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車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)與入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
學(xué)號(hào)：Ｓ０７０２１０２２
密級(jí)：公開
湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)與入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
Ｄｅｓｉｇｎｆｏ
ｅ艉ｃｔｓｏｆｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｏｎｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏ腫ａｎｃｅ
ＷＡＮＧＺｕｊｉａｎ
Ｂ．Ｅ．（ＪｉａｎｇｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉＶｅｒｓｉ夠）２００７
Ａｔｈｅｓｉｓｓｕｂｍｉｔｔｅｄｉｎｐａｒｔｉａｌｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
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Ｍａｙ，２０ｌＯ
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湖南大學(xué)
學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取由本人承擔(dān)。
作者簽名：互象艮吏日期：徹踟年歲月加日
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２、不保密日。
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作者簽名：日期：私移年戶月辦相導(dǎo)師簽名：日期：洲。年如沙日得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
下身激光焊接央具設(shè)計(jì)’ｊ入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
摘要
激光加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)之一，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車工業(yè)應(yīng)用中已越來越廣泛，激光切割和激光焊接逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)的加工工藝。三維激光切割技術(shù)可以取代沖壓工藝中的沖孔模和修邊模，不僅節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)制造成本，而且縮短了新車型的開發(fā)周期；激光焊接技術(shù)應(yīng)用于白車身焊接，大大提高了車身的強(qiáng)度和剛度，增加了車身的安全性，而且有利于車身的輕量化。本文對(duì)白車身切割焊
第一文庫(kù)網(wǎng) 接柔性生產(chǎn)線和焊接柔性?shī)A具進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。激光光束入射角對(duì)焊接質(zhì)量的影響作為車身焊接中的難點(diǎn)問題之一，本文就該問題進(jìn)行了重點(diǎn)研究。首先，對(duì)白車身切割焊接生產(chǎn)線和柔性焊接夾具進(jìn)行了研究。分析了車門結(jié)構(gòu)和基于激光焊接的工藝；基于柔性化和安全性的考慮，對(duì)生產(chǎn)線總體布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)；按照技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、生產(chǎn)上適用的原則，對(duì)該生產(chǎn)線主要設(shè)備進(jìn)行了選型和設(shè)計(jì)；基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)和試制了車身激光焊接柔性?shī)A具。
其次，論述了激光焊接原理和激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用，對(duì)車身常用板材一鍍鋅板的幾種焊接方法進(jìn)行了比較，即激光焊接、弧焊、電阻點(diǎn)焊；總結(jié)分析了鍍鋅板激光焊接的難點(diǎn)和影響焊接質(zhì)量的主要因素；提出了提高焊接質(zhì)量的方法，包括：工藝措施法、優(yōu)化參數(shù)和焊接過程法、在線檢測(cè)控制法。
最后，針對(duì)激光光束入射角對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行了深入的研究，通過正交試驗(yàn)選取光束垂直入射焊接時(shí)較佳的工藝參數(shù)，在該參數(shù)下，改變光束入射角，進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做了大量的焊后檢測(cè)分析，包括焊縫表面形貌、焊縫截面、拉剪試驗(yàn)、硬度、金相等。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，得出了入射角變化對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響規(guī)律和該實(shí)驗(yàn)條件下臨界入射角。為激光焊接在車身上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：白車身；生產(chǎn)線；柔性?shī)A具；入射角；工藝；質(zhì)量
碩士學(xué)位論文
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｌａｓｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ｈａｓｂｅｅｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｐｐｌｉｅｄｍｏｒｅａｓｏｎｅｏｆｔｂｅａｄｖａｎｃｅｄｏｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｎｄｕｓｔｒｙｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，
ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄｍｏｒｅｗｉｄｅｌｙｔｈｅａｕｔｏｄｅＶｅｌｏｐｅｄｃｏｕｎｔｒｉｅｓ，ｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｃｏｍｅｔｈｅ
ｃａｎｓｔａｎｄａｒｄｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｈｉｃｈｒｅｐｌａｃｅ
ｐｕｎｃｈｄｉｅａｎｄｔｒｉｍｍｉｎｇｄｉｅｉｎｔｈｅｓｔａｍｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔｏｆｄｉｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｂｕｔａｌｓｏｇｆｅａｔ】ｙｓｈｏｎｅｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｙｃｌｅｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｈｉｃｈｗｅｌｄｉｎｇ，ｃａｎｎｏｔｃａｎａｎｅｗｃａｒ；ｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｂｏｄｙ．ｉｎ—ｗｈｉｔｅ（ＢＩＷ）ａｓｓｅｍｂｌｙｏｎＩｙｉｎｌｐｒｏＶｅｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔｉｆ．ｆｈｅｓｓａｎｄｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｔｈｅｂｏｄｙ，ｂｕｔａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｎｓｕｎｌｐｔｉｏｎｏｆｂｏｄｙｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｗｅｉｇｈｔ，ｔｈｅＢＩＷｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅａｎｄｎｅｘｉｂｉｌｉｔｙｆｉｘｔｕｒｅｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｉｔｉａｌｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｅｆｆｂｃｔｏｆｌａｓｅｒｂｅａｍ
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Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｄｉ儂ｃｕｌｔｐｒｏｂｌｅｍ，ｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｍａｉｎｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅａｎｄｎｅｘｉｂｉｌｉｔｙ行ｘｔｕｒｅＢＩＷｌａｓｅｒｃｕｔｔｉｎｇｈａＶｅｂｅｅｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｏｏｒｈａｖｅＢａｓｅｄｏｎｂｅｅｎａｎａｌｙｚｅｄ．ｏｆｔｈｅｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｎｅｘｉｂｌｅａｎｄｓａｆｅｔｙ，ｔｈｅ
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ｏｎｐｒａｃｔｉｃｅ，ｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｎｄｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ｂａｓｅｔｈｅｄｅｓｉｇｅｉｄｅａｏｆ
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Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａｒｅａｕｔｏａｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ＳｅＶｅｒａｌｗｅｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｃｏｍｐａｒｅｄ，ｔｈａｔｉｎｃｌｕｄｅｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ，ａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｐｏｔｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｄｉｆ拜ｃｕｌｔｐｏｉｎｔｏｆｇａｌＶａｎｉｚｅｄｓｈｅｅｔｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｍａｉｎｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆ．ａｃｔｏｒｓｏｆｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｉｍｐｒｏＶｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇ
ｍｅａｓｕｒｅ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｐｅｒｆ．０ｒｍａｎｃｅａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｈａｎｇｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，
ｏｎ—ｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓ．
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｆｆ．ｅｃｔｓｏｆｌａｓｅｒｂｅａｍｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｏｎｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｈｅｅｔｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆＩｏｒｍａｎｃｅｈａＶｅｂｅｅｎｉｎｔｅｎｓｉＶｅｓｔｕｄｙ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｉｄｅａｌｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔ．Ｔｈｅｎｇａｌｖａｎｉｚｅｄ
ｏｎｓｈｅｅｔｗｅｌｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂａｓｅｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｉｄｅａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ
ｃｏｎｎｅｃｔＶｅｒｔｉｃａｌｉｎｃｉｄｅｎｃｅ．ＴｈｅｔｒａｎｓＶｅｒｓｅｗｅｌｄｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ，ｔｈｅｗｉｄｔｈｂｅｔｗｅｅｎ
車身激光焊接央具設(shè)計(jì)與入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
ｐｌａｔｅｓａｎｄｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｓｈｅａｒｌｏａｄ，ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｗｈｅｎｔｈｅｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｃｈａｎｇｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａ，ｔｈｅｅｆｆｂｃｔｓｏｆｌａｓｅｒｂｅａｍｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅＶａｒｉａｔｉｏｎｏｎｇａｌＶａｎｉｚｅｄｓｈｅｅｔｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｂｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｈａＶｅｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｗｉｌｌｌａｙｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒ１ａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｔｏＢＩＷ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｂｏｄｙ－ｉｎ—ｗｈｉｔｅ；Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅ；Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｆｉｘｔｕｒｅ；Ｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅ；
Ｐｒｏｃｅｓｓ；Ｑｕａｌｉｔｙ
３．２．２激光組焊技術(shù)……………………………………………………………………．３０Ｖ
３．３
３．４
第４章
４．１
４．２
４．３
４．３
４．４
總結(jié)與
參考文
致謝一
附錄ＡＶＩ
圖２．１６機(jī)器人和焊接頭連接法蘭………………………………………………………．２０圖２．１７傳統(tǒng)車身焊接夾具………………………………………………………………………．２１圖２．１８不利于激光焊接的車身結(jié)構(gòu)………………………………………………………．．２２圖２．１９激光焊接和電阻點(diǎn)焊凸緣結(jié)構(gòu)……………………………………………．．２３圖２．２０激光卷對(duì)接焊與電阻點(diǎn)焊車身結(jié)構(gòu)………………………………………………２３圖２．２ｌ定位元件…………………………………………………………………………………．．２４圖２．２２移動(dòng)定位元件……………………………………………………………………………．．２４圖２．２３央緊元件……………………………………………………………………………………．２５圖２．２４激光柔性焊接夾具方案一………………………………………………………．２５Ｖｌｌ
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)與入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
圖２．２５激光柔性焊接夾具方案和連接板……………………………………………２６圖２．２６激光柔性焊接夾具方案三和調(diào)節(jié)螺柱圖…………………………………………２６圖２．２７激光柔性?shī)A具方案圖…………………………………………………………………２７圖２．２８夾具陣列孔底板…………………………………………………………………………．．２７圖２．２９車門分總成的柔性焊接夾具圖……………………………………………………２８圖３．１激光拼焊示意圖……………………………………………………………………………３０圖３．２激光拼焊在車身中的應(yīng)用………………………………………………………………３０圖３．３白車身激光組焊……………………………………………………………………………３１圖３．４上下板表層鋅蒸氣排出圖……………………………………………………………．．３４圖３．５中間鋅層排出圖……………………………………………………………………………３４圖３．６鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響因素……………………………………………………………３５圖３．７汽車激光焊常見焊接接頭形式……………………………………………………．３７圖３．８汽車激光焊焊接接頭形式……………………………………………………………３８圖４．１試驗(yàn)原理圖………………………………………………………………………４５圖４．２試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖………………………………………………………………………．４５圖４．３ＤＣ０２５型板條式Ｃ０２激光器及其模式……………………………………………４６圖４．４ＳＥＳＡＭＯ型三維激光切割機(jī)床………………………………………………………４７圖４．５不同光束入射角下板厚１．２ｍｍ＋１．２ｍｍ焊縫表面形貌………………………．．５０圖４．６不同光束入射角下板厚Ｏ．８ｍｍ＋０．８ｍｍ焊縫表面形貌………………………一５ｌ圖４．７不同入射角下板厚１．２ｍｍ＋１．２ｍｍ搭接接頭截面形狀………………………一５２圖４．８不同光束入射角下光斑上能量作用位置的變化………………………………．．５２圖４．９不同入射角下板厚０．８ｍｍ＋０．８ｍｍ搭接接頭截面形狀………………………一５３圖４．１Ｏ拉伸試樣…………………………………………………………………………………５４圖４．１１所承受的拉剪載荷隨入射角度變化……………………………………………．．５５圖４．１２間隙不同時(shí)拉剪載荷隨入射角度變化……………………………………………．５５圖４．１３板厚１．２ｍｍ＋１．２ｍｍ拉剪試驗(yàn)斷口位置………………………………………一５５圖４．１４板厚０．８ｍｍ＋０．８ｍｍ拉剪試驗(yàn)斷口位置………………………………………５６圖４．１５不同入射角時(shí)硬度分布………………………………………………………………．．５６圖４．１６不同入射角時(shí)焊縫截面圖……………………………………………………………．５７圖４．１７母材區(qū)金相組織…………………………………………………………………………．５８圖４．１８熱影響區(qū)金相組織……………………………………………………………………．．５８圖４．１９焊縫區(qū)金相組織…………………………………………………………………………．．５８ＶｌｌＩ
碩：上學(xué)位論文
附表索引
表２．１激光器主要技術(shù)參數(shù)…………………………………………………………………．１３表２．２龍門式混合光路和飛行光路比較…………………………………………………．１５表２．３三維激光切割機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)……………………………………………．１５表２．４不同種類激光器性能比較………………………………………………………．１８表２．５不同機(jī)器人性能比較…………………………………………………………．１９表２．６ＡＢＢＩＲＢ４４００／Ｌ３０型號(hào)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)………………………．．２０表３．１鋼與鋅的熔沸點(diǎn)比較……………………………………………………………………．３２表３．２鍍鋅板常用幾種焊接方法比較………………………………………………………３２表４．１ＲＯＦＩＮＤＣ０２５激光器主要技術(shù)參數(shù)………………………………………………．４６表４．２試驗(yàn)材料的力學(xué)性能和化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％）………………………４７表４．３正交試驗(yàn)因素水平表……………………………………………………………………．．４８表４．４正交試驗(yàn)方案………………………………………………………………………………．４９表４．５入射角試驗(yàn)參數(shù)………………………………………………………………………．５０ｌＸ
碩‘Ｉｊ學(xué)位論文
第１章緒論
１．１激光加工概況
激光技術(shù)是二十世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)齊名的四大發(fā)明之一。１９６０年６月，美國(guó)人Ｔ．Ｈ．Ｍａｉｍａｎ研制出了世界上第一臺(tái)實(shí)用的紅寶石激光器。激光加工技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的～項(xiàng)常用技術(shù)。激光加工作為一種非接觸、低噪聲、無污染、節(jié)省材料的綠色加工技術(shù)還具有信息化的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)智能控制和加工技術(shù)的高度柔性化，是典型的集光、機(jī)、電、材料、熱物理等諸多學(xué)科于一體的先進(jìn)加工技術(shù)。激光技術(shù)已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、通信、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、能源等許多方面獲得了重要應(yīng)用…。
激光（ＬｉｇｈｔＡｍｐｌｉ６ｃａｔｉｏｎｂｙＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＥｍｉｓｓｉｏｎｏｆＲａｄｉａｔｉｏｎ）是原子核電子受激輻射經(jīng)光放大而形成的光輻射，具有很多不同于普通光的特性，如：?jiǎn)紊�、相干性、方向性和高光�?qiáng)等。因此，激光束作為一種特種加工的能源，和傳統(tǒng)加工相比具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：激光束易于傳輸，其時(shí)間特性和空間分布容易控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；激光束聚焦后的光斑具有極高的功率密度，可以加熱熔化甚至汽化任何材料，可以進(jìn)行局部區(qū)域的精細(xì)快速加工；加工過程中工件的熱影響和熱變形都很小等。這些優(yōu)點(diǎn)極大地推動(dòng)了激光在材料加工行業(yè)中的應(yīng)用，激光被譽(yù)為“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段’’ｎ噸１。
在工業(yè)生產(chǎn)中，激光加工主要用于切割、焊接、打孔、表面處理、打標(biāo)等行業(yè)。近年來，又開辟了一些新的應(yīng)用領(lǐng)域，如激光成型與校形、激光微細(xì)加工、納米材料制備及激光復(fù)合加工、激光快速制造等。目前，它已發(fā)展成為一個(gè)世界范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)。在歐洲各國(guó)中，諸多激光加工應(yīng)用中最多的領(lǐng)域是激光切割，但增長(zhǎng)最快的加工類別卻是激光焊接。在汽車制造業(yè)，激光焊接得到了最為廣泛的應(yīng)用，技術(shù)也日趨成熟。圖１．１激光加工技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
激光切割和焊接作為汽車制造業(yè)新加工方式，是一個(gè)具有很大發(fā)展?jié)摿Φ姆较颉Ｔ趪?guó)際汽車工業(yè)界，激光加工技術(shù)己廣泛應(yīng)用于汽車制造中，激光切割與焊接逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)的加工工藝。車身在汽車整車制造中占有重要的地位，不僅車身成本占整車的４０～５０％，而且對(duì)汽車制造的安全、節(jié)能、環(huán)保和快速換型有重要影響。據(jù)估計(jì)，在車身制造工藝中采用激光加工技術(shù)，可節(jié)�。玻车男萝嚿黹_發(fā)模具和約７０％的夾具，使生產(chǎn)周期縮短５０％，白車身重量減少約２０％，制造精度（形狀、尺寸等）和白車身總體質(zhì)量（剛度、強(qiáng)度等）顯著提高Ｄ】。圖１．１所示為激光加工技術(shù)在車身制造中的應(yīng)用。
１．２白車身柔性焊接生產(chǎn)線和柔性焊接夾具研究現(xiàn)狀
１．２．１白車身焊接生產(chǎn)線研究現(xiàn)狀
１．２．１．１國(guó)外現(xiàn)狀
汽車產(chǎn)生于１９世紀(jì)末，福特汽車公司開發(fā)出了世界上第一條汽車生產(chǎn)流水線，代替了早期的手工作坊式生產(chǎn)。福特生產(chǎn)線吸收了流水線和互換性的設(shè)計(jì)思想，以標(biāo)準(zhǔn)化，具有互換性的零部件進(jìn)行Ｔ型車的組裝，實(shí)現(xiàn)了汽車的大批量生產(chǎn)。這種大批量生產(chǎn)方式極大的提高了生產(chǎn)效率和降低了生產(chǎn)成本，但是福特生產(chǎn)模式每條生產(chǎn)線只能生產(chǎn)單一品種的車型，造成了資源的極大浪費(fèi)。２０世紀(jì)５０年代，歐洲汽車廠家把大批量生產(chǎn)和產(chǎn)品差異化結(jié)合起來，產(chǎn)品差異化即針對(duì)不同的市場(chǎng)和客戶，設(shè)計(jì)不同的產(chǎn)品和營(yíng)銷計(jì)劃，這使得歐洲汽車汽車產(chǎn)量逐漸超過了北美。由于汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，消費(fèi)者需求趨于多樣化、個(gè)性化，汽車品種開始逐漸增多，更新周期也越來越短，但之前單一、剛性的生產(chǎn)方式只能滿足大批量的生產(chǎn)，小批量生產(chǎn)必然帶來成本的增加。上世紀(jì)六七十年代，豐田公司吸收福特生產(chǎn)模式的原理，根據(jù)自身實(shí)踐，創(chuàng)造出一套以準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)和全面質(zhì)量管理方式為主要特征的新型生產(chǎn)系統(tǒng)，即“精益求精”生產(chǎn)系統(tǒng)，開發(fā)出了世界第一條柔性汽車生產(chǎn)線，使一條生產(chǎn)線能夠適應(yīng)多個(gè)品種的汽車車型生產(chǎn)�！熬媲缶钡纳a(chǎn)方式也受到了世界其它工業(yè)國(guó)家的追捧，在其它工業(yè)行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用¨１。
如今，隨著自動(dòng)化技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)線大量應(yīng)用柔性化的設(shè)備。汽車通用平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)在同一條生產(chǎn)線上完成多種車型的快速組裝，減少生產(chǎn)線的建設(shè)數(shù)量和占地面積，提高自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率，顯著降低新車型投資。世界各大汽車生產(chǎn)商均采用了此種生產(chǎn)模式，有的可以實(shí)現(xiàn)五種甚至是六種車型的混流生產(chǎn)，切換速度快，生產(chǎn)效率高，節(jié)約了大量的成本。２
碩．卜學(xué)位論文
圖１．２意大利ＣｏＭＡＵ的ＯｐｅｎＲｏｂｏＧａｔｅ柔性混流生產(chǎn)線
圖１．２所示為意大利ＣＯＭＡＵ的ＯｐｅｎＲｏｂｏＧａｔｅ柔性混流生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線包括６臺(tái)焊接機(jī)器人，６＋６套側(cè)圍夾具，ｌ＋１套傳輸系統(tǒng)，２＋２個(gè)傳輸小車，６＋６套側(cè)圍夾具支撐，１＋ｌ側(cè)圍快速夾緊定位Ｙ向平移機(jī)構(gòu)，占地２８．９ｍ×１８ｍ，實(shí)現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)６種車型的柔性生產(chǎn)。該系統(tǒng)柔性很好，切換很方便，適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)的車身，不足之處是占地面積大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格高。
焊裝做為汽車四大生產(chǎn)工藝之一，焊裝的車身質(zhì)量關(guān)乎到車身的外觀質(zhì)量及總裝裝配的難易程度，焊裝生產(chǎn)工藝在四大工藝中起到承上啟下的作用。目前大眾、通用等世界各大汽車生產(chǎn)廠商大多采用了汽車白車身激光焊接系統(tǒng)進(jìn)行車身焊接，建立了激光白車身焊裝生產(chǎn)線。
１．２．１．２國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)起步較晚，１９５６年生產(chǎn)出中國(guó)第一輛解放牌汽車，生產(chǎn)線為早期福特大批量剛性生產(chǎn)方式，生產(chǎn)方式簡(jiǎn)單落后。到了八十年代，國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)和國(guó)外企業(yè)成立合資企業(yè)，即走引進(jìn)．模仿．國(guó)產(chǎn)化的道路。
近些年由于國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，大量引進(jìn)國(guó)外車型，汽車的庫(kù)存開始增加，原有的大批量剛性生產(chǎn)線產(chǎn)能過剩，國(guó)內(nèi)所有的汽車廠家都在尋找柔性化生產(chǎn)方式，進(jìn)行單一平臺(tái)多車型共線生產(chǎn)。上海大眾、一汽大眾等企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一條生產(chǎn)線生產(chǎn)兩種或兩種以上的車型。
目前國(guó)內(nèi)汽車公司的焊裝生產(chǎn)線焊接方式大多采用電阻點(diǎn)焊，且大部分為人工操作，機(jī)器人應(yīng)用較少，依然以勞動(dòng)密集型為主，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，產(chǎn)品質(zhì)量也不高，生產(chǎn)線上的加工檢測(cè)設(shè)備也以進(jìn)口為主。比如車身激光焊，這是轎車車身制造的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高汽車質(zhì)量和安全性能起著重要作用。但目前這項(xiàng)技術(shù)卻為國(guó)外所壟斷，國(guó)內(nèi)只有合資企業(yè)才能通過引進(jìn)設(shè)備使用這種焊接技術(shù)，在民族品牌汽車中，幾乎還是空白哺３。
下身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
１．２．２車身柔性焊接夾具理論研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
１．２．２．１柔性?shī)A具的理論研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外的很多高校和科研單位在柔性?shī)A具及其設(shè)計(jì)理論方法方面進(jìn)行了大量的研究。
Ａ．Ｍａｒｋｕｓ等人研制了一個(gè)用于箱體類組合夾具設(shè)計(jì)的基于ｐｏｒｌｏｇ語(yǔ)言的專家系統(tǒng)，當(dāng)輸入工件的形狀，定位加緊點(diǎn)等信息，該專家系統(tǒng)能夠自動(dòng)選取合適的夾具模塊哺１。
Ｔｈｏｍｐｓｏｎ和Ｇａｎｄｈｉ在ｌ９８６年提出了一種夾具模塊化設(shè)計(jì)方法…。
Ｒｅｍｉｃｋ，Ｈｕ和Ｗｕ于１９９３年提出一種運(yùn)用有限元分析和非線性優(yōu)化的薄板夾具設(shè)計(jì)方法，將優(yōu)化結(jié)果通過價(jià)值函數(shù)分析來確定裝配工序中最優(yōu)夾具定位單元數(shù)№１：Ｃａｉ，Ｈｕ和Ｙｕａｎ于１９９６年提出了適合于車身薄板件夾具設(shè)計(jì)的“Ｎ．２．１＂定位原理，在薄板件法方向即第一基準(zhǔn)面應(yīng)用多于３個(gè)定位點(diǎn)去限制這一方向的零件變形，其中的最優(yōu)的定位點(diǎn)數(shù)“Ｎ＂可利用有限元分析軟件和非線性規(guī)劃方法找到∞１。
Ｌｅｅ提出了關(guān)于ＰＲＲ型定位機(jī)器人的柔性?shī)A具定位空間綜合方法ｎ引。
我國(guó)學(xué)者于８０年代中后期也開始對(duì)組合夾具元件的設(shè)計(jì)與管理進(jìn)行了研究和開發(fā)，在總結(jié)和吸取我國(guó)應(yīng)用和發(fā)展槽系夾具經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代機(jī)械加工特征及夾具的發(fā)展趨勢(shì)，研制了新一代孔系組合夾具系統(tǒng)。北京工商大學(xué)麻建東和劉璇開發(fā)了組合夾具元件庫(kù)…１。山東工業(yè)大學(xué)的徐志剛基于廣義映射原理，開發(fā)了支持“ｔｏｐ．ｄｏｗｎ’’的組合夾具設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)，為夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)的開發(fā)探索出一條新的途徑ｎ引。
清華大學(xué)張展生等提出一種全新的由機(jī)器人調(diào)整的可重構(gòu)汽車車身焊接夾具。該夾具充分利用了焊裝生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)器人的高精度與柔性自動(dòng)化能力。并采用“一步直拉式”夾具定位調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)夾具的快速自動(dòng)化構(gòu)建與調(diào)整ｎ朝。
由于夾具設(shè)計(jì)過程中的隨機(jī)因素較多，迄今為止，所開發(fā)的夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)還很少應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。
１．２．２．２車身柔性?shī)A具的應(yīng)用現(xiàn)狀
柔性?shī)A具是指工件的形狀和尺寸有一定變化后，夾具還能夠適應(yīng)這種變化并繼續(xù)使用的具有一定應(yīng)變能力的夾具。
目前國(guó)內(nèi)汽車公司所用的夾具普遍都采用一個(gè)焊接工位設(shè)計(jì)一套央具，當(dāng)工位發(fā)生較大變化時(shí)就重新設(shè)計(jì)一套新的夾具，這就導(dǎo)致了車身制造成本的上升和效率的下降，同時(shí)延長(zhǎng)了新車型的研發(fā)周期，如圖１．３所示。４
德
緊各種
加工單
圖１．５Ｔ０ｒｒｅｓＴｏｏｌ柔性裝夾系統(tǒng)
圖１．５所示為西班牙Ｍ．Ｔｏｒｒｅｓ集團(tuán)公司設(shè)計(jì)制造的ＴｏｒｒｅｓＴ００ｌ柔性裝央系統(tǒng)。這套系統(tǒng)最典型的結(jié)構(gòu)是臥式三軸，它由若干個(gè)排架組成，每個(gè)排架在計(jì)算
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
機(jī)程序指令控制下可獨(dú)立沿Ｘ軸方向移動(dòng)，每個(gè)排架下有若干個(gè)支撐桿，每個(gè)支撐桿也是由計(jì)算機(jī)程序指令控制下沿ＹＺ軸獨(dú)立移動(dòng)。在每個(gè)支撐桿的頂端有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的可制動(dòng)調(diào)整的吸盤，能在任意方向４５０傾斜，用作系統(tǒng)的末端受動(dòng)器，是設(shè)備和航空部件的接觸點(diǎn)。該系統(tǒng)較貴，每套數(shù)百萬美元¨利。
豐田汽車公司全球車身制造系統(tǒng)（ＧｌｏｂａｌＢｏｄｙＬｉｎｅ，簡(jiǎn)稱ＧＢＬ）采用內(nèi)置式夾
Ｂｏｄｙ具，如圖１．６所示。圖示上圖是柔性生產(chǎn)系統(tǒng)（ＦｌｅｘｉｂＩｅＬｉｎｅ，簡(jiǎn)稱ＦＢＬ）焊裝
夾具，其包括三套高精度且昂貴的夾具，從車身的左、右、上方對(duì)車體固定（如圖中紅色）。而ＧＢＬ核心之處在于“由內(nèi)向外＂的設(shè)計(jì)理念，從車體內(nèi)部由一臺(tái)夾具支撐并固定車體，夾具從敞開的頂部伸入，按車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)部定位點(diǎn)定位并按車身定位夾緊方案進(jìn)行夾緊。當(dāng)側(cè)面焊接完畢后，夾具從車體中抽出，車體則隨著生產(chǎn)線移動(dòng)到下一工位，進(jìn)行補(bǔ)焊，并安上車頂蓋，對(duì)車頂蓋進(jìn)行焊接。該夾具柔性很好、技術(shù)水平較高、通用性和互換性較好，投資也相對(duì)較小。當(dāng)然，這需要相當(dāng)精確的定位尺寸配合，而且其生產(chǎn)裝備和質(zhì)量控制與車身設(shè)計(jì)互為依托，對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求很嚴(yán)，行業(yè)推廣有很大的困難。
ＧＢＬ
圖１．６豐田全球車身制造系統(tǒng)圖１．７ＦａｎｕｃＦ－１００Ａ－夾具系統(tǒng)
圖１．７所示是日本Ｆａｎｕｃ公司生產(chǎn)的Ｆ—ｌ００Ａ．夾具系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一款可編程的自動(dòng)夾具安裝平臺(tái)，每個(gè)夾具平臺(tái)由４個(gè)或５個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸控制，通過改變其運(yùn)動(dòng)程序，方便地實(shí)現(xiàn)不同定位基準(zhǔn)的工件在同一個(gè)夾具平臺(tái)上生產(chǎn)，該夾具平臺(tái)具有高剛性、編程簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅適合整車焊裝線，也適合各分總成和零部件的多品種共線生產(chǎn)，但是該系統(tǒng)成本很昂貴，一次性投入非常高。
１．３激光光束入射角對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量影響的研究現(xiàn)狀
鍍鋅板因其良好的抗腐蝕性能而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括電力、交通、建筑、化工、通風(fēng)供熱設(shè)施以及家具制造等行業(yè)。尤其在汽車制造中，各種普通６
碩。ｌ：學(xué)位論文
鍍鋅板，高強(qiáng)度鍍鋅板，超高強(qiáng)度鍍鋅板的應(yīng)用大幅提高了車身等部件的抗腐蝕性能和汽車的使用壽命，通常８６ｕｍ厚鍍層的鍍鋅板在大氣中的使用壽命不低于２０年¨５。１引。鋅蒸氣是影響鍍鋅板激光焊接質(zhì)量的主要因素，減少鋅蒸氣的蒸發(fā)和使其有效排出是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之～。目前，提高焊接質(zhì)量的方法主要有以下三種：特定工藝措施法¨卜２引、優(yōu)化參數(shù)和焊接過程乜９１、在線檢測(cè)控制拈０。３引。
激光光束入射角變化會(huì)影響到達(dá)加工工件表面激光光斑面積和反射率，進(jìn)而影響激光功率密度，而激光功率密度對(duì)激光焊接具有重要影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光光束入射角偏轉(zhuǎn)對(duì)激光加工質(zhì)量的研究這一課題做了一定的研究。
圖１．８焊接頭和夾具干涉圖
韓國(guó)學(xué)者ＣｈｅｏｌｈｅｅＫｉｍ等人研究了使用ＤＩＳＫ激光器的激光遠(yuǎn)程焊接，研究認(rèn)為光束入射角小于等于２００時(shí)可以得到連續(xù)穿透焊縫，大于２５０時(shí)，焊縫則不連續(xù)‘３ｊ１。
湖南大學(xué)的陳根余，劉旭飛等對(duì)入射角改變時(shí)激光切割質(zhì)量進(jìn)行了研究，研究認(rèn)為光束入射角增加后會(huì)導(dǎo)致反射加大，實(shí)際輸入工件材料的激光能量減少，入射角改變會(huì)導(dǎo)致切縫寬度變化。入射角在２００范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)切割面粗糙度的影響很小，入射角超過２００時(shí)，切割面會(huì)嚴(yán)重過燒，粗糙度大大增加，切割質(zhì)量很差ｍ’。
山東大學(xué)的劉杰，孫勝，管延錦等ｂ剛研究了激光彎曲成型過程中激光入射角變化對(duì)材料吸收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在采用激光對(duì)具有吸收層的工件進(jìn)行多次掃描時(shí)，由于變形部分入射角增大引起激光吸收率提高，以及光斑面積增大引起激光功率下降，從而導(dǎo)致作用于工件表面的激光能量因素改變，這是彎曲角度發(fā)生變化的主要原因。
董志娟，欒貴時(shí)¨們研究了不同激光入射角度對(duì)表面硬化效果的影響。研究結(jié)果認(rèn)為：相同的激光硬化工藝處理參數(shù)（激光功率、掃描速度、離焦量）下，入射角度越大，硬化層越淺。表面顯微硬度也逐漸減小，淬硬層的寬度逐漸增大。
但是關(guān)于激光光束入射角變化對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響卻沒有相應(yīng)的研究。激光光束入射角改變對(duì)焊接質(zhì)量有著重要影響，生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用激光焊接白車身７
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
時(shí)，因?yàn)楹附宇^不同于電阻點(diǎn)焊焊槍，其尺寸比較大，經(jīng)常會(huì)和車身零部件及工裝夾具產(chǎn)生干涉，使焊接過程無法順利進(jìn)行，如圖１．８所示，而激光焊接頭偏轉(zhuǎn)一定角度，可以很大程度上避免上述干涉。因此，開展激光光束入射角對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量的研究具有重大的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
１．４課題的研究背景和意義
汽車工業(yè)做為一個(gè)國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)，其水平的高度在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的高度。汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)際上就是汽車質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)，汽車生產(chǎn)成本的競(jìng)爭(zhēng)，汽車經(jīng)濟(jì)效益的競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前全球汽車企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得先機(jī)，各汽車廠家的新款車型推出周期越來越短，同時(shí)，隨著年輕的消費(fèi)者對(duì)汽車產(chǎn)品個(gè)性化需求越來越高，傳統(tǒng)的單一大批量剛性生產(chǎn)方式正逐漸被小批量、多品種、個(gè)性化的柔性生產(chǎn)模式所代替。因此，快速的響應(yīng)市場(chǎng)多元化的需求，建立柔性化的生產(chǎn)線，縮短新車型的推出周期對(duì)汽車企業(yè)至關(guān)重要。
汽車車身夾具作為汽車生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)之一，其柔性水平很大程度上決定了生產(chǎn)線柔性的水平，傳統(tǒng)的汽車焊裝夾具一般只能滿足單一零件的工件裝夾，當(dāng)工件更換時(shí)，夾具也隨之更換，這不斷浪費(fèi)了大量的資源和生產(chǎn)成本，而且間接延長(zhǎng)了整個(gè)生產(chǎn)線和新車型的研發(fā)周期。因此，研制柔性化的汽車焊裝夾具對(duì)于柔性生產(chǎn)線的實(shí)現(xiàn)和新車型的研發(fā)具有重要的意義。
激光焊接作為一種新的加工手段，其在汽車車身上得到了廣泛的應(yīng)用。激光焊接不僅減輕了白車身的重量，提高了白車身的強(qiáng)度和剛度，而且更容易實(shí)現(xiàn)白車身焊接的柔性化和智能化，提高生產(chǎn)效率。鍍鋅板因其優(yōu)越的防腐性在車身上得到大量使用，鍍鋅板的激光焊接因?yàn)殇\蒸氣的沸點(diǎn)低，易蒸發(fā)，不易排出的鋅蒸氣對(duì)焊接質(zhì)量有嚴(yán)重不良影響，車身鍍鋅板激光焊接時(shí)，激光焊接時(shí)焊縫位置的不同，會(huì)導(dǎo)致焊接方式和焊接角度隨焊縫位置的變化而變化。由于車身零部件以及焊裝夾具結(jié)構(gòu)的限制，焊接聚焦鏡組不能總是垂直于焊縫來焊接，焊接頭需要偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度才能完成焊接。激光光束入射角變化會(huì)影響到達(dá)加工工件表面激光光斑的大小和吸收率，進(jìn)而影響激光功率密度，從而影響加工質(zhì)量，因此進(jìn)行不同激光入射角度下的焊接試驗(yàn)研究，對(duì)激光焊接在汽車車身上的應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。１．５本文的主要研究?jī)?nèi)容
碩．ｆ：學(xué)位論文
（６０８７０００４）項(xiàng)目資助。本文對(duì)白車身生產(chǎn)線的總體布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)線主要設(shè)備進(jìn)行了選型，并對(duì)關(guān)鍵單元技術(shù)焊裝柔性?shī)A具和激光光束入射角偏轉(zhuǎn)時(shí)鍍鋅板焊接工藝進(jìn)行了重點(diǎn)研究，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
（１）對(duì)白車身切割焊接生產(chǎn)線的主要研究對(duì)象車門進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和工藝分析；基于柔性化和安全性的考慮，對(duì)生產(chǎn)線總體布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)；按照技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、生產(chǎn)上適用的原則，以及可行性、維修性、操作性和能源供應(yīng)等要求，對(duì)該生產(chǎn)線主要設(shè)備進(jìn)行了綜合比較分析和選型。
（２）總結(jié)分析了激光車身焊接夾具的特點(diǎn)，基于激光焊接工藝探討了車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造改型；按照模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想，采用Ｎ一２．１定位原理，設(shè)計(jì)和試制了車身激光焊接柔性?shī)A具。
（３）論述了激光焊接原理和激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用，對(duì)車身常用板材．鍍鋅板的幾種焊接方法進(jìn)行了比較，即激光焊接、弧焊、電阻點(diǎn)焊；分析了鍍鋅板激光焊接的難點(diǎn)主要是焊接過程中產(chǎn)生的鋅蒸氣對(duì)焊接質(zhì)量的不利影響；分析總結(jié)了影響鍍鋅板激光焊接的主要因素和提出了改善焊接質(zhì)量的方法，方法包括工藝措施法、優(yōu)化參數(shù)和焊接過程法、在線檢測(cè)控制法。
（４）針對(duì)激光光束入射角對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響進(jìn)行了深入的研究，通過正交試驗(yàn)及后續(xù)試驗(yàn)選取了在光束垂直入射焊接時(shí)較佳工藝參數(shù)，在該參數(shù)下，改變光束入射角，進(jìn)行不同入射角焊接試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做了大量的焊后檢測(cè)分析，包括焊縫表面形貌、焊縫截面、拉剪試驗(yàn)、硬度、金相等。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，得出了入射角變化對(duì)鍍鋅板焊接質(zhì)量的影響規(guī)律和該實(shí)驗(yàn)條件下的臨界入射角。為激光焊接在車身上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。９
乍身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
第２章車身激光切割焊接柔性生產(chǎn)線和柔性?shī)A具設(shè)計(jì)
本生產(chǎn)線針對(duì)我國(guó)自主品牌新車型開發(fā)和小批量定制需求，包括激光切割、激光焊接兩大單元。白車身零部件由三維五軸激光切割機(jī)床切割成形，然后輸送到焊接單元焊接成白車身分總成。在焊裝線上，焊裝央具作為最主要的組成部分，其柔性很大程度上決定了生產(chǎn)線的柔性。
２．１工件結(jié)構(gòu)和工藝分析
本生產(chǎn)線主要包括激光切割、激光焊接兩大單元，切割單元將沖壓拉伸后的白車身零部件進(jìn)行激光修邊、切孔，激光焊接單元進(jìn)行白車身分總成（如：車門、側(cè)圍、行李箱蓋等）的合件、組件的激光焊接。本生產(chǎn)線加工對(duì)象主要為汽車白車身車門，也可加工白車身側(cè)圍。車門主要由內(nèi)板、門鎖加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板、外裝飾帶加強(qiáng)板、內(nèi)裝飾帶加強(qiáng)板、玻璃導(dǎo)槽、防撞桿和外板組成，車門內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖２．１所示。
圖２．１車門內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)示意圖
２．２生產(chǎn)線總體布局設(shè)計(jì)
隨著汽車制造業(yè)的高速發(fā)展，汽車的更新?lián)Q代周期越來越短，同型產(chǎn)品越來越多。為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的變化，滿足多品種、短周期、小批量的要求，生產(chǎn)模式越來越向柔性化方向發(fā)展。激光切割焊接過程中，激光輻射具有危險(xiǎn)性，出于安全性的考慮，加工要求在一個(gè)封閉空間內(nèi)，因此必須安裝封閉的安全門。如圖２．２，２．３所示為車門激光焊接生產(chǎn)線總體布局和車門激光焊接作業(yè)流程圖，圖２．４所示為側(cè)圍激光焊接生產(chǎn)線總體布局圖。ｌＯ
碩：ｌｊ學(xué)位論文
圖２．２車門生產(chǎn)線總體布局圖
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防撞抒支架
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圖２．３車門激光焊接作業(yè)流程圖
氣柜
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圖２．４側(cè)圍生產(chǎn)線總體布局圖
布局圖中左邊區(qū)域是切割單元，沖壓好的工件通過切割?yuàn)A具快速固定后進(jìn)行三維激光切孔，修邊。右邊區(qū)域是激光焊接單元，包括兩臺(tái)焊接機(jī)器人、四個(gè)工位的焊接夾具、激光器、安全門等配件。通過對(duì)機(jī)器人周邊裝置和控制系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)，最大程度地發(fā)揮機(jī)器人特點(diǎn)，使一套機(jī)器人系統(tǒng)能夠根據(jù)需要焊接多種零件，適應(yīng)產(chǎn)品多樣化和改進(jìn)的要求，從而滿足汽車行業(yè)Ｒ益加劇的多品種、小批量的生產(chǎn)要求¨¨。
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
為了縮短新車型研發(fā)周期，節(jié)約成本，滿足多品種，小批量的生產(chǎn)要求，生產(chǎn)線必須具有一定的柔性。本生產(chǎn)線的柔性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（１）激光切割單元采用三維五軸激光切割設(shè)備，可以滿足汽車白車身零部件的修邊、切孔，切割頭噴嘴的電容傳感器在一定范圍內(nèi)能夠調(diào)整并保持切割頭噴嘴和零件的相對(duì)位置，可以大大提高切割頭的加工范圍。切割不同的零部件只需更換夾具，選擇事先編制的相應(yīng)切割程序即可，切割程序?yàn)殡x線編程，快速、簡(jiǎn)便；激光焊接單元采用高精度焊接機(jī)器人，機(jī)器人本身就是柔性化程度很高的設(shè)備。焊接程序既可采用離線編程，也可采用機(jī)器人示教編程。
（２）激光切割?yuàn)A具和焊接夾具具有一定的柔性。激光切割?yuàn)A具有兩種，對(duì)大批量、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜零件，可采用網(wǎng)格夾具，網(wǎng)格夾具采用離線編程，通過激光切割，經(jīng)過簡(jiǎn)單組裝即可。對(duì)小批量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零件，可采用原子灰快速成型夾具，不同零件切割時(shí)，夾具體完全不用更換，只需通過鎖緊螺母調(diào)整夾具體高度，并根據(jù)車身零部件型面不同涂抹原子灰，原子灰半個(gè)小時(shí)左右即可凝固。焊接夾具為自行設(shè)計(jì)制造的適合于激光焊的柔性焊接夾具，具有互換性、通用性，可適應(yīng)一定范圍內(nèi)的車身零部件的變化，當(dāng)更換同類型零件時(shí)，無需重新設(shè)計(jì)制造夾具，只需進(jìn)行三維調(diào)整，并更換某些型面及相應(yīng)模塊即可。
（３）激光焊接單元具有較高的柔性，本焊接單元主要包括兩臺(tái)機(jī)器人、多工位焊裝央具、激光器等，當(dāng)車身零部件較小時(shí)（如車門、行李箱蓋等），兩臺(tái)機(jī)器人可分別焊接不同工件，如圖２．２所示。車身零部件較大時(shí)（如側(cè)圍），兩臺(tái)機(jī)器人合焊一件工件，如圖２．４所示。
２．３生產(chǎn)線的主要設(shè)備選型和設(shè)計(jì)
設(shè)備選型必須滿足生產(chǎn)工藝要求和市場(chǎng)供應(yīng)情況，以及可行性、維修性、操作性和能源供應(yīng)等要求，按照技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、生產(chǎn)上適用的原則，進(jìn)行綜合調(diào)查和分析比較，選擇最適合的產(chǎn)品。
２．３．１激光切割單元主要設(shè)備選型
２．３．１．１切割用激光器
激光切割光源要有很高的光束質(zhì)量，為了得到高的功率密度和精細(xì)的切口，聚焦光斑直徑要小。為此，激光束的模式要達(dá)到或盡可能接近ＴＥＭ００基模，激光束還應(yīng)具備良好的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性和圓偏振性，以保證不同方向切割時(shí)效果一致。激光器應(yīng)該具備既能輸出連續(xù)激光又能輸出脈沖激光且二者之間能夠快速轉(zhuǎn)換的功能¨糾。Ｃ０２激光器具有高功率、高效率、高光束質(zhì)量和長(zhǎng)波長(zhǎng)的特點(diǎn)，能夠很好地滿足金屬板材的切割要求。
激光器選用Ｒ０６ｎＤＣ０２５擴(kuò)散型ＳｌａｂＣ０２激光器，最大功率２５００Ｗ，光束
碩ｌ：學(xué)位論文
模式為ＴＥＭＯＯ，輸出能量近似高斯分布，其主要技術(shù)參數(shù)如表２．１所示，工作原理圖如圖２．５所示。
表２．１激光器主要技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
光腔結(jié)構(gòu)
波長(zhǎng)
額定輸出功率（連續(xù)）
最大輸出功率ＤＣ０２５特殊合金共振腔１０．６Ｉｌｍ２５００Ｗ２５００Ｗ
＜±２％輸出功率穩(wěn)定性
光束直徑
光束質(zhì)量
發(fā)散角
光束模式
頻寬
頻率
共振腔
控制器
工作氣體
消耗量２０ｍｍ～２５ｍｍ（１０ｍ處）Ｋ＞Ｏ．９，即Ｍ２＜１．１２＜Ｏ．１５ｍｒａｄＴＥＭｏｏＯ～１００％ｄｕｔｙ，２６ｐｓ—ｃｗ００ｒ２～５０００ＨＺ５００ｋｇｆ８００ｋｆ預(yù)混氣體（六合一）每小時(shí)小于Ｏ．３公升
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７，叁臻饒
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曩浚蟹墩搬
圖２．５擴(kuò)散型ＳｌａｂＣ０２激光器
２．３．１．２三維五軸激光切割機(jī)床
目前，行業(yè)中主流的車身覆蓋件切割設(shè)備有兩種：三維激光切割機(jī)床和機(jī)器人三維激光切割，如圖２．６和圖２．７所示。１３
車身激光焊接央具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
圖２．６ＳＥＳＡＭＯ型三維激光切割機(jī)床圖２．７激光切割機(jī)器人
三維激光切割機(jī)床優(yōu)點(diǎn)是剛性好、速度快、加工精度高，但占用場(chǎng)地大、價(jià)格較貴；激光切割機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是靈活性高、占用場(chǎng)地小，但在加工速度和加工精度上還有待進(jìn)一步提高。車身覆蓋件的切割精度影響到后續(xù)加工和裝配，因此汽車行業(yè)大多采用三維激光切割機(jī)床。
反射
Ｘ
圖２．８切割頭六軸運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖圖２．９光路傳輸示意圖
激光切割頭要實(shí)現(xiàn)三維加工，首先必須保證機(jī)床本身互相垂直的ＸＹＺ三軸的直線驅(qū)動(dòng)，同時(shí)切割頭二個(gè)軸能夠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。激光切割是非接觸式加工，激光是通過透鏡聚焦于工件實(shí)現(xiàn)切割，所以為了保證切割的質(zhì)量，要求激光束到達(dá)工件的焦點(diǎn)位置要始終不變，即切割頭噴嘴下表面和工件曲面之間的距離為定值。為了滿足該要求，切割頭設(shè)計(jì)了一個(gè)用于檢測(cè)噴嘴到工件表面距離的電容傳感器，根據(jù)工件材料和板厚不同，噴嘴距離工件表面距離也不同，此距離可通過切割程序設(shè)定，最大距離為６．４ｍｍ。此電容傳感器檢測(cè)裝置實(shí)際上相當(dāng)于機(jī)床的第六軸。圖２．８所示為切割頭六軸運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖，圖２．９為三維激光切割機(jī)床的光路傳輸示意圖。１４
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表２．２龍門式混合光路和飛行光路比較
一般機(jī)床結(jié)構(gòu)形式有龍門式和懸臂式兩種，懸臂式剛性和精度較差，所以三維激光切割機(jī)床采用龍門式設(shè)計(jì)，并配合混合光路或飛行光路。采用龍門式混合光路，龍門架固定不動(dòng)，ｘ方向的運(yùn)動(dòng)由工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，光束在Ｙ和Ｚ方向有變化，由于工作臺(tái)的重量大以及考慮到工件夾緊時(shí)的巨大慣性，加工速度稍慢，影響加工的精度。而對(duì)于飛行光路，則工作臺(tái)固定不動(dòng)，Ｘ方向的運(yùn)動(dòng)由龍門架移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，光束在Ｘ、Ｙ和Ｚ方向都有變化，對(duì)激光光束質(zhì)量影響較大，并造成激光能量損失，進(jìn)而影響加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。由于龍門架相對(duì)工作臺(tái)的重量較小，所以飛行光路慣性力較小，加工速度和精度也較高。表２．２為兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較‘５１。
綜上所述，激光切割單元采用三維激光切割機(jī)床，并配合混合光路，型號(hào)為ＳＥＳＡＭＯ，如圖２．６所示，表２．３為該機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)。
表２．３三維激光切割機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)
２．３．１．３切割?yuàn)A具
車身覆蓋件在進(jìn)行三維激光切割時(shí)，工件快速、準(zhǔn)確定位是非常重要的環(huán)節(jié)。央具的快速制造和精確定位將直接影響工件的切割效率和切割質(zhì)量。因此，夾具的柔性化設(shè)計(jì)和快速化制造將是減少夾具種類和數(shù)量、縮短央具設(shè)計(jì)加工時(shí)間以及減少央具設(shè)計(jì)和制造成本、提高切割質(zhì)量的重要保證。
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
三維激光切割的工藝具有特殊性，其夾具設(shè)計(jì)方法也不同于一般的工裝夾具。由于激光頭和加工工件之間沒有力的接觸作用，故夾具體不需要夾緊裝置，只需完成對(duì)工件的定位，同時(shí)憑借工件本身的重力作用就可以滿足夾緊，這同時(shí)也避免了激光切割頭和夾具的干涉。因此，三維激光切割的夾具只起定位的作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也變得簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮更多的是定位準(zhǔn)確性、重復(fù)定位精度、柔性化和快速制造。
車身覆蓋件大多是具有空間曲面、外型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，定位表面只能選擇型面。常用的切割?yuàn)A具有二種：一是網(wǎng)格央具，二是原子灰快速成型夾具。上述兩種夾具各有優(yōu)缺點(diǎn)，本生產(chǎn)線激光切割單元可根據(jù)工件特點(diǎn)選擇不同夾具。
一、網(wǎng)格夾具
網(wǎng)格夾具由底板和支撐板拼合組裝而成，每一塊支撐板的上表面與覆蓋件的定位型面緊密貼合，即支撐板上表面的形狀和覆蓋件的定位型面的形狀完全一致。因此在進(jìn)行網(wǎng)格夾具設(shè)計(jì)時(shí)，必須依據(jù)待切割工件的ＣＡＤ數(shù)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確地從ＣＡＤ數(shù)模中提取型面的特征信息，然后根據(jù)型面的特征進(jìn)行支撐板的設(shè)計(jì)。網(wǎng)格夾具具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（１）網(wǎng)格夾具的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)捷，適用于大批量和體積小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。（２）網(wǎng)格央具是依據(jù)覆蓋件的ＣＡＤ數(shù)模進(jìn)行設(shè)計(jì)的，支撐板上表面的形狀和覆蓋件定位型面的形狀完全一致，因此具有較高的定位精度。
（３）網(wǎng)格夾具的重復(fù)定位精度高。
（４）此網(wǎng)格夾具可離線編程并由本生產(chǎn)線切割單元激光切割，只需簡(jiǎn)單裝配組裝，簡(jiǎn)單、方便。
網(wǎng)格夾具在制造時(shí)使用了大量的薄鋼板，成本比較高，而且對(duì)于體積較大工件不適合，但是其較高的定位精度和快速的制造方法，可以大大提高車身覆蓋件三維激光切割的質(zhì)量和切割效率。圖２．１０所示為網(wǎng)格夾具ＣＡＤ圖和實(shí)物圖。
圖２．１０網(wǎng)格夾具ＣＡＤ圖和實(shí)物圖１６
二、原子灰快速
對(duì)于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單
速成型夾具由數(shù)個(gè)支
小及復(fù)雜程度，使用
螺釘固定在工作臺(tái)上
撐桿和工件，半小時(shí)
圖２．１ｌ原子灰快速成型夾具ＣＡＤ圖
原子灰快速成型夾具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（１）設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)但、安裝快捷，間接提高了切割的效率。
（２）定位型面是用原子灰涂抹夾具和工件型面完全貼合凝固形成，因此具有很高的定位精度。
（３）簡(jiǎn)易夾具對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較大工件可以進(jìn)行很好的定位，比如側(cè)圍。（４）簡(jiǎn)易夾具成本很低，切割不同工件，需更換的僅僅是原子灰，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
在原子灰固定簡(jiǎn)易夾具和工件位置處，工件夾緊點(diǎn)必須有足夠的空間以保證簡(jiǎn)易夾具能夠進(jìn)入，而且該處型面須是曲面，這樣原子灰才能凝固成一定曲面輪廓，完成對(duì)工件的定位，如圖２．１ｌ所示。
２．３．２激光焊接單元主要設(shè)備選型
２．３．２．１焊接用激光器
目前應(yīng)用在焊接中的激光器類型主要有Ｃ０２激光器、ＹＡＧ激光器、Ｄｉｓｃ激光器及光纖激光器，如表２．４所示為不同種類激光器性能比較。
Ｃ０２激光器是機(jī)械加工領(lǐng)域運(yùn)用最廣的激光器類型，這主要是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換效率高、功率高、光束質(zhì)量高。但由于Ｃ０２激光器輸出波長(zhǎng)為１０．６ｕｍ紅外光，該波長(zhǎng)適合于激光切割，而進(jìn)行焊接時(shí)金屬材料則強(qiáng)烈反射，對(duì)金屬激光焊接不太適合，而且，目前Ｃ０２激光器還只能通過鏡片傳輸，不能利用光纖傳輸，柔性１７
車身激光焊接央具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
不好。
ＹＡＧ激光器輸出的激光波長(zhǎng)為１．０６ｐｍ，恰巧是Ｃ０２激光器波長(zhǎng)的十分之一，波長(zhǎng)較短對(duì)聚焦、光纖傳輸和金屬表面的吸收有利，這是ＹＡＧ激光應(yīng)用與激光加工的一大優(yōu)勢(shì)¨糾。但是目前工業(yè)用ＹＡＧ激光的輸出功率較低，而且功率越大光束質(zhì)量越差。如何提高光束質(zhì)量、輸出功率及轉(zhuǎn)換效率仍是Ｎｄ：ＹＡＧ激光器面臨的主要問題Ｈ引。
表２．４不同種類激光器性能比較
Ｄｉｓｃ激光器具有較高的光束質(zhì)量，與激光晶體棒相比，盤式激光的激光碟片有相當(dāng)大的表面一體積比，因此能更有效地實(shí)現(xiàn)冷卻，Ｄｉｓｃ激光器轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)３０％，但價(jià)格高和泵浦系統(tǒng)是制約其進(jìn)一步發(fā)展的主要因素。
圖２．１２光纖激光器
光纖激光器作為第三代激光器的代表，具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。光纖激光器電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到３０％，綜合光電效率可達(dá)２０％，大幅度節(jié)約運(yùn)行成本，光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。光纖激光器還具有以下優(yōu)點(diǎn)：能勝任惡劣的工作環(huán)境，對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度；不需熱電制冷和水冷，只１８
碩ｌ：學(xué)位論文
需簡(jiǎn)單的風(fēng)冷；激光可由光纖導(dǎo)出傳輸，柔性好。光纖激光器唯一的不足之處是價(jià)格較高，一次性成本投入較大，但考慮到其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及高效率生產(chǎn)、低維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本，相對(duì)其它類型激光器，優(yōu)勢(shì)還是非常突出的。
綜上所述，本生產(chǎn)線激光焊接單元選用了ｌＰＧ公司生產(chǎn)的型號(hào)為ＹＬＲ．ＨＰ一４０００Ｗ的光纖激光器，如圖２．１２所示，最大輸出功率為４０００Ｗ，后續(xù)如有需要可擴(kuò)展功率，只需簡(jiǎn)單增加功率模塊即可。光纖激光器配備了１００ｍ的傳輸光纖，能夠方便的實(shí)現(xiàn)激光傳輸，具有很好的柔性。
２．３．２．２機(jī)器人
機(jī)器人是２０世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，它融現(xiàn)代機(jī)械學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、通訊技術(shù)、仿生技術(shù)、社會(huì)學(xué)等多種學(xué)科和技術(shù)于一體，具有高度的綜合性。目前在汽車及其零部件制造工業(yè)中，以機(jī)器人為中心的柔性加工單元和焊接工作站已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。汽車車身生產(chǎn)采用流水線生產(chǎn)方式，對(duì)零部件制造精度和焊接質(zhì)量要求很高，同時(shí)要滿足多品種批量生產(chǎn)，焊接機(jī)器人最適合多品種高質(zhì)量生產(chǎn)方式，如汽車車門、汽車底盤、座椅骨架、導(dǎo)軌等焊接件均使用了機(jī)器人焊接Ｈ¨。
在車身焊接領(lǐng)域，目前較知名的機(jī)器人生產(chǎn)廠家有ＡＢＢ、ＫＵＫＡ、ＭＯＴＡＭＡＮ等，不同的生產(chǎn)廠家產(chǎn)品具有不同特點(diǎn)。選擇上述公司較適合激光焊接的三款產(chǎn)品進(jìn)行比較，如表２．５所示。從表中可以看出，ＡＢＢ機(jī)器人比較適合該生產(chǎn)線。ＡＢＢ的ＩＲＢ４４００／Ｌ３０機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)如表２．６所示，實(shí)物圖和工作區(qū)域示意圖如圖２．１３和２．１４所示。
表２．５不同機(jī)器人性能比較
圖２．１３ＩＲＢ４４００／Ｌ３０機(jī)器人圖圖２．１４ＩＲＢ４４００／Ｌ３０機(jī)器人工作示意圖１９
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
表２．６ＡＢＢＩＲＢ４４００／Ｌ３０型號(hào)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)
參數(shù)數(shù)值技術(shù)參數(shù)
有效半徑
有效載荷
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焊接頭的選型主要考慮兩方面：一是和夾具的干涉，二是和機(jī)器人以及激光器的連接。對(duì)于第一方面，要求焊接頭具有較小的輪廓，同時(shí)噴嘴離工件表面的距離較長(zhǎng)。從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料得知，鍍鋅板的激光焊接時(shí)焊縫必需要?dú)怏w保護(hù)，氣體保護(hù)分為同軸和側(cè)吹兩種保護(hù)方式，因?yàn)樯a(chǎn)實(shí)踐中側(cè)吹保護(hù)相比同軸保護(hù)更容易使央具干涉，所以選擇有同軸保護(hù)的焊接頭。因?yàn)楹缚p要有氣體保護(hù)，所以遠(yuǎn)程激光焊不適合，而且遠(yuǎn)程激光焊對(duì)光束質(zhì)量要求很高，價(jià)格非常貴。焊接頭和激光器的連接主要考慮的是光纖接口和匹配問題。
激光焊接頭生產(chǎn)廠家主要有德國(guó)Ｐｒｅｃｉｔｅｃ、美國(guó)的Ｌａｓｅｒｍｅｃｈ、意大利Ｆｒｏｎｉｕｓ等，Ｌａｓｅｒｍｅｃｈ和Ｆｒｏｎｉｕｓ主要產(chǎn)品是切割頭和復(fù)合焊接頭，單純激光焊接頭產(chǎn)品上不是很成熟，競(jìng)爭(zhēng)力不如Ｐｒｅｃｉｔｅｃ。
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本生產(chǎn)線選擇了Ｐｒｅｃｉｔｅｃ公司型號(hào)為Ｙｗ５０的激光焊接頭，見圖２．１５。Ｙｗ５０同時(shí)有同軸和旁軸氣體保護(hù)裝置，可通過光纖傳輸激光，光纖接口為瑞典Ｏｐｔｏｓｋａｎｄ公司的ＱＢＨ型光纖標(biāo)準(zhǔn)接口。激光的傳輸過程如下：激光經(jīng)光纖傳輸入焊接頭，經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)將光纖內(nèi)的發(fā)散光轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)直光（平行光），再通過聚焦鏡聚焦，最終聚焦光斑的直徑主要由準(zhǔn)直鏡焦距、聚焦鏡焦距以及光纖直徑?jīng)Q定，光纖由光纖激光器配套提供，芯徑為Ｏ．１５ｍｍ。焊接頭和機(jī)器人的連接采用法蘭連接，焊接頭和機(jī)器人都留有標(biāo)準(zhǔn)連接位置，圖２．１６是單獨(dú)設(shè)計(jì)的連接法蘭。２．４車身激光焊接柔性?shī)A具的設(shè)計(jì)
目前，絕大多數(shù)汽車生產(chǎn)企業(yè)的汽車焊裝夾具仍然是專用夾具，當(dāng)工位發(fā)生較大變化時(shí)就重新設(shè)計(jì)一套新的夾具，這就導(dǎo)致了車身制造成本的上升和效率的下降，同時(shí)延長(zhǎng)了新車型的研發(fā)周期，如圖２．１７所示。汽車的發(fā)展趨勢(shì)是小批量、多品種、個(gè)性化，世界各大汽車公司從樣車到新車投產(chǎn)周期越來越短，焊裝夾具的設(shè)計(jì)制造要求也更高。
圖２．１７傳統(tǒng)車身焊接夾具
２．４．１激光車身焊接夾具特點(diǎn)
目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)汽車焊裝設(shè)備是電阻點(diǎn)焊，只有一汽大眾，上海大眾等少數(shù)廠家采用了激光焊接。兩種焊接方式的不同導(dǎo)致了夾具有所不同，相對(duì)電阻點(diǎn)焊夾具，激光焊接夾具有以下特點(diǎn)：
（１）激光焊接夾具央緊要求更高。激光焊接是非接觸式加工，而電阻點(diǎn)焊是通過電極夾緊通電從而焊接，電極的夾緊力很大，一般有幾百牛，這相當(dāng)于焊接時(shí)候施加了一個(gè)很大的夾緊力，而非接觸式激光焊接頭本身顯然沒有任何夾緊力。同時(shí)由于焊接原理的不同，所適用的焊接材料也不一樣，比如鍍鋅板的焊接，鋅的蒸發(fā)對(duì)電阻點(diǎn)焊基本上沒有影響，但對(duì)激光焊接過程和焊接質(zhì)量卻有嚴(yán)重影響，預(yù)留合適的板間間隙以利于鋅蒸氣的排出是解決鋅蒸氣問題的重要方法之２ｌ
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
一，通過調(diào)整夾具夾緊力可控制板間間隙。這都對(duì)激光焊接夾具夾緊提出了更高的要求。
（２）激光焊接夾具須避免和焊接頭的干涉。激光焊接設(shè)備和電阻點(diǎn)焊設(shè)備外觀形狀不一樣，這必然使得車身夾具結(jié)構(gòu)不一致，甚至車身結(jié)構(gòu)也不一致。電阻點(diǎn)焊焊槍體積細(xì)小，通過兩焊槍對(duì)工件夾緊進(jìn)行焊接，焊接位置只需要預(yù)留很小的空間。而激光焊接頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部安裝有鏡片，傳感器和氣體保護(hù)裝置等元件，體積較大，焊接時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊接頭因?yàn)楦缮娑鵁o法進(jìn)入預(yù)定加工位置。所以，設(shè)計(jì)激光焊接夾具設(shè)計(jì)時(shí)夾頭體積盡量較少，預(yù)留足夠的空間從而避免和焊接頭的干涉。
（３）激光焊接夾具夾頭設(shè)計(jì)具有更大的選擇。電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)是實(shí)心圓圈，雙邊加工。激光焊接是單邊加工，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)，焊縫可以是小短線、半圓線等各種軌跡的曲線。根據(jù)各種焊縫軌跡，激光焊接夾具夾頭設(shè)計(jì)可以選擇更多方式和不同形狀。
２．４．２基于激光焊接工藝的車身設(shè)計(jì)制造改型探討
目前車身結(jié)構(gòu)大部分都是依據(jù)電阻點(diǎn)焊設(shè)計(jì)的，基于不同的焊接工藝，車身結(jié)構(gòu)具有較大的差別，隨著激光焊接在車身制造中的廣泛應(yīng)用，適宜激光焊的車身設(shè)計(jì)制造研究也愈加重要，德國(guó)大眾等汽車公司在這方面研究和應(yīng)用較早。和電阻點(diǎn)焊相比，激光焊接車身設(shè)計(jì)制造主要有以下不同：
（１）待夾緊部位的設(shè)計(jì)盡量采用平面，不采用曲面。由于激光是非接觸無夾緊力加工，設(shè)計(jì)成曲面，為保證良好的貼合，夾具夾頭也必須加工成與之貼合的
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頭無法，工藝零部件數(shù)量越少越好，過多的零件數(shù)量需要夾頭數(shù)量越多，很容易和焊接頭產(chǎn)生干涉。
（３）保證零部件的沖壓精度。零部件過大的變形給夾具的夾緊造成很大的困難，尤其是鍍鋅板的激光焊接的央緊。而且激光焊接屬于精細(xì)加工，零部件的變形使得加工時(shí)實(shí)際聚焦焦點(diǎn)位置發(fā)生變化，而焦點(diǎn)位置對(duì)于焊接質(zhì)量有很大的影響。
圖２．１９激光焊接和電阻點(diǎn)焊凸緣結(jié)構(gòu)圖２．２０激光卷對(duì)接焊與電阻點(diǎn)焊車身結(jié)構(gòu)（４）可以選擇更多的接頭形式。電阻點(diǎn)焊將覆蓋件連接成車身結(jié)構(gòu)，若電極不能伸入車身內(nèi)部，則要求在連接部位留有凸緣，對(duì)凸緣夾持后進(jìn)行焊接。電阻點(diǎn)焊必須依靠焊槍兩電極夾持焊接部位才能完成焊接，因此凸緣是必不可少的，凸緣不僅影響車形美觀，占有多余空間，而且消耗較多材料Ｈ副，如圖２．１９所示，焊接結(jié)構(gòu)ｌ和焊接結(jié)構(gòu)２的焊接，要求凸緣寬度為１６ｍｍ，才能滿足焊槍夾鉗的夾持要求，保證焊接質(zhì)量，激光焊接是單邊非接觸式加工，如果采用激光焊，凸緣寬度只需５ｍｍ。如圖２．２０所示，采用激光卷對(duì)接焊時(shí)，凸緣部位完全可以省去，這也使得車身結(jié)構(gòu)更加緊湊。
２．４．３車身焊裝夾具定位設(shè)計(jì)原理與定位元件設(shè)計(jì)
汽車車身薄板件大多由薄板件構(gòu)成，存在著剛性小、易變形、曲面多等特點(diǎn)，傳統(tǒng)六點(diǎn)定位原理顯然不適合汽車薄板件，車身覆蓋件一般采用Ｎ．２．１定位原理進(jìn)行定位，Ｎ．２．１定位原理認(rèn)為：
（１）第一基準(zhǔn)面上所需定位點(diǎn)數(shù)為Ｎ（Ｎ三３）
車身覆蓋件厚度大多只有０．８～２ｍｍ，加工過程中，其最主要的偏差是工件法線方向的的變形，甚至其自重引起的變形就不可忽視，合理的夾具系統(tǒng)要求在第一基準(zhǔn)面上施加多于三個(gè)定位點(diǎn)去限制這一方向的變形。其中的Ｎ，需要通過有限元分析或者經(jīng)驗(yàn)確定。
（２）第二，第三基準(zhǔn)面上所需的定位點(diǎn)為二個(gè)和一個(gè)在第二、第三基準(zhǔn)面上分別需要二個(gè)和一個(gè)定位點(diǎn)去限制薄板件的剛體運(yùn)
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
動(dòng)。二個(gè)和一個(gè)定位點(diǎn)是完全足夠的，因?yàn)閷?shí)際加工所產(chǎn)生的力通常不會(huì)作用在這兩個(gè)基準(zhǔn)面上，以避免彎曲和翹曲。更進(jìn)一步的分析表明，第二基準(zhǔn)面上的兩個(gè)定位點(diǎn)應(yīng)布置在薄板件較長(zhǎng)的邊上。這是因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)定位點(diǎn)間距盡可能大時(shí)，零件將更穩(wěn)定，同時(shí)還可以更好的彌補(bǔ)零件表面或定位元件的安裝誤差。
（３）禁止在正反兩側(cè)同時(shí)設(shè)置定位點(diǎn)
必須強(qiáng)調(diào)禁止在工件正反兩側(cè)同時(shí)設(shè)置定位點(diǎn)，因?yàn)樯踔翗O小的幾何缺陷都可能導(dǎo)致薄板件相對(duì)巨大的撓度和潛在的不穩(wěn)定或翹曲。
車身焊裝夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之～是設(shè)計(jì)最優(yōu)定位點(diǎn)數(shù)并確定最佳位置，以實(shí)現(xiàn)工件的確定約束定位。如果工件僅靠接觸區(qū)域幾何形狀便可完全約束，稱為“形閉合’’，如果還必須借助摩擦才能完全約束，則稱為“力閉合＂。通�！靶伍]合＂強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)分析，“力閉合＂強(qiáng)調(diào)靜態(tài)穩(wěn)定。車身焊裝夾具是形閉合Ｈ引。
車身焊接夾具定位元件確定了工件在夾具中的位置，焊接夾具設(shè)計(jì)時(shí)最重要的是選擇各工件的定位基準(zhǔn)，定位基準(zhǔn)選擇必須保證定位可靠、保證零件的加工精度要求，方便裝配與操作，以及有利簡(jiǎn)化夾具結(jié)構(gòu)等。根據(jù)基準(zhǔn)重合原理，一般選擇工件上重要的裝配孔、工藝孔和裝配面做定位基準(zhǔn)，同時(shí)根據(jù)定位基準(zhǔn)傳遞一致性，各個(gè)定位基準(zhǔn)盡量保持一致，同時(shí)對(duì)總成尺寸的影響要小¨”。焊裝夾具定位元件的選擇應(yīng)該具有降低殘余應(yīng)力和控制焊接變形的功能，和傳統(tǒng)機(jī)加工夾具不同，車身薄板件焊裝夾具很少采用定心夾緊中的定位元件，一般采用定位銷定位，車身焊接夾具一般采用兩銷或多銷定位，定位銷采用圓柱銷，頂端為圓錐形式，見圖２．２ｌ，定位銷直徑大小略小于工件上的孔徑，其位置精度一般小于０．１ｍｍ，尺寸公差為Ｏ～０．１ｍｍ。如果銷的位置妨礙了工件的裝卸，可以將銷設(shè)計(jì)成移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，移動(dòng)銷結(jié)構(gòu)以氣缸為動(dòng)力源，見圖２．２２。
圖２．２ｌ定位元件圖２．２２移動(dòng)定位元件
２．４．４夾緊元件設(shè)計(jì)
薄板件焊裝夾具的夾緊部分有氣動(dòng)央緊和手動(dòng)夾緊兩種，手動(dòng)夾緊以四連桿２４
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快速央緊器用的最多，其靈活方便，但生產(chǎn)效率低；氣動(dòng)夾緊的效率高，夾緊力較大，但是對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備的要求較多，現(xiàn)代化汽車裝焊生產(chǎn)一般采用氣動(dòng)夾緊。壓緊的順序，一般是重要的零件和主要定位先壓緊，非重要的零件和次要定位后壓緊。在滿足夾緊要求的前提下，要充分考慮機(jī)器人以及焊接頭的工作空間，避免互相干涉，便于工件的裝卸、可檢測(cè)性、便于維修和更換Ｈ７１。
激光焊縫一般為一條短縫，夾具央緊時(shí)必須保證板間間隙基本一致，所以相對(duì)于電阻點(diǎn)焊，激光焊接夾頭面積更大，而且夾頭較多，很多地方都是雙夾頭甚至是三夾頭，見圖２．２３所示。
圖２．２３夾緊元件
２．４．５柔性?shī)A具試制
柔性?shī)A具是指工件的形狀和尺寸有一定變化后，夾具還能適應(yīng)這種變化并繼續(xù)使用的應(yīng)變能力。柔性的關(guān)鍵在于ＸＹＺ三維可調(diào)，采用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化設(shè)計(jì)思想，方便快速更換。我們?cè)O(shè)計(jì)了三種夾具方案并制造出了實(shí)物，通過實(shí)踐分析比較選擇最佳方案。圖２．２４激光柔性焊接夾具方案一
車身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
（１）方案一底板采用Ｔ型槽底板，Ｚ方向依靠支撐板和Ｌ支座的Ｕ型槽調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。ＸＹ方向的調(diào)節(jié)依靠Ｌ支座和Ｔ型槽調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)�？蓳Q型塊側(cè)面固定在支撐板上能夠起到加強(qiáng)固定可換型快的作用。如圖２．２４所示。
（２）方案二底板采用陣列孔底板，Ｚ方向靠支撐板和Ｌ支座間斷調(diào)節(jié)以及可換型塊調(diào)整墊片調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，Ｘ方向依靠Ｌ支座的Ｕ型槽和連接板調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，Ｙ方向由連接板的Ｕ型槽和陣列孔底板來實(shí)現(xiàn)。如圖２．２５所示
圖２．２５激光柔性焊接夾具方案和連接板
（３）方案三采用陣列孔底板，Ｚ方向依靠螺柱和套筒支座之間的螺紋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，并通過壓緊螺母緊固螺桿和套筒，ＸＹ方向由套筒支座的Ｕ型槽和陣列孔底板調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。如圖２．２６所示。
圖２．２６激光柔性焊接夾具方案三和調(diào)節(jié)螺柱圖
通過對(duì)上述三種方案分析比較，方案三調(diào)節(jié)范圍有限，穩(wěn)定性和剛度難以保證，槽式基礎(chǔ)平板加工成本較高，而且精度較難保證，所以選擇陣列孔基礎(chǔ)平板。故傾向于綜合方案一和方案二的一種新方案，如圖２．２７所示：
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９
８
７
６
５
４
３
２１
１．底板２．連接板３．Ｌ支座４．氣缸５．支撐板６．肋向支座７．可換型塊８．連接片９．壓桿
圖２．２７激光柔性?shī)A具方案圖
通過底板與連接板、連接板與Ｌ支座、Ｌ支座與支撐板可以實(shí)現(xiàn)ｘＹｚ三個(gè)方向的調(diào)節(jié)。
ＸＹ方向調(diào)節(jié)：連接板上的腰型槽和底板的螺紋孔實(shí)現(xiàn)Ｘ方向調(diào)節(jié)，Ｌ支座的腰型槽和連接板實(shí)現(xiàn)Ｙ方向調(diào)節(jié)。
Ｚ方向調(diào)節(jié)：Ｚ方向采用Ｌ支座的Ｕ型槽和支撐板調(diào)節(jié)。
基礎(chǔ)平板陣列孔設(shè)計(jì)成直徑①ｌＯ的螺紋孔，孔間距為４０ｍｍ×４０ｍｍ，而該夾具水平方向ＸＹ調(diào)節(jié)范圍分別為４５ｍｍ和４０ｍｍ。垂直方向Ｌ支座的Ｕ型槽調(diào)節(jié)范圍為３０ｍｍ，同時(shí)Ｌ支座和連接板設(shè)計(jì)為不同高度系列，當(dāng)工件尺寸變化較大時(shí)，可方便更換。所以，此柔性?shī)A具可以實(shí)現(xiàn)三維無級(jí)調(diào)節(jié)。定位元件確定了工件在夾具中的位置，車身焊接夾具一般采用兩銷定位，定位銷采用圓柱銷，頂端為圓錐形式。如圖２．２８所示為陣列孔底板圖，如圖２．２９所示為采用上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的車門分總成的柔性焊接夾具。
圖２．２８夾具陣列孔底板
乍身激光焊接夾具設(shè)計(jì)及入射角對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究
圖２．２９車門分總成的柔性焊接夾具圖
２．５本章小結(jié)
本章主要研究了白車身切割焊接生產(chǎn)線和柔性焊接央具。生產(chǎn)線部分首先分析了工件的結(jié)構(gòu)及其加工工藝，其次對(duì)生產(chǎn)線總體布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后通過綜合比較分析，對(duì)該生產(chǎn)線主要設(shè)備進(jìn)行了選型。柔性?shī)A具部分首先分析了激光焊接夾具的特點(diǎn)，其次探討了基于激光焊接工藝的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造改型，然后對(duì)夾具定位元件和夾緊元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后設(shè)計(jì)和試制了激光柔性焊接央具。
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