协助机器人自动化弧焊的车身辅助夹紧方法与流程

本发明涉及辅助焊装技术领域，尤其涉及一种协助机器人自动化弧焊的车身辅助夹紧方法。

背景技术：

在汽车生产制造过程中，焊接作业劳动强度大，工作环境恶劣。若采用人工焊接，焊接质量不能得到有效保证，产出的零件柔性差，不能适应现代汽车生产的需要。对此，相比于传统的人工焊接，应用焊接机器人进行焊接作业可以提高生产效率、优化零件质量、改善劳动条件。一般弧焊机器人在预设定程序控制之下，实现对固定空间位置来料零件间的焊缝进行焊接。

在车身试制阶段，同一批次来料零件在一定的偏差范围内合格，但当进行焊接的来料零件在合格范围内，却相较于标准值存在较大偏差时，来料零件间仍会存在较大离空，从而导致弧焊机器人无法对目标焊缝进行有效焊接，导致零件返工或报废，影响产品质量合格率。

密歇根大学的liu和hu等率先开展了柔性装配偏差分析的研究，将柔性件装配分解成定位、夹紧、焊接及释放回弹四个步骤，在使用有限元分析及统计方法的基础上，提出了影响系数法，通过构建敏感度矩阵建立了输入零件偏差与输出装配体回弹偏差之间的线性关系。中国专利文献cn1644303a公开了一种由机器人施焊的激光焊接汽车车厢后盖的柔性焊接夹具，其优化夹具设计结构，节约场地空间及生产成本，加快了产品的更新速度。中国专利文献cn101249597a公开了一种由伺服控制的柔性定位夹具，其实现多自由度调整，并符合多种相似车型混线生产柔性夹具的特点要求，能根据不同产品定位位置的变化，快速准确自动调整定位销的三维空间位置和姿态，实现不同定位方式的空间定位。中国专利文献cn201214175y公开了一种汽车焊装用的柔性夹具，其采用正方形2×2四元簇孔的柔性平台，且采用不同规格的标准支座来定位高度，夹紧装置采用标准销定位，并预留调整垫片在x、y、z三向上保证调节精度，满足不同车型的试制要求，提高了夹具的重复使用率、加工进度，节约了成本。中国专利文献cn202225122u公开了一种汽车尾灯区域装配偏差分析柔性夹具，对于新车试制过程中的装配偏差分析，可以调节x、y、z方向位移来适应新车结构的变化，从而完成多种新车型的定位和夹紧，利于精确的进行装配尺寸偏差分析。《工具技术》2014年第5期刊登了由叶建友等所著的“用于薄壁件加工的柔性夹具研究现状”,该夹具能真正实现柔性装夹,即一套夹具能装夹一定尺寸范围内任意形状及尺寸的零件,并有效克服薄壁件在加工过程中的装夹变形,从而保证零件的加工质量。《东华大学》2016刊登了由屠攀所著“汽车零件柔性焊接夹具设计与研究”，其以车门焊装为对象，提出了一套柔性焊装夹具开发方法和面向柔性夹具的产品数据管理方法，极大缩短产品研发周期，节约成本。中国专利文献cn105573248a公开一种基于多工位装配夹具补偿的柔性件装配尺寸偏差控制方法基于夹具主动定位补偿的飞机柔性件装配偏差优化算法，通过案例验证夹具法向定位补偿对减小柔性件的装配偏差具有显著效果。

但在车身自动化弧焊阶段，目前没有相应的工装夹具方案解决机器人焊接过程中由于来料零件制造偏差导致的零件间离空问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种协助机器人自动化弧焊的车身辅助夹紧方法，本方法解决机器人自动化弧焊过程中车身来料零件间的离空问题，在焊缝两侧提供夹紧力，以消除来料零件间离空，同时通过来料零件制造偏差、夹具定位误差等偏差源数据，得到最优夹具偏差补偿量，调整焊缝位置，有助于弧焊机器人根据预设程序精准地对目标焊缝进行自动焊接，提高焊接质量和效率，降低制造成本。

为解决上述技术问题，本发明协助机器人自动化弧焊的车身辅助夹紧方法包括如下步骤：

步骤一、通过焊装夹具将车身来料零件进行夹紧，并采集所有来料零件的制造偏差数据；

步骤二、对夹紧于焊装夹具上的来料零件进行离空现象判断，若来料零件间未产生离空，则由弧焊机器人对目标焊缝进行自动焊接，反之表示该来料零件相较于其标准值存在较大偏差，从而导致产生离空；

步骤三、根据采集的来料零件制造偏差数据，通过敏感度矩阵计算得到焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量；

步骤四、若回弹变形量满足设计公差要求，则使用辅助工装夹具对来料零件进行夹紧，并根据来料零件制造偏差数据和辅助工装夹具定位误差对辅助工装夹具的夹头夹紧力和法向位移量进行优化计算，通过调节辅助工装夹具的液压伸缩缸伸缩量控制夹头调整夹具偏差补偿量及焊缝位置，消除来料零件离空，由弧焊机器人对目标焊缝进行自动焊接，否则来料零件返工或报废。

进一步，所述步骤三中，回弹变形量按下式计算得到：

vw＝s×vu(1)

其中，vw为焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量，vu为存在离空的来料零件的制造偏差，s为来料零件制造偏差与焊接后装配体焊缝位置回弹变形量的敏感度矩阵。

进一步，所述回弹变形量按如下方式判断：

设来料零件制造偏差为vu，其刚度矩阵为ku，辅助工装夹具将其进行夹紧，并将焊缝夹头位置处消除离空的夹紧力为fu，由有限元分析可知，三者间存在如下关系：

fu＝ku×vu(2)

假设对焊缝进行焊接后，装配体焊缝位置的回弹变形量为vw，由有限元分析可知，装配体焊接力fw和焊接后装配体的刚度矩阵kw以及焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量vw存在如下关系：

fw＝kw×vw(3)

通过简单力学分析可知，施加在来料零件上的夹紧力与夹具释放后的回弹力是相同的力，即fu＝fw，根据式(2)和式(3)，可得来料零件制造偏差与焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量间的线性关系：

vw＝ku×vu/kw＝s×vu(4)

其中，s为来料零件制造偏差与焊接后装配体焊缝位置回弹变形量的敏感度矩阵。

进一步，所述敏感度矩阵采用影响系数法和有限元分析获得，包括如下步骤：

(1)在来料零件第i个偏差源上施加与其变形方向一致的单位力，根据有限元分析获得来料零件上所有偏差源的变形响应，变形响应的位移偏差用向量{c1i,c2i,...cmi}^t表示,若在第i个偏差源上施加的力为fui时，根据来料零件变形的线弹性假设，对应的装配偏差源上的变形表示为：

设m个偏差源处施加的力向量用{fu1,fu2,...fum}^t表示，则m个偏差源处的偏差变化大小表示为：

其中，[v]表示偏差源上的位移变形向量，c表示影响系数法矩阵；

(2)对式(6)中矩阵[c]求逆，得到来料零件上施加力向量与偏差源节点上位移变形之间的关系：

{fu}＝[c]^-1×[v]＝[k]×[v](7)

其中，[k]表示刚度矩阵，每列的具体数值代表偏差源处产生单位位移时各偏差源上所要施加的力；

(3)根据式(7)获得在第i个偏差源处发生单位位移时所需的力的大小，设辅助工装夹具释放后的回弹力和来料零件在夹具上定位时的夹紧力相等，再次进行装配偏差的有限元分析，获得装配体在各偏差源处单位变形时所有关系测点位置上的位移变化大小，即装配体的回弹变形量；第i个偏差源单位位移时装配体上测点的回弹变形表示为：

其中，n表示装配体上所有测点的数目，而对于偏差源处非单位位移情况，装配偏差和来料零件偏差源之间的线性关系表达为：

其中，[s]为偏差源向量与装配偏差向量之间的敏感度矩阵，该矩阵中sji表示第j个测点偏差对第i个偏差源的敏感度系数；判断焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量{vw}是否满足设计公差要求，满足要求则采用辅助工装夹具夹紧来料零件，由弧焊机器人进行自动焊接。

进一步，所述步骤四中，夹具偏差补偿量在约束条件下，按焊缝各节点位置偏差平方和最小为目标函数进行优化，即满足下式：

其中，i＝1,2,...n为焊缝节点，wi为焊缝节点的位置偏差。

进一步，对所述夹具偏差补偿量进行优化，其包括如下步骤：

(1)、设最优夹具偏差补偿量为ut，该值为辅助工装夹具液压伸缩缸的伸缩量，通过液压伸缩缸伸缩量弥补辅助工装夹具的偏差，调整焊缝位置，确保弧焊机器人成功焊接，最优夹具偏差补偿量ut存在如下关系式：

ut＝u1+u2(11)

其中，u1为夹具定位误差偏差源数据，u2为来料零件偏差补偿量，在约束条件下，焊缝各节点位置偏差平方和最小为目标函数进行优化，得到最优辅助夹头夹紧力f0，约束条件包括辅助夹头夹紧力大小、夹头法向位移量、焊缝各节点位置偏差满足焊接工艺要求；

(2)、根据式(2)，将最优辅助夹头夹紧力f0代入式(2)，求得焊缝夹头位置处零件偏差值v0，即为来料零件偏差补偿量u2，最终得到最优夹具偏差补偿量ut。

进一步，所述辅助工装夹具中液压伸缩缸为执行机构，将液压伸缩缸的伸缩量x等同于辅助夹头的法向位移量，即最优夹具偏差补偿量ut，建立夹紧力与液压伸缩缸伸缩量的定量模型：

fu＝q×x(12)

其中，fu为夹具夹头夹紧力，q为系数，x为液压伸缩缸的伸缩量，即焊缝位置调整通过夹具夹头夹紧力实现。

由于本发明协助机器人自动化弧焊的车身辅助夹紧方法采用了上述技术方案，即本方法针对车身焊接中存在离空的来料零件，先根据其制造偏差计算得到焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量，在该值满足公差设计要求的前提下，应用辅助工装夹具对其进行夹紧；再通过来料零件制造偏差、夹具定位误差等偏差源数据输入，构建焊缝位置调整的优化模型，获得最优夹具偏差补偿量，并通过辅助工装夹具调整焊缝位置，确保弧焊机器人成功焊接。该方法有助于弧焊机器人根据预设程序精准地对目标焊缝进行自动焊接，提高生产效率，降低制造成本，具有优良的工程应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明协助机器人自动化弧焊的车身辅助夹紧方法的流程框图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明协助机器人自动化弧焊的车身辅助夹紧方法包括如下步骤：

步骤一、通过焊装夹具将车身来料零件进行夹紧，并采集所有来料零件的制造偏差数据；

步骤二、对夹紧于焊装夹具上的来料零件进行离空现象判断，若来料零件间未产生离空，则由弧焊机器人对目标焊缝进行自动焊接，反之表示该来料零件相较于其标准值存在较大偏差，从而导致产生离空；

步骤三、根据采集的来料零件制造偏差数据，通过敏感度矩阵计算得到焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量；

步骤四、若回弹变形量满足设计公差要求，则使用辅助工装夹具对来料零件进行夹紧，并根据来料零件制造偏差数据和辅助工装夹具定位误差对辅助工装夹具的夹头夹紧力和法向位移量进行优化计算，通过调节辅助工装夹具的液压伸缩缸伸缩量控制夹头调整夹具偏差补偿量及焊缝位置，消除来料零件离空，由弧焊机器人对目标焊缝进行自动焊接，否则来料零件返工或报废。

优选的，所述步骤三中，回弹变形量按下式计算得到：

vw＝s×vu(1)

其中，vw为焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量，vu为存在离空的来料零件的制造偏差，s为来料零件制造偏差与焊接后装配体焊缝位置回弹变形量的敏感度矩阵。

优选的，所述回弹变形量按如下方式判断：

设来料零件制造偏差为vu，其刚度矩阵为ku，辅助工装夹具将其进行夹紧，并将焊缝夹头位置处消除离空的夹紧力为fu，由有限元分析可知，三者间存在如下关系：

fu＝ku×vu(2)

假设对焊缝进行焊接后，装配体焊缝位置的回弹变形量为vw，由有限元分析可知，装配体焊接力fw和焊接后装配体的刚度矩阵kw以及焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量vw存在如下关系：

fw＝kw×vw(3)

通过简单力学分析可知，施加在来料零件上的夹紧力与夹具释放后的回弹力是相同的力，即fu＝fw，根据式(2)和式(3)，可得来料零件制造偏差与焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量间的线性关系：

vw＝ku×vu/kw＝s×vu(4)

其中，s为来料零件制造偏差与焊接后装配体焊缝位置回弹变形量的敏感度矩阵。

优选的，所述敏感度矩阵采用影响系数法和有限元分析获得，包括如下步骤：

(1)在来料零件第i个偏差源上施加与其变形方向一致的单位力，根据有限元分析获得来料零件上所有偏差源的变形响应，变形响应的位移偏差用向量{c1i,c2i,...cmi}^t表示,若在第i个偏差源上施加的力为fui时，根据来料零件变形的线弹性假设，对应的装配偏差源上的变形表示为：

设m个偏差源处施加的力向量用{fu1,fu2,...fum}^t表示，则m个偏差源处的偏差变化大小表示为：

其中，[v]表示偏差源上的位移变形向量，c表示影响系数法矩阵；

(2)对式(6)中矩阵[c]求逆，得到来料零件上施加力向量与偏差源节点上位移变形之间的关系：

{fu}＝[c]^-1×[v]＝[k]×[v](7)

其中，[k]表示刚度矩阵，每列的具体数值代表偏差源处产生单位位移时各偏差源上所要施加的力；

(3)根据式(7)获得在第i个偏差源处发生单位位移时所需的力的大小，设辅助工装夹具释放后的回弹力和来料零件在夹具上定位时的夹紧力相等，再次进行装配偏差的有限元分析，获得装配体在各偏差源处单位变形时所有关系测点位置上的位移变化大小，即装配体的回弹变形量；第i个偏差源单位位移时装配体上测点的回弹变形表示为：

其中，n表示装配体上所有测点的数目，而对于偏差源处非单位位移情况，装配偏差和来料零件偏差源之间的线性关系表达为：

其中，[s]为偏差源向量与装配偏差向量之间的敏感度矩阵，该矩阵中sji表示第j个测点偏差对第i个偏差源的敏感度系数；判断焊接后装配体焊缝位置的回弹变形量{vw}是否满足设计公差要求，满足要求则采用辅助工装夹具夹紧来料零件，由弧焊机器人进行自动焊接。

优选的，所述步骤四中，夹具偏差补偿量在约束条件下，按焊缝各节点位置偏差平方和最小为目标函数进行优化，即满足下式：

其中，i＝1,2,...n为焊缝节点，wi为焊缝节点的位置偏差。

优选的，对所述夹具偏差补偿量进行优化，其包括如下步骤：

(1)、设最优夹具偏差补偿量为ut，该值为辅助工装夹具液压伸缩缸的伸缩量，通过液压伸缩缸伸缩量弥补辅助工装夹具的偏差，调整焊缝位置，确保弧焊机器人成功焊接，最优夹具偏差补偿量ut存在如下关系式：

ut＝u1+u2(11)

其中，u1为夹具定位误差偏差源数据，u2为来料零件偏差补偿量，在约束条件下，焊缝各节点位置偏差平方和最小为目标函数进行优化，得到最优辅助夹头夹紧力f0，约束条件包括辅助夹头夹紧力大小、夹头法向位移量、焊缝各节点位置偏差满足焊接工艺要求；

(2)、根据式(2)，将最优辅助夹头夹紧力f0代入式(2)，求得焊缝夹头位置处零件偏差值v0，即为来料零件偏差补偿量u2，最终得到最优夹具偏差补偿量ut。

优选的，所述辅助工装夹具中液压伸缩缸为执行机构，将液压伸缩缸的伸缩量x等同于辅助夹头的法向位移量，即最优夹具偏差补偿量ut，建立夹紧力与液压伸缩缸伸缩量的定量模型：

fu＝q×x(12)

其中，fu为夹具夹头夹紧力，q为系数，x为液压伸缩缸的伸缩量，即焊缝位置调整通过夹具夹头夹紧力实现。

本方法根据来料零件等实际偏差状态，实施辅助夹头夹紧，采用影响系数法对来料零件进行检验，对于符合要求的来料零件采用辅助工装夹具消除其离空，优化其焊缝位置，能以自动化的形式实时、准确地实施夹具偏差补偿，实现针对焊接偏差的适应性控制，确保弧焊机器人成功焊接，提高生产效率，降低制造成本。