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附录A 外文译文
力控制的车身固定装置的调整–新方法的验证和性能
卡斯滕·凯勒*，马蒂亚斯·普茨
摘要
高度自动化和复杂的设备会影响现代车身组装的生产技术。但是，在安装车身总成时，总是需要进行调整以应对过程的不稳定性。如今，这些调整是根据经验进行的，并且具有很高的手动操作内容。
在CATS 2014上，展示了一种新方法来分析输入零件的变形能。基于此，推荐了一个数学模型。该模型还能够在不到一秒的时间内计算出不稳定的钣金零件的高等级超定夹具的调整方式。首次展示了车身装配过程中全自动质量过程的基础。2014年的论文从理论上描述了这种方法。本文将讨论该方法的验证和性能。 关键词：力控制车身;夹具灵活;智能加盟系统；垫片夹具
1.问题的定义和动机
1.1起始位置
车身构造是任何汽车制造商的核心竞争力之一。车身传达出可见的外部质量特征（间隙尺寸，表面外观等）。确保车身质量所需的复杂程度很高。
2014年，全球生产了7700万辆汽车，因此车身数量也与之相同。[1]预测表明未来几年的产量将增加。[2.3]为了管理大量生产中的大量生产，车身结构是高度自动化的。
所谓的匀场仍然不是自动化的领域之一。在质量控制的范围内，匀场意味着影响车身组件的质量，从而有针对性地改变固定装置的夹紧点的位置。它用于具有单个夹紧点的夹具中，例如在电阻点焊的情况下是典型的。
这涉及到很小的位置变化，其距离范围从十分之几毫米到几毫米。[4]通过此程序，可以对输入组件的影响做出反应，而且还可以对车身构造过程本身的影响做出反应。车身构造中使用的固定装置具有非常坚固的设计，并且可以在千牛顿标记及其周围的夹持力下工作。结果，组件的部件可以被牢固地保持在固定位置。在这个位置，他们加入了。从此刻起，它们在组件中的确切位置就固定了。目的是一旦打开夹具，连接的组件就会弹回所需的形状。
匀场过程主要由两个元素组成。首先必须确定垫片的措施-必须调整哪个夹持点以适合垫片的尺寸。如今，这是基于对已连接的装配及其与目标几何形状的偏差进行评估的结果。负责任的工厂经理根据他的经验数据做出决定。在这方面没有已知的计算准则。第二个要素是在夹具上实施匀场措施。在常规的车身构造中，这需要使用垫片。为此，要拧松夹具，并按照所需的垫片尺寸卸下或插入垫片。然后将夹子再次拧紧。这样，可以定义并可靠地移动夹紧点。图1显示了具有八个夹紧点和红色垫片的车身构造固定装置。
图一：具有八个车身固定装置夹，细节显示夹带红色垫片的点燃的可能性【5】
1.2匀场自动化过程
打孔的必要性和频率取决于许多因素，例如，要连接的组件的类型，所使用的生产资源以及在这种情况下尤其是固定装置，输入部件的质量，车身制造过程控制以及连接的组件要满足的质量要求。但是，一般而言，可以说，在工厂启动期间，匀场频率比正在进行的过程高得多。
因此，自动执行匀场过程将首先影响工厂的启动。特别地，这将涉及减少时间长度，在该时间长度内可以生产出足够质量的可靠组件，并最终也减少了设备的启动时间。但是，在需要大量填充的装配任务中，在进行批量生产时也有可能节省资源。在这里，匀浆的两部分性质提供了将匀浆的两个要素彼此独立地引入到实际生产过程中的可能性，从而降低了所涉及的风险。
所以，已经存在用于垫片实现的机械化的解决方案，如[5]所示。在此显示了使用执行器将夹紧点移动所需的垫片尺寸的系统。与操作员手动执行的系统相比，此类系统可以更快地调整夹紧点的垫片尺寸。此外，夹具上的所有夹紧点均可同时调节。因此，已经建立了可以在正在进行的生产期间快速实施匀场动作的基础。
对于第二个元件（垫片尺寸的确定）的自动化，在[6]的第五届CIRP CATS中提出了垫片尺寸的计算方法，该方法可在不到一秒钟的时间内计算出所有夹具夹紧点的垫片尺寸。根据组装站输入部件的变形能状态-即使在复杂的，过分确定的夹紧情况下也是如此。此过程称为力控制匀场。该程序的优点包括这样的事实，即在连接之前进行了垫片计算，因此可以立即对与质量相关的不规则行为做出反应。它也消除了主观操作员的影响。该系统的运行独立于操作员的经验。
自动垫片的尺寸确定在[6]中作为理论模型提出。在此期间，用于匀场计算的方程式得到了进一步发展。所做假设的可靠性也在一项研究中得到了验证，并且该方法的有效性得到了证明。该研究将在本文的第3节中进行更详细的描述。关于该主题的其他文章也已经发表。这些将在第2节中介绍。
2. 截至2014年的情况–最新技术
2.1．当前该主题的方法
匀场自动化目前是一个相关主题，这一事实在即将发表的文章中显而易见。在这一点上，特别显示了两个出版物，描述了用于自动填充垫片计算的方法，这些出版物自[6]以来已经发表。
首先是根据[7]的基于元模型的匀场计算。这里介绍的方法使用有限元方法。在此模拟了在连接过程中要在夹具中连接的组件。通过所谓的灵敏度分析，可以将夹具设置为变化的垫片状态来执行这些模拟。这些敏感性分析的结果以元模型的形式记录。然后可以在该过程中非常快速地计算元模型。如果在制造过程中在连接的组件中发生几何偏差，则可以使用元模型确定匀场动作对现有公差情况的影响，并以此方式找到合适的匀场措施。
[8]中显示了此处要提到的第二种方法。它提出了一种定位尺寸计算方法，称为虚拟测量数据分析（VMDA）。它使用计算机辅助公差工具。VDMA还可以处理已加入的装配体的测量数据。在此，对数据进行统计分析。因此，对于VMDA，实际上也研究了各种匀场动作的有效性。此外，这种方法可以自己预测冲压车间中的动作结果或有关装配几何形状的动作。这些功能使该系统特别适合在生产设施调试的早期阶段使用。但是，此方面在此不再赘述。
2.2．关于替代方案的讨论和划界方法
命名的方法和根据[6]的方法都具有计算匀场动作的共同目标，以期在所需的公差范围内生产组件。但是，这三种方法在各自的程序方面都存在很大差异。可以从几个不同的角度对这三种方法进行评估。取决于标准的权重，这三种方法无疑以其自己的方式都是有意义的。应该提到的主要标准是这种系统的成本，在此过程之前和过程中所需的努力以及垫片计算的稳定性和可靠性。由于流程仍在开发中，因此尚不能确定某些标准。
已经确定的根据[7]和[8]的两种方法的一个重要特征是，匀场的动作是基于在接合的组件上产生的几何形状确定的。这对应于今天使用的质量控制循环。这个质量控制循环如图2所示。
图二：两种控制方法中均使用的常规控制回路【7】【8】
从样品加入到匀缝措施的可能必要实施的控制时间可能需要几个小时。由于在此期间继续进行批量生产，因此存在产生废料的风险。所以通常严格限制输入组件的重量，以避免在这些情况下报废。
[6]中的方法在这方面有所不同。在此，以输入分量的变形能状态作为匀场计算的基础。此过程消除了常规的质量控制循环。这样带来的优点是，在连接之前已经确定了垫片的尺寸。通过这种方式，可以立即对输入组件的质量波动做出反应。只要在车身制造过程中有稳定的过程控制，就可以在装配中实现更稳定的质量水平。图3显示了垫片计算在车身构造过程中的位置。
图三：根据六计算得出的垫片
在此阶段已经可以准确估计的另一个相关特征是定位尺寸计算的速度。[8]关于VMDA指出，这大约需要转移1次。这使其成为三个过程中最慢的一个。在根据[7]和[6]的过程中，匀场测量的纯计算要快得多。只要有适当的计算机容量，就可以在几秒钟到几分钟之间的时间内执行基于元模型的填充程序计算。在不到一秒钟的时间内即可计算出受力控制的匀场。对于自动垫片计算和快速垫片执行器的结合使用，作为在周期时间内执行匀场动作的系统，力控匀场是最合适的方法。
3.验证力控制匀场
3.1．案例研究：窗框加固安装
当前广泛使用的车身设计以及车身制造过程中制造商的特定功能，使得无法在车身构造范围内对所有可能的装配情况的方程进行全局验证。因此，将使用选定的车身组件进行研究。为此，选择了具有挑战性的组装任务，以测试计算的有效性。
因此，选择将窗框加强件安装在具有钢结构的紧凑型车身的驾驶员门的内门板中。图4在左侧显示了两个加入伙伴。紧凑型是欧洲重要的汽车类。除此之外，与其他车辆类别相比，紧凑型车辆具有平均尺寸的车身。钢铁是车身制造行业中最重要的材料，其市场份额超过90％[9]。
图四：安装窗口，框架加固（红色）内门板（蓝色）
因此，将窗框加强件安装到内门板中被认为是一项艰巨的任务，因为两个连接伙伴的配对已经需要多轴模板闭合。图4通过在右侧使用符号来描述这一点。因此，各个部分中的几何变化以组件张紧的形式具有直接作用。在此，遵守装配公差对于遵守门间隙尺寸以及门密封件和窗户密封件的功能和不渗透性至关重要。此外，根据[10]的效果分析，窗框加固对于组装质量很重要。
3.2．基于力控制匀场的匀场计算
在本节中，将再次以摘要形式陈述在[6]中推导的方程式。垫片计算的基础是有关未连接组件的刚度的发现和加入的程序集在每个夹紧点。此外，有关相互作用的知识（在各个夹紧点之间，由另一个相应的夹紧点引起的在夹紧点处的作用力）是必需的。在使用系统之前，必须凭经验或数学计算该参数。
在硬件方面，该系统由固定装置组成，与当今使用的夹紧系统相比，该固定装置在每个夹紧点均配有力传感器。文献[11]已经在1997年研发出基于力传感器的车身结构固定装置。如果将几何形状偏离固定位置的零件插入固定装置，由于其刚性，这些零件会产生作用力。一旦夹紧装置被关闭，连接伙伴就被牢固地固定在固定位置上（在夹紧点n处测得的力作用）。力传感器的目的是测量这些力的影响。基于这些力效应的知识以及在力测量过程中的精确夹紧点位置，可以确定仍未连接的组件的变形能状态。
ܨ ή (1)
图5显示了该系统的基本结构。
图五：在每个夹紧点均带有力传感器的夹具和匀场执行器
所示方程的使用要求被夹紧部件具有严格的线性弹性行为。[12,13,14]也将匀场分量的行为定义为线性弹性。这将匀场与拉直区分开。这也意味着在这一点上输入部件的允许变形受到限制。
如果确定了参数并测量了被夹紧的接合配对件的变形能状态，则将这些值分别用于方程式（2）中的每个夹紧点，并且定位尺寸S被确定。因此，针对各个夹紧点计算出。除了在[6]中推导的方程式之外，方程式（2）还补充有校正因子k。这使得定位尺寸具有影响。因此，例如，可以考虑仅在基于力传感器的未连接组件的测量之后出现的效果。在这里,我们主要指的是连接的影响。
(2)
此过程中，力值是根据以下等式（3）计算得出的。
(3)
3.3．程序和实验设置
对于力控制匀场的实验研究，首先需要设置基于力传感器的夹具。对于实验室研究，暂时不需要满足实际车身构造的要求。取而代之的是，力传感器必须尽可能灵敏，以便能够尽可能详细地研究发生的影响。
首先，估计了试验中预期的最大力量。然后可以设计测量元件。目的是创建尽可能柔软的结构，以使力测量尽可能灵敏。这样，一个测量元件由铝制成，如图6所示。测量元件上装有六个应变仪，这些应变仪被连接到惠斯登的电桥上，以作为剪切力补偿的手段。因此，可以在夹紧点处测量在夹紧方向上（即垂直于部件表面）的作用力。在测试中，这产生了0.03N的测量精度。
图六：基于力传感器的测试夹具的测量元件
使用基于力传感器的测试夹具，可通过技术测量确定夹紧点之间的刚度和相互作用。除此之外，还要夹紧待测组件，并在每种情况下逐渐对单个夹具进行匀场填充。这样就记录了每个夹紧点的作用力。
在进行了这些刚度测
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