白车身侧围焊装质量的控制研究.pdf

合肥工业大学学历硕士学位论文学历硕士学位论文白车身侧围焊装质量的控制研究白车身侧围焊装质量的控制研究作者姓名：邱栋荣指导教师：林巨广研究员学科专业：机械工程研究方向：计算机集成制造系统2014 年 4 月万方数据ADissertation Submitted for the Degree of MasterAStudy on Control of Side BodyWelding Assembly QualityByQiu DongrongHefei University of TechnologyHefei,Anhui,P.R.China4,2014万方数据合合 肥肥 工工 业业 大大 学学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学学历硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名）答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名）主席：专家工作单位，职称，姓名委员：导师：合肥工业大学，万方数据学位论文独创性声明学位论文独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独立研究工作所取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文成果做出贡献的个人和集体，本人已在论文中作了明确的说明，并表示谢意。学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。学位论文作者签名：签名日期：年月日学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：除保密期内的涉密学位论文外，学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库，允许采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：指导教师签名：签名日期：年月日签名日期：年月日论文作者毕业去向工作单位：联系电话：E-mail：通讯地址：邮政编码：万方数据I致致谢谢三年的硕士学习生活转瞬即逝，回想起这段时间的点点滴滴，感激之情不觉涌上心头。在这珍贵的时光里，我要特别感谢那些与我共同经历过喜悦，经历过艰难的人。首先衷心感谢我的导师林巨广教授。林老师不仅给我提供了一个良好的学习平台，让我将书本上的知识真正的应用到实践中去，也为我的生活提供了保障，让我安心学习。同时林老师在学术上严谨求实，科研上不畏艰难的态度令人折服。林老师不断激励着我在学习和生活上奋勇向前，他永远是我学习的榜样。本文的撰写离不开王健强教授专业的指导和细心的审阅。王老师无私地给我提供指导，对我的论文提出了宝贵的意见，对我论文中产生的疑问进行解答，在此对王健强老师表示最诚挚的谢意，同时还要感谢汽车装备工程技术研究所的陈甦欣老师、王淑旺老师和任永强老师，他们在论文开题和中期汇报阶段给予的很多重要建议。本文研究的课题来源于合肥工业大学与安徽巨一自动化装备有限公司的校企合作项目。在巨一自动化实习期间，邱峰、邵显行、黄彪、孙光等同事给我论文提供了很多重要的素材，为课题的研究奠定了实践基础，在此感谢他们。感谢好友李新恒对论文排版工作的大力支持，感谢王中华、李世乐、戴淮初、胡俊明、黄文进、胡凯江、倪翔等挚友对我各个方面的关心与帮助，感谢你们！感谢我的父母一直以来给予我的信心和鼓励，他们给我的无私支持是我保持不断前行的动力，让我突破困境，完成学业，他们是我一生最宝贵的财富。最后，感谢抽出宝贵时间对我论文进行评审并提出宝贵意见的各位专家，谢谢你们！作者：邱栋荣2014 年 4 月 2 日万方数据II摘摘要要车身是轿车的最大总成，其制造质量显著影响到整车性能，并直接关系到产品的市场竞争力，在很大程度上代表着一个国家的制造业技术发展水平，因此对车身质量控制的研究一直是车身同步工程中的重要内容。国内由于经济和技术的限制，在该方面研究较少，缺少工程借鉴和经验积累，与国外先进水平相比还存在较大差距。本课题是在上述背景下开展的，在学习国内外车身质量控制理论相关文献的基础上，提出了合理有效的焊装质量控制方法。同时在借助专业软件的基础上，重点对焊装定位基准进行优化设计，最终达到提高车身焊装质量的目的。本文是以车身侧围的焊装质量为主要研究对象。首先阐述侧围结构和焊装流程，重点研究了侧围焊装夹具的结构、特点和设计等；其次，通过分析侧围焊接过程，找出影响侧围焊装质量的因素来源，同时建立侧围焊装误差传递模型，总结误差计算方法并用实例验证；然后针对影响因素，提出控制侧围焊装质量的方法，研究焊装定位理论，通过对定位基准的规范设计来实现质量控制的目的；最后，结合遗传算法等理论，对焊装定位基准的布局进行优化设计，并利用侧围模型，建立整个优化流程，并验证该方法能有效实现定位基准布局合理布局，降低误差，提高侧围焊装精度。关键词关键词：侧围；焊装；误差传递；定位基准；优化万方数据IIIABSTRACTThe manufacturing quality of BIW significantly affects the performance of wholevehicle and plays an important role on the market competition.The quality,to a greatextent,represents the development level of a countrys manufacturing technology.Therefore,the study of quality control of BIW is always the important content on carbody simultaneous engineering(SE).Because of the limitation of economy andtechnology at home,few research in the aspect was done,also lack of the engineeringpractice for reference and practical experience for accumulation,so compared withinternational advanced level,it still exists a large gap.The paper was carried out based on the above context.Learning from the literatureabout quality control theory of body at home and abroad,a reasonable and effectivemethod of welding quality control was proposed.With the help of professionalsoftwares,the paper focused on the design and optimization of welding location datum,and achieved the ultimate goal of improving the welding quality of body.The main content of the paper is the research of the welding quality of side body.First,the structure of side body and the welding process was discussed,and thestructure,feature and design of the side body welding fixture were studied especially.Secondly,the sources of the welding quality related factors were found by analyzing thewelding process.At the same time the welding error transfer model for side body wasestablished and the calculation method of welding error was concluded and also verifiedupon an example.Then,the methods of welding quality control were proposed based onthose factors,and the design theories on the location datum were introduced,throughestablishing the criteria for design of the welding location datum,the goal was achieved.Finally,an optimization design method for the welding location datum was introducedby means of genetic algorithm.And the whole optimization process for side body wasestablished.It was verified that the method was an effective way of achieving thereasonable layout of the location datum,decreasing error and improving the weldingquality.KEYWORDS:sidebody;weldingassembly;errortransfer;locationdatum;optimization万方数据IV目目录录第一章第一章 绪论绪论.11.1 课题研究背景，目的及意义.11.1.1 课题研究的背景.11.1.2 研究的目的及意义.21.2 国内外研究和工程运用的状况.31.2.1 国内外车身焊装质量现状.31.2.2 国内外车身装配误差分析理论的研究现状.41.2.3 车身焊装定位基准的优化设计.51.2.4 工程应用现状.61.3 本论文的研究内容及框架体系.7第二章第二章 白车身结构及其焊装技术研究白车身结构及其焊装技术研究.92.1 白车身结构分类和组成.92.1.1 白车身结构分类及特点.92.1.2 白车身的结构组成.92.2 白车身焊装工艺技术的研究.112.3 车身焊装夹具的设计研究.132.3.1 焊装夹具的结构.132.3.2 焊装夹具的特点.152.3.3 焊装夹具的设计.152.4 本章小结.16第三章第三章 侧围焊装质量影响因素研究侧围焊装质量影响因素研究.173.1 侧围焊装过程及其误差来源.173.1.1 侧围板件焊装过程.173.1.2 侧围焊装误差来源及影响分析.173.2 焊装误差的传递机制.203.2.1 侧围板件焊装误差分析.203.2.2 焊装夹具定位基准误差的影响分析.233.3 焊装误差分析模型和计算方法.253.3.1 焊装模型假设.253.3.2 影响系数法分析焊装误差步骤.253.4 侧围板件焊装误差计算实例分析.27万方数据V3.4.1 侧围焊装模型简化.273.4.2 有限元处理.283.4.3 仿真与焊装误差计算.283.5 本章小结.30第四章第四章 侧围焊装质量的控制方法研究侧围焊装质量的控制方法研究.314.1 方法的基本构思.314.2 焊装工艺设计的研究.314.2.1 焊装工位布局原则.314.2.2 侧围焊点分布原则和焊接工艺参数选择.324.2.3 焊装工艺的仿真验证.344.3 焊装定位基准设计.354.3.1 焊装定位基准的理论研究.354.3.2 焊装定位基准的主要类型与样式.364.3.3 焊装定位基准的设计步骤与设计原则.374.3.4 基于“N-2-1”理论的实例验证.404.4 本章小结.43第五章第五章 侧围焊装定位基准的布局优化设计侧围焊装定位基准的布局优化设计.445.1 焊装定位基准布局优化方法研究.445.1.1 约束坐标轮换法.445.1.2 复合形法.455.1.3 定步长的连续极小化方法.455.2 基于遗传算法和神经网络相结合的优化方法.465.2.1 遗传算法.465.2.2 遗传算法的基本思路与步骤.475.2.3 遗传算法的优点.495.2.4 神经网络.505.2.5 基于遗传算法和神经网络相结合的定位基准优化方法.515.3 优化实例研究.525.3.1 优化模型的建立.525.3.2 建立 RBF 神经网络.535.3.3 遗传算法优化.575.3.4 结果验证.585.4 本章小结.58第六章第六章 总结与展望总结与展望.59万方数据VI6.1 本文总结.596.2 工作展望.59参考文献参考文献.60攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况.63万方数据VII插图清单插图清单图 1.1汽车白车身.1图 1.2车身装配尺寸偏差影响因素.3图 1.3焊装定位基准图.6图 1.4GD&T 系统在车身设计制造中的重要作用.7图 2.1承载式车身结构.10图 2.2侧围总成的结构组成.11图 2.3典型的白车身焊装过程.12图 2.4侧围 B 柱加强板总成夹具.13图 2.5定位单元.14图 2.6夹紧单元.14图 2.7主要控制点和主要控制截面.16图 3.1侧围板件焊装过程.17图 3.2面内误差和面外误差.18图 3.3两种焊接方式.19图 3.4装配件上的 KPC 和 KCC.20图 3.5焊枪位置变化的影响.21图 3.6从(K)到(K+1)的定位基准变化过程.24图 3.7焊接简化模型.27图 3.8板件在夹紧力和焊接作用力下的变形.30图 4.1车身开发同步工程.31图 4.2左侧围的焊装线布局.32图 4.3后灯安装托架处板件焊点分布.33图 4.4基准孔定位形式.37图 4.5基准面定位形式.37图 4.6避免基准孔和基准面在同一位置.38图 4.7在稳定区域设置的定位基准.38图 4.8累积公差最小的位置.39图 4.9工件定位和取出方向.39图 4.10定位基准与车身坐标一致.39图 4.11定位基准避开焊接区的位置.40图 4.12侧围 B 柱加强板总成结构图和流程图.40图 4.13B 柱加强板总成件简化模型.41万方数据VIII图 4.14在 D5 处定位时板件变形(5-2-1).41图 4.15在 D5、D6 处定位时板件变形(6-2-1).42图 4.16在 D5、D6、D7 处定位时板件变形(7-2-1).42图 4.17焊装定位基准的初步布局图.42图 5.1交叉运算示意图.48图 5.2焊装定位基准的遗传算法流程图.49图 5.3径向基函数神经网络结构.50图 5.4遗传算法和神经网络相结合的优化算法流程图.51图 5.5侧围 B 柱加强板总成件简化模型.52图 5.6模型坐标变换.53图 5.7模型焊装误差图.54图 5.8数据拟合结果.56图 5.9RBF 神经网络数据拟合误差.57图 5.10遗传算法最优适应度跟踪图.57万方数据IX表格清单表格清单表 4.1a焊接工艺参数(1).33表 4.1b焊接工艺参数(2).34表 4-2定位基准分类.36表 4-3基准孔类型.37表 5-1RBF 神经网络样本.54表 5-2有限元方法和遗传算法结果.58万方数据第一章 绪论1第一章第一章 绪论绪论1.1 课题研究背景，目的及意义1.1.1 课题研究的背景课题研究的背景汽车自 19 世纪末诞生至今，汽车工业得到飞速的发展，写下了人类近代文明史的重要篇章。伴随经济的发展，汽车工业作为支柱产业，在国民经济的地位变得越来越重，已成为衡量一个国家经济水平的重要标志1。美国、德国、日本这些工业发达的国家，都有着非常先进的汽车制造研发能力。我国的汽车工业是从改革开放后才逐渐起步，在整体的设计制造能力和工程技术等方面还与那些国家存在较大差距2，同时汽车产业竞争的加剧和用户各方面要求的提高，使得自主品牌汽车要在市场上占有一席之地，就要求对汽车制造和开发投入更多的研究。车身是车型外观的直接表现，它给驾驶员提供良好的操作条件，给乘客提供安全舒适的乘坐空间，防止受到震动、噪声、废气和外界恶劣气候的影响3。目前，汽车车身工程是汽车工业研究中最活跃、发展最迅速的领域之一，车身技术的发展在很大程度上决定了汽车的更新换代4。汽车车身通常是由 300500 多个形状复杂的薄板件焊装而成（如图 1.1），整车的焊装定位点达 17002500 个，焊点多达40005000 个5。车身焊装过程的复杂性决定其焊装过程中的误差难以控制，制造精度很难保证。图 1.1汽车白车身Fig 1.1Automobile body in white焊装作为汽车制造四大工艺中关键环节，起着承上启下的作用。白车身的焊装质量主要由焊装工艺来保障，由焊装设备来实施的。焊装工艺主要有焊装流程，工位布局，焊点信息，焊接参数等内容；焊装设备一般由焊装夹具，输送装置，焊接机器人，焊枪以及检查设备等构成。目前中国汽车制造业起步较晚，汽车设万方数据合肥工业大学硕士学位论文2计人员水平参差不齐，车身焊装设备也较为落后6。车身质量控制方面还与国外先进水平有着一定差距，主要表现在车身开发经验不足，车身质量控制不严，生产设备自动化程度不高等方面。随着汽车国产化的要求，车身焊装质量受到国内车企重视，因此，在这个背景下研究车身焊装质量控制的方法显得尤为重要。1.1.2 研究的目的及意义研究的目的及意义完成焊接但未进行涂装的车身称为白车身（BIW，Body-In-White），一般由左右侧围，前围，后围，地板，顶盖几部分组成。白车身的焊装精度不良会对汽车性能、外观、制造费用有着很大的影响7，主要表现为：1)影响车身结构强度，产生潜在的质量缺陷，不利于行车安全。比如焊装过程中精度控制不合理，在车身总成时会存在结构性内应力，汽车在行驶时内应力释放，加剧了对焊点的破坏，从而影响的车身的结构强度。2)对汽车外观质量造成影响，降低了汽车的品牌形象。例如汽车车门之间的间隙过大，或间隙不均匀，降低了整车外观效果；顶盖缝隙过大造成密封性能不好，这些都影响着用户的购买意愿。3)车身焊装精度不够，在总装时会影响安装进度，造成总装的部件安装工时上升，影响了企业的生产效率。4)车身焊装精度不良还容易造成不合格产品率上升，使制造成本增加，不利于汽车的经济性。可以看到，焊装质量不良不仅能够造成汽车整体效果不佳，同时还能造成车身性能缺陷，严重的还会存在安全隐患。因此，对于车身焊装质量研究的主要目的表现在：1)车身焊装质量的控制是车身开发同步工程（SE，Simultaneous Engineering）中的一项重要内容。车身开发同步工程能够缩短车身研发周期，同时保证车身的质量和焊装生产线的高效建造。对车身焊装质量进行控制，可以完善车身结构，提高汽车的市场竞争力。2)由于车身冲压件的柔性易变形的特点，一般要通过焊装夹具的定位和加紧来实现对车身焊装精度的控制。夹具结构单元的位置是由焊装定位基准来决定的，因此焊装定位基准的合理设计，对降低车身焊装误差有着重大的影响，对其的研究已经成为控制车身质量的重要方法。3)对车身焊装质量的研究过程是车身开发设计时积累经验的过程。国内设计师缺乏设计经验，同时国内车企在车身开发上投入的精力不够，车型多靠外部引进，自主设计的新车型还是沿用传统的设计方法。对焊装质量进行研究可以为工程实践提供理论参考。因此，为了满足车身焊装质量的要求，实现汽车外观、性能、制造费用的整万方数据第一章 绪论3体统一，本文以白车身侧围为主要研究对象，重点研究焊装质量的影响因素，焊装质量控制和优化方法等，对实际工程中焊装夹具的设计和柔性薄板件定位理论都有着重要的意义，主要表现为：1)通过分析焊装质量影响因素，提出控制焊装质量的方法，为理论研究和工程实践提供指导，大大提高工作效率，节约时间，节省成本，有助于完善车企同步工程的应用。2)结合多种理论方法，建立柔性薄板件的焊装误差传递模型，总结焊装误差的计算方法，提高了理论运用水平和分析操作能力，对保证车身焊装质量有着重要意义，为我国自主汽车车身开发提供支持。3)结合设计经验和工程实际，对焊装定位基准进行规范化设计，运用优化理论对基准布局进行优化，并通过侧围实例验证优化方法的有效性。最终以点带面，为提高整车焊装质量提供依据。1.2 国内外研究和工程运用的状况1.2.1 国内外车身焊装质量现状国内外车身焊装质量现状车身的质量主要包括两个方面：一个是车身尺寸的正确性；另一个是车身装配的精密性，这两个方面通常是相互作用的8。因为车身是由大量的零件焊装而成，所以在整个焊装过程中受到材料的变化，工具的磨损，工艺的变化等原因，不可避免地会使车身制造尺寸与设计尺寸存在偏差。因此准确分析焊装误差来源，建立焊装误差传递机制，施行合理的焊装质量控制方法是保证车身焊装质量的研究重点。图 1.2 所示的即为影响车身薄板件装配尺寸偏差的关键因素。图 1.2车身装配尺寸偏差影响因素Fig 1.2Fault tree for body dimension variation随着科技水平的不断发展，以往受到制造装备、人员操作等因素影响的误差设计因素偏差装配方案几何形状刚度条件零件数量接头类型零件偏差过程偏差夹具方案焊接配置装配顺序最终装配偏差万方数据合肥工业大学硕士学位论文4已经得到极大的控制。同时国内外汽车企业对白车身焊装质量的控制也做了大量研究，根据自身的情况制定和实施了一些有效的方法。20 世纪 80 年代末，日本率先将车身制造综合偏差控制在 2mm 以内，而当时美国轿车车身的制造综合偏差普遍高于日本，美国轿车工业因此丢掉了 6%左右的国内市场。为重新夺回市场份额，美国通用和克莱斯勒两大汽车公司联合密歇根大学等高等院校合作开展了一项旨在提高车身制造尺寸质量的全面计划，即“2mm工程”计划9。这项计划定义为以系统的观点对汽车产品采用车身制造综合误差指数（Continuous Improvement Indicator）来控制车身制造质量，实现用最经济的制造成本来提高汽车产品的整体质量10。计划内容涵盖了车身生产中的在线检测、制造误差的减小方法、零部件装配公差分析与综合、车身制造质量保证体系管理等方面11。随着“2mm 工程”计划的有效实施，美国的轿车车身制造质量逐步提高，到 1996 年赶上了世界先进水平，并夺回了原有的市场份额。日本车企率先使用全面质量管理系统来控制汽车产品质量。全面质量管理（TQM，Total Quality Management）是一个以质量为核心，以全员参与为基础，以用户满意及社会受益为目的，最终达到成功的一种管理方法12。在这种系统中，对质量的要求贯穿始终，它不仅要对生产过程进行控制，还要对设计，采购，检测等各方面进行管理。将全面质量管理应用于车身焊装质量控制，表明它不仅要控制焊装时的质量，还要对车身设计质量，材料采购质量，检验反馈质量等进行控制13。日本车企通过全面质量管理系统，在全球的汽车市场上占有一席之地。目前我国汽车年制造总量世界第一，但汽车工业总体水平较国外汽车工业还有很大差距。合资车企多通过引进方式生产汽车，在车身设计上没有自主知识产权，控制焊装质量的关键技术和设备还要外部引进。通过这些年不断地努力和国家政策的扶持，自主汽车品牌有了很大的发展，但由于开发手段有限，开发经验不足，整个研发工作还采用串行方式，对车身焊装质量方面的设计研究还处于低端车型。1.2.2 国内外车身装配误差分析理论的研究现状国内外车身装配误差分析理论的研究现状对于车身焊装质量的研究始于上世纪 90 年代，主要是分析装配过程中误差的传递规律，一般通过板件偏差、定位基准稳定性和零件干涉来预测车身的焊装误差14。常用的装配误差分析方法有极值法、统计分析法和 Monte Carlo 模拟法，这些方法是基于误差累计理论，并视工件为刚性体，那么工件的装配误差可由它们之间的几何关系或者运动关系得出。但对于车身零件这类柔性薄板件而言，Takezawa 通过对车身实测数据的线性回归分析得出，传统的偏差累计理论对其已不在有效15。Liu 和 Hu 利用有限元方法进行装配误差预测，提出了对薄板件装配误差分析万方数据第一章 绪论5的影响系数法16。他们利用薄板件的单位力响应，建立薄板件的影响系数矩阵，再对焊装后的板件进行回弹分析，得出装配误差与零件误差之间的敏感度矩阵，最终建立了误差分析的力学模型。该方法在分析时所用的焊装模型较为简单，对焊装误差缺乏全面分析，但为建立复杂装配件的误差传递机制奠定了基础。Ceglarek和Shi分析了大量的焊装工程信息，并将焊接时的复杂约束进行考虑，提出了一种面向薄板件装配尺寸控制的车身焊装评价体系17。他们对板件焊接处进行有限元建模，分析零件之间的直接干涉和间接干涉，并利用零件间的干涉矩阵来评估板件的焊装方式。该方法是一种定性的评价，能够为车身焊装质量提供一种判断标准，但没有涉及到板件装配的误差分析和力学性能。随着技术的不断发展，我国学者在车身焊装误差研究方面也提出了很多理论。罗来军18通过零件定位对装配误差影响的分析，建立了车身板件焊装夹具的拓补结构和焊装定位布局优化模型。胡敏19建立了适用于车身焊装分析的有限元模型，通过对焊装过程的热分析，提出了基于该接触模型的车身板件装配误差分析方法，对误差形成原因和点焊顺序对装配误差的影响进行研究。田兆青20等分析了薄板件在多工位焊接过程中的误差传递机制，通过建立夹具误差和装配误差对应的关系，得出了板件多工位焊接时误差传递的状态方程。1.2.3 车身焊装定位基准的优化设计车身焊装定位基准的优化设计对焊装质量进行控制方法的研究主要是针对焊装夹具定位理论的研究，对此学者提出了众多的定位方法和优化方法，包括形闭合与力闭合、螺旋理论等13。但大量的研究局限于刚性工件的夹具设计，对柔心薄板件的定位研究较少涉及，尤其是考虑施加载荷的条件下，对板件变形的理论研究几乎没有，实际上车身的制造偏差很大程度上受到板件变形的影响，对于柔性板件，其定位基准除了要限制自由度外，还要能够控制过多的板件变形。较早对此做出研究的是 Lee 和 Haynes21，他们在 1987 年建立了一种有限元模型对柔性夹具定位系统进行分析。通过模型，可以计算出工件变形、夹紧力、应力分布和板件与夹具之间的摩擦力，为以后利用有限元解决该领域问题奠定了基础。但他们没有提出一种具体的定位原理，也没有提出一种合理有效的定位方案。1988 年，Youcef-Toumi22等提出了一种可用于薄板件和薄壳体的定位方法，使定位基准处的板件应力低于材料的屈服应力，但对板件变形的本质问题缺乏深入的研究。1991 年，Menassa 和 Devries23在 Lee 等人研究的基础上进行深入分析，他们利用有限元建模，在薄板件基准面法向变形量最小处设计定位基准，并提出了通过优化布置夹紧点来降低零件变形的方法，建立了夹具与装配件之间的偏差关系。Rearick，Hu 和 Yuan24在 1993 年提出了一种综合运用了非线性优化和有限元万方数据合肥工业大学硕士学位论文6分析的薄板件夹具设计方法，并通过价值函数来确定最优的夹具定位单元数量。1996 年，Cai，Hu 和 Yuan25进一步研究后提出了“N-2-1”定位原理，相比广泛应用于刚性件的“3-2-1”定位原理，该定位理论更适用于柔性薄板件，并利用有限元分析模型，寻找最优的定位单元数量，使薄板件变形总量最小。随着设计理论的不断完善，设计方法的不断丰富，加上日益发展的计算机技术，遗传算法作为一种全局的优化方法在工程上得到迅速发展。Wu 等26首次采用遗传算法求解焊装夹具的定位基准布局问题；Kulankara 等27通过分析定位点和夹紧力对零件变形的影响，用遗传算法对夹具布局进行了优化。姜潮等28基于“N-2-1”定位理论，利用有限元分析工件变形，并综合考虑夹具工作时多工位的状况，采用隔代映射遗传算法来寻找定位最优点。郑军红等29利用人工神经网络来处理板件焊装中各种复杂影响因素，并利用遗传算法进行组合优化寻找最优定位点。这些理论和方法的提出，为焊装定位基准的设计和优化奠定了理论基础，对车身焊装质量的控制起到了指导性作用，但仍然不够完善，运用到实际工程问题上还不尽人意，还不能高效地控制板件的焊装质量。1.2.4 工程应用现状工程应用现状国外汽车发展迅速，对车身质量的研究也一直处于领先，各大汽车公司都有自己相对成熟的车身质量控制系统，如德国大众公司使用的 RPS 系统和北美车企使用的 GD&T(Geometric Dimensioning and Tolerancing)系统。RPS 是德语单词Referenzpunkt-System 的缩写，意为定位基准系统，它规定了一些从开发到制造、检测直至批量装车各环节所有涉及到的定位点及其公差、要求30，如图 1.3 所示的焊装定位基准就是其中一部分。应用 RPS 的优势在于可以减少基准转换时产生的误差，同时便于发现质量问题，进行故障诊断。推广 RPS 最终的目的还是为了提高车身制造质量，降低生产成本，提高生产效率。图 1.3焊装定位基准图Fig 1.3The welding location datum万方数据第一章 绪论7北美汽车企业使用的 GD&T 系统是一种用符号来表达汽车零部件几何尺寸与公差的方法31，它同样贯穿了整车零部件的设计、制造全过程，直接决定车身的质量，对车身外观、车身开发周期和成本有着重要影响。GD&T 系统规定了车身板件从零件设计到冲压、焊装成型，最后到质量检测等各方面都需要遵循的标准，是试制和正常生产时产品质量评估的重要依据，其在车身设计中的重要性如图 1.4所示。图 1.4GD&T 系统在车身设计制造中的重要作用Fig 1.4Significance of GD&T System in auto-bodydesign and manufacture process国内车企在车身开发时多依赖经验，车身设计参照国外，对车身焊装质量的研究也不够深入，缺乏自主的车身质量保证系统，没有完整的焊装定位基准设计系统，缺少全面的评价方法和优化方法。1.3 本论文的研究内容及框架体系本文是针对侧围焊装质量影响因素，对提高焊装质量的控制方法做出研究。通过建立的车身焊装误差模型，总结焊装误差计算方法，并提出合理的焊装工艺和焊装定位基准设计原则，最后就焊装定位基准的布局优化问题展开讨论。论文的主要章节安排如下：第一章为绪论部分，主要就本文的研究背景、目的与意义和国内外对焊装质量控制的研究现状和工程应用做了介绍。第二章介绍了白车身及侧围的结构特征和整个车身焊装工艺流程，并重点介绍了侧围焊装夹具，主要是夹具的结构，特点和设计等内容，为论文找出影响焊装质量的因素来源做出铺垫。第三章通过对焊装过程的分析，找出焊装质量影响因素。同时对焊装模型进行误差分析，建立误差传递机制，并重点就焊装定位对焊装误差的影响做出分析研究，由此总结出焊装误差的计算方法，并对侧围 B 柱加强板模型进行焊装误差设计部门设计部门设计部门设计部门GD&T 系统规范前提依据标准万方数据合肥工业大学硕士学位论文8分析，验证该方法的可行性。第四章从车身的工艺设计和工程设计两个阶段分别就控制车身焊装质量的方法展开讨论：一是提出合理的焊装工艺文件设计原则；二是对焊装定位基准进行规范化设计，制定合理的定位基准布局。同时对焊装定位理论进行阐述，并基于“N-2-1”理论，结合有限元方法对定位基准布局进行初步设计。第五章是研究对焊装定位基准进行初步设计后的布局优化问题。首先从理论上介绍各种优化方法，分析优劣，然后根据工程实际问题选择合适的优化方法并设计优化流程，最后对侧围 B 柱加强板模型进行定位基准布局优化设计，最终验证该方法的可行性。第六章为总结与展望，介绍文章最终完成的内容以及研究的不足之处，并为之后的研究提供参考。万方数据第二章 白车身结构及其焊装技术研究9第二章第二章 白车身结构及白车身结构及其其焊装技术研究焊装技术研究2.1 白车身结构分类和组成2.1.1 白车身白车身结构结构分类及特点分类及特点白车身是由纵梁、横梁、立柱、加强板等车身结构件和车身覆盖件焊装而成的，还包括了车门，发动机罩，行李厢盖，翼子板等部件。从车身结构和设计的观点出发，可将车身按承载方式分为非承载式、承载式和半承载式三类32。1)非承载式：车身本体通过弹性元件连接，并悬置于车架，因此行驶时车身受到的振动很小，平稳性和安全性好。但非承载式车身的质量大，质心高，速度较快时稳定性差，一般用于货车（除微型货车）、大客车、专用汽车等。2)半承载式：车身本体用焊接或螺栓与底架刚性连接，使底架起到部分车架作用。在这种情况下，车身分担了一部分车架上的载荷，使车架得到加固。这种结构多用于一些大客车上。3)承载式：车身取消了刚性车架，通过加强车头，侧围，车尾，地板等部位强度和刚度，和地板共同组成车身的刚性结构空间，因而这种车身具有较大的刚度。由于具有质量小，质心低，装配简单，高速行驶稳定性高等特点，使得绝大部分轿车采用了这种车身结构。2.1.2 白车身的结构组成白车身的结构组成车身结构发展以承载式为主，大多数轿车采用承载式车身，下面以某款乘用车为例介绍白车身结构组成。从汽车焊装工艺考虑，可以将乘用车白车身分成各分总成，一般分为门盖总成、地板总成、顶盖总成、侧围总成等。门盖总成（Closures）是前后车门总成、发动机盖总成和行李厢总成的统称。车门是车身重要部件之一，它的质量直接影响到整车的安全性和舒适性，因此对其加工和装配精度要求较高。发动机盖一般由外板和内板组成，中间夹以隔热材料，要求隔热隔音、质量轻、刚性强。行李厢盖结构与发动机盖基本相同，要求有较好的刚性。地板总成（Under Body Assembly）一般包括车身地板和发动机舱总成两部分。车身地板一般可以分为前地板、中地板和后地板。地板上安装有座椅并担负着承重的任务，所以地板多存在凹凸平台或者加强筋来提高刚度和强度。后地板部分对整车的四轮定位还有着影响，所以对后地板的焊装质量要求更高。发动机舱是来安置汽车的发动机、变速器、制动等装置的车身重要组成。发动机舱要在汽车遇到正面碰撞时，能够折曲变形吸收碰撞产生的能量，从而减少对车内乘客万方数据合肥工业大学硕士学位论文10的冲击，起到保护乘客安全的作用。顶盖总成（Roof Assembly）是由顶盖横梁和顶盖盖板组成。顶盖对车身的总体刚度影响不大，不过为了安全，顶盖还是要有一定的强度和刚度，因此在盖板下增加了一定数量的加强梁。顶盖结构的设计重点是它如何与前、后窗框及与支柱交界点平顺过渡，以求得最好的视觉感和最小的空气阻力。本文以侧围为重点研究对象，侧围的结构在下一节详细介绍。图 2.1 是典型的承载式乘用车车身结构。1-白车身总成；2-地板总成；3-左侧围总成；4-左后门总成；5-左前门总成；6-左翼子板；7-发动机舱总成；8-发舱盖板总成；9-右翼子板总成；10-右侧围总成；11-右前门总成；12-右后门总成；13-顶盖总成；14-后围总成图 2.1承载式车身结构Fig 2.1Structure of an integral body2.1.2 白车身侧围结构及其特点白车身侧围结构及其特点侧围总成（Side Body Assembly）是组成车身结构的主要总成件，在车身焊装中数量较多，有左右两个侧围总成33。前后门都安装在侧围立柱上，同时侧围也要与地板、顶盖等总成件焊