行了设计，对生产线主要设备进行了选型，并对关键单元技术焊装柔性夹具和激光光束入射角偏转时镀锌板焊接工艺进行了重点研究，主要内容包括以下几个方面：（）对白车身切割焊接生产线的主要研究

27、对象车门进行了结构和工艺分析；基于柔性化和安全性的考虑，对生产线总体布局进行了设计；按照技术上先进、经济上合理、生产上适用的原则，以及可行性、维修性、操作性和能源供应等要求，对该生产线主要设备进行了综合比较分析和选型。（）总结分析了激光车身焊接夹具的特点，基于激光焊接工艺探讨了车身结构设计制造改型；按照模块化、标准化的设计思想，采用一定位原理，设计和试制了车身激光焊接柔性夹具。（）论述了激光焊接原理和激光焊接技术在汽车制造中的应用，对车身常用板材镀锌板的几种焊接方法进行了比较，即激光焊接、弧焊、电阻点焊；分析了镀锌板激光焊接的难点主要是焊接过程中产生的锌蒸气对焊接质量的不利影响；分析总结了影响

28、镀锌板激光焊接的主要因素和提出了改善焊接质量的方法，方法包括工艺措施法、优化参数和焊接过程法、在线检测控制法。（）针对激光光束入射角对镀锌板焊接质量的影响进行了深入的研究，通过正交试验及后续试验选取了在光束垂直入射焊接时较佳工艺参数，在该参数下，改变光束入射角，进行不同入射角焊接试验，对试验结果做了大量的焊后检测分析，包括焊缝表面形貌、焊缝截面、拉剪试验、硬度、金相等。通过对试验数据的处理和分析，得出了入射角变化对镀锌板焊接质量的影响规律和该实验条件下的临界入射角。为激光焊接在车身上的应用奠定了基础。乍身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究第章车身激光切割焊接柔性生产线和柔性夹具设计本

29、生产线针对我国自主品牌新车型开发和小批量定制需求，包括激光切割、激光焊接两大单元。白车身零部件由三维五轴激光切割机床切割成形，然后输送到焊接单元焊接成白车身分总成。在焊装线上，焊装央具作为最主要的组成部分，其柔性很大程度上决定了生产线的柔性。工件结构和工艺分析本生产线主要包括激光切割、激光焊接两大单元，切割单元将冲压拉伸后的白车身零部件进行激光修边、切孔，激光焊接单元进行白车身分总成（如：车门、侧围、行李箱盖等）的合件、组件的激光焊接。本生产线加工对象主要为汽车白车身车门，也可加工白车身侧围。车门主要由内板、门锁加强板、铰链加强板、外装饰带加强板、内装饰带加强板、玻璃导槽、防撞杆和外板组成，车

30、门内板总成结构示意图如图所示。图车门内板总成结构示意图生产线总体布局设计随着汽车制造业的高速发展，汽车的更新换代周期越来越短，同型产品越来越多。为了应对市场的变化，满足多品种、短周期、小批量的要求，生产模式越来越向柔性化方向发展。激光切割焊接过程中，激光辐射具有危险性，出于安全性的考虑，加工要求在一个封闭空间内，因此必须安装封闭的安全门。如图，所示为车门激光焊接生产线总体布局和车门激光焊接作业流程图，图所示为侧围激光焊接生产线总体布局图。硕：学位论文图车门生产线总体布局图兰罴丛牺匿丽，：二；于一塑厨产域黝刘一防撞抒支架装饰带加强兰一外板卜图车门激光焊接作业流程图气柜系统控翱巨教光嚣拄鞘巨鼍光蕃

31、图侧围生产线总体布局图布局图中左边区域是切割单元，冲压好的工件通过切割夹具快速固定后进行三维激光切孔，修边。右边区域是激光焊接单元，包括两台焊接机器人、四个工位的焊接夹具、激光器、安全门等配件。通过对机器人周边装置和控制系统的柔性设计，最大程度地发挥机器人特点，使一套机器人系统能够根据需要焊接多种零件，适应产品多样化和改进的要求，从而满足汽车行业益加剧的多品种、小批量的生产要求¨¨。车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究为了缩短新车型研发周期，节约成本，满足多品种，小批量的生产要求，生产线必须具有一定的柔性。本生产线的柔性主要体现在以下几个方面：（）激光切割单元采

32、用三维五轴激光切割设备，可以满足汽车白车身零部件的修边、切孔，切割头喷嘴的电容传感器在一定范围内能够调整并保持切割头喷嘴和零件的相对位置，可以大大提高切割头的加工范围。切割不同的零部件只需更换夹具，选择事先编制的相应切割程序即可，切割程序为离线编程，快速、简便；激光焊接单元采用高精度焊接机器人，机器人本身就是柔性化程度很高的设备。焊接程序既可采用离线编程，也可采用机器人示教编程。（）激光切割夹具和焊接夹具具有一定的柔性。激光切割夹具有两种，对大批量、结构较复杂零件，可采用网格夹具，网格夹具采用离线编程，通过激光切割，经过简单组装即可。对小批量、结构简单零件，可采用原子灰快速成型夹具，不同零件切

33、割时，夹具体完全不用更换，只需通过锁紧螺母调整夹具体高度，并根据车身零部件型面不同涂抹原子灰，原子灰半个小时左右即可凝固。焊接夹具为自行设计制造的适合于激光焊的柔性焊接夹具，具有互换性、通用性，可适应一定范围内的车身零部件的变化，当更换同类型零件时，无需重新设计制造夹具，只需进行三维调整，并更换某些型面及相应模块即可。（）激光焊接单元具有较高的柔性，本焊接单元主要包括两台机器人、多工位焊装央具、激光器等，当车身零部件较小时（如车门、行李箱盖等），两台机器人可分别焊接不同工件，如图所示。车身零部件较大时（如侧围），两台机器人合焊一件工件，如图所示。生产线的主要设备选型和设计设备选型必须满足生产工

34、艺要求和市场供应情况，以及可行性、维修性、操作性和能源供应等要求，按照技术上先进、经济上合理、生产上适用的原则，进行综合调查和分析比较，选择最适合的产品。激光切割单元主要设备选型切割用激光器激光切割光源要有很高的光束质量，为了得到高的功率密度和精细的切口，聚焦光斑直径要小。为此，激光束的模式要达到或尽可能接近基模，激光束还应具备良好的旋转对称性和圆偏振性，以保证不同方向切割时效果一致。激光器应该具备既能输出连续激光又能输出脉冲激光且二者之间能够快速转换的功能¨纠。激光器具有高功率、高效率、高光束质量和长波长的特点，能够很好地满足金属板材的切割要求。激光器选用扩散型激光器，最大功率，光

35、束硕：学位论文模式为，输出能量近似高斯分布，其主要技术参数如表所示，工作原理图如图所示。表激光器主要技术参数型号光腔结构波长额定输出功率（连续）最大输出功率特殊合金共振腔±输出功率稳定性光束直径光束质量发散角光束模式频宽频率共振腔控制器工作气体消耗量（处），即，预混气体（六合一）每小时小于公升教龙危裤撬形了麓鼹镶冷却承孵激励罄冷却求，叁臻饶烀激均瓮抉器曩浚蟹墩搬图扩散型激光器三维五轴激光切割机床目前，行业中主流的车身覆盖件切割设备有两种：三维激光切割机床和机器人三维激光切割，如图和图所示。车身激光焊接央具设计及入射角对焊接质量影响的研究图型三维激光切割机床图激光切割机器人三维激光切割

36、机床优点是刚性好、速度快、加工精度高，但占用场地大、价格较贵；激光切割机器人优点是灵活性高、占用场地小，但在加工速度和加工精度上还有待进一步提高。车身覆盖件的切割精度影响到后续加工和装配，因此汽车行业大多采用三维激光切割机床。反射图切割头六轴运动轨迹示意图图光路传输示意图激光切割头要实现三维加工，首先必须保证机床本身互相垂直的三轴的直线驱动，同时切割头二个轴能够旋转运动。激光切割是非接触式加工，激光是通过透镜聚焦于工件实现切割，所以为了保证切割的质量，要求激光束到达工件的焦点位置要始终不变，即切割头喷嘴下表面和工件曲面之间的距离为定值。为了满足该要求，切割头设计了一个用于检测喷嘴到工件表面距离

37、的电容传感器，根据工件材料和板厚不同，喷嘴距离工件表面距离也不同，此距离可通过切割程序设定，最大距离为。此电容传感器检测装置实际上相当于机床的第六轴。图所示为切割头六轴运动轨迹示意图，图为三维激光切割机床的光路传输示意图。硕。：学位论文表龙门式混合光路和飞行光路比较一般机床结构形式有龙门式和悬臂式两种，悬臂式刚性和精度较差，所以三维激光切割机床采用龙门式设计，并配合混合光路或飞行光路。采用龙门式混合光路，龙门架固定不动，方向的运动由工作台移动实现，光束在和方向有变化，由于工作台的重量大以及考虑到工件夹紧时的巨大惯性，加工速度稍慢，影响加工的精度。而对于飞行光路，则工作台固定不动，方向的运动由龙

38、门架移动实现，光束在、和方向都有变化，对激光光束质量影响较大，并造成激光能量损失，进而影响加工质量的稳定性。由于龙门架相对工作台的重量较小，所以飞行光路惯性力较小，加工速度和精度也较高。表为两种方式的优缺点比较。综上所述，激光切割单元采用三维激光切割机床，并配合混合光路，型号为，如图所示，表为该机床主要技术参数。表三维激光切割机床主要技术参数切割夹具车身覆盖件在进行三维激光切割时，工件快速、准确定位是非常重要的环节。央具的快速制造和精确定位将直接影响工件的切割效率和切割质量。因此，夹具的柔性化设计和快速化制造将是减少夹具种类和数量、缩短央具设计加工时间以及减少央具设计和制造成本、提高切割质量的

39、重要保证。车身激光焊接夹具设计及入射角对焊接质量影响的研究三维激光切割的工艺具有特殊性，其夹具设计方法也不同于一般的工装夹具。由于激光头和加工工件之间没有力的接触作用，故夹具体不需要夹紧装置，只需完成对工件的定位，同时凭借工件本身的重力作用就可以满足夹紧，这同时也避免了激光切割头和夹具的干涉。因此，三维激光切割的夹具只起定位的作用，其结构设计也变得简单，在设计时考虑更多的是定位准确性、重复定位精度、柔性化和快速制造。车身覆盖件大多是具有空间曲面、外型复杂的结构件，定位表面只能选择型面。常用的切割夹具有二种：一是网格央具，二是原子灰快速成型夹具。上述两种夹具各有优缺点，本生产线激光切割单元可根据

40、工件特点选择不同夹具。一、网格夹具网格夹具由底板和支撑板拼合组装而成，每一块支撑板的上表面与覆盖件的定位型面紧密贴合，即支撑板上表面的形状和覆盖件的定位型面的形状完全一致。因此在进行网格夹具设计时，必须依据待切割工件的数模进行设计，准确地从数模中提取型面的特征信息，然后根据型面的特征进行支撑板的设计。网格夹具具有如下优点：（）网格夹具的设计方法简捷，适用于大批量和体积小且结构复杂的工件。（）网格央具是依据覆盖件的数模进行设计的，支撑板上表面的形状和覆盖件定位型面的形状完全一致，因此具有较高的定位精度。（）网格夹具的重复定位精度高。（）此网格夹具可离线编程并由本生产线切割单元激光切割，只需简单装

41、配组装，简单、方便。网格夹具在制造时使用了大量的薄钢板，成本比较高，而且对于体积较大工件不适合，但是其较高的定位精度和快速的制造方法，可以大大提高车身覆盖件三维激光切割的质量和切割效率。图所示为网格夹具图和实物图。图网格夹具图和实物图二、原子灰快速对于结构较简单速成型夹具由数个支小及复杂程度，使用螺钉固定在工作台上撑杆和工件，半小时图原子灰快速成型夹具图原子灰快速成型夹具有以下优点：（）设计方法简但、安装快捷，间接提高了切割的效率。（）定位型面是用原子灰涂抹夹具和工件型面完全贴合凝固形成，因此具有很高的定位精度。（）简易夹具对于结构简单，体积较大工件可以进行很好的定位，比如侧围。（）简易夹具成本很低，切割不同工件，需更换的仅仅是原子灰，经济效益明显。在原子灰固定简易夹具和工件位置处，