基于Tecnomatix的氣動焊槍運動學(xué)建立

王玲，黃京，2

(1.上海通用汽車有限公司整車制造工程部，上海201201;2.上海交通大學(xué)機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240)

汽車行業(yè)日益激烈的競爭環(huán)境，對車輛的設(shè)計開發(fā)、制造技術(shù)等提出了更高的要求。不同部件的焊接技術(shù)作為車輛制造過程中的關(guān)鍵點，始終受到人們的高度關(guān)注［1］。點焊工藝因焊接面積小，外形美觀，且無附加焊材等優(yōu)勢而成為各大汽車制造廠所采用的主要焊接方式［2－4］。

車身底板、四門、兩蓋、側(cè)圍等不同部位的焊接情況不同，對焊槍位置、焊槍氣缸行程等的要求也千差萬別［5］，僅僅通過試驗手段在現(xiàn)場進行調(diào)整工作量大，不利于保證整車質(zhì)量并快速響應(yīng)客戶需求，縮短新車型上市時間。因此制造工程師需要利用三維數(shù)字化資源進行大量仿真，以便在產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)問題，及時整改，減少項目風(fēng)險和費用。

作為當(dāng)前汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的制造信息化系統(tǒng)之一，Tecnomatix無論在規(guī)劃工作還是在仿真工作方面都有很好的表現(xiàn)［6－9］。文中通過對焊槍運動學(xué)原理進行分析，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的氣動焊槍運動學(xué)模型并開發(fā)實用的函數(shù)輔助程序，為今后的焊槍可達性干涉檢查、焊槍型號選擇等工作奠定基礎(chǔ)。

1 氣動焊槍模型建立

氣動焊槍的三維數(shù)字模型通過*.jt文件格式導(dǎo)入Tecnomatix中的Process Simulate仿真軟件中，放置到焊槍資源數(shù)據(jù)庫中。

1.1 運動桿件建立

Tecnomatix(Process Simulation)中共同運動的部件集合稱為桿件，給焊槍添加運動學(xué)的時候首先將不同部件及其附加結(jié)構(gòu)分割成相應(yīng)桿件［10］。如圖1，氣動焊槍的工作原理為:氣缸帶動活塞桿運動，活塞桿拖動連桿，連桿帶動靜臂繞主軸轉(zhuǎn)動。由于氣動的驅(qū)動方式產(chǎn)生比較大的振動沖擊，一般靜臂不直接與基座相連，靜臂和基座之間往往是通過緩沖彈簧或平衡氣缸連接。

圖1 氣動焊槍的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析，在Tecnomatix(Process Simulate)中建立6個桿件，如表1所示。其中，tip_opening是為建立獨立運動副而設(shè)置的空桿件。

表1 氣動焊槍的桿件

1.2 運動副建立

在Tecnomatix(Process Simulation)軟件中為建立的桿件添加運動副和運動學(xué) (見圖2)，桿件設(shè)置成功后將被標(biāo)示以不同的顏色，空桿件為灰色。Tecnomatix(Process Simulation)中的運動副表達的是桿件間的相對運動，箭頭由參照桿件指向運動桿件，運動桿件的 (轉(zhuǎn)動或平動)軸線始終與參照桿件的運動狀態(tài)相同。氣動焊槍共需要建立5個運動副，其中，j1指的是焊槍動臂電極帽與靜臂電極帽之間的距離，j5為由于氣動沖擊造成的靜臂繞基座的擺動，j2、j3和j4均為非獨立運動副，需要通過運動學(xué)分析定義運動函數(shù)，運動函數(shù)的大小為相對運動中平動距離或擺動角度相對于初始位置的變化量。

圖2 氣動焊槍的桿件及運動副

2 氣動焊槍的運動學(xué)分析

2.1 氣動焊槍的機構(gòu)類型

X型氣動焊槍的機構(gòu)類型為平面滑桿擺桿機構(gòu)(見圖3)，并且在初始位置時活塞桿和連桿位置共線。

圖3 氣動焊槍的機構(gòu)初始位置示意圖

2.2 氣動焊槍運動學(xué)分析

以電極帽尖端為原點 (見圖3)、垂直原理焊槍開口方向為x軸、焊槍開口最大方向為z軸建立坐標(biāo)系，3個鉸鏈點的初始位置坐標(biāo)分別為 P1(x1，z1)、P2(x2，z2)、P3(x3，z3)，需要求出的運動副函數(shù)表達式分別為靜臂擺動角度α、活塞桿平動位移l3和連桿相對于活塞桿的擺動角度θ。

l0、l1、l2分別為圖示桿件的長度:

α0為桿件l1與x軸夾角的初始值，β是桿件l3與x軸的夾角:

如圖4，w為焊槍開口大小，靜臂擺動的角度為:

圖4 氣動焊槍開口和靜臂擺動角度的關(guān)系

如圖5，P2運動至新位置后的坐標(biāo)為:

圖5 焊槍開口大小為w時的機構(gòu)位置

如圖6，桿件l3運動至新位置后的坐標(biāo)為:

圖6 桿件l3移動至新位置

由P3坐標(biāo)計算獲得P2的新位置坐標(biāo)為:

聯(lián)立式 (9)與式 (11)，獲得二元方程組:

該方程組的解為:

3 運動函數(shù)程序開發(fā)

3.1 自定義運動副函數(shù)

Tecnomatix(Process Simulation)仿真軟件對運動函數(shù)格式有嚴(yán)格要求，D表示滑動副大小，T表示轉(zhuǎn)動副大小。由式 (7)得到j(luò)2的函數(shù):

由式 (13)得運動副j4的函數(shù)為:

式 (15)是運動副j3移動的距離，當(dāng)D(j1)＞0時，D(j3)=Δl3;當(dāng)D(j1)＜0時，D(j3)=－Δl3。在Tecnomatix(Process Simulation)中規(guī)定了邏輯式的值:

將上述邏輯式經(jīng)過適當(dāng)改造，得D(j3)的函數(shù)為:

3.2 基于VBA的仿真函數(shù)生成程序

由于建立3D焊槍數(shù)據(jù)的過程中對于氣動焊槍運動學(xué)仿真的需求十分龐大，手動書寫公式效率低且易出錯，基于VBA開發(fā)了仿真函數(shù)生成程序［11］。部分截面如圖7所示。

圖7 基于VBA的仿真函數(shù)生成程序

程序獲取用戶輸入的機構(gòu)初始位置相關(guān)坐標(biāo)后，將數(shù)值代入函數(shù)原型，以字符串格式輸出至文本框，以j3的運動學(xué)函數(shù)為例，其函數(shù)原型為式 (18)，j3文本框的相應(yīng)代碼如下:

其中黑正體為后臺計算的數(shù)值量，其他均為字符串格式，使用運算符＆強制疊加后輸出至界面，用戶拷貝后至相應(yīng)的函數(shù)定義窗口。

4 結(jié)束語

基于Tecnomatix(Process Simulation)建立了氣動焊槍的運動學(xué)仿真，基本表達了氣動焊槍的真實運動，基于VBA開發(fā)的仿真函數(shù)生成程序界面簡潔，運行穩(wěn)健可靠，節(jié)約了仿真工作時間，保證了正確率。文中研究亦可作為基于Tecnomatix(Process Simulation)的其他各類設(shè)備的運動學(xué)仿真的參考。

［1］李仕慧，王英杰.汽車用鎂合金焊接的研究進展［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2010，39:190 －194.

［2］顧春影，陳根余，梅麗芳，等.車身零部件的激光搭接焊與電阻點焊對比分析［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011，40:136－139.

［3］武守輝，陳思杰，牛濟泰，等.汽車制造中鋁和鋼異種金屬間的點焊研究［J］.熱加工工藝，2013，42(11):17－20.

［4］戴勁.氣動伺服點焊焊槍控制技術(shù)研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2014.

［5］馮曉天，陳云.基于氣伺服焊槍的點焊質(zhì)量控制［J］.熱加工工藝，2013，42(5):197 －199.

［6］王朋.基于Tecnomatix的數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃及后處理［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［7］朱杰.Tecnomatix在汽車焊裝領(lǐng)域的應(yīng)用及思考［J］.電焊機，2013，43:16 －19.

［8］田富君，張紅旗，陳帝江，等.基于Tecnomatix 的三維裝配工藝設(shè)計與仿真技術(shù)研究［J］.制造業(yè)自動化，2013，35(8):11－13.

［9］HAO L，WU B.Research on Virtual Assembly of CRH on the Basis of Tecnomatix Platform［J］.Machinery ＆ Electronics，2011(2):9.

［10］BOROJEVIC S，JOVISEVIC V，JOKANOVICS.Modeling，Simulation and Optimization of Process Planning［J］.Novi Sad，2009，12(1):87.

［11］ ALBRIGHTS.VBA for Modelers:Developing Decision Support Systems with Microsoft Office Excel［M］.Cengage Learning，2009.