汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)中快速插槍技術(shù)研究與應(yīng)用*

吳約旺 鄭聯(lián)語(yǔ)

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

焊接是白車身裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在整個(gè)白車身中，焊點(diǎn)的數(shù)量較多，一般達(dá)到4000～5000 個(gè)，而具體到分工位也有上百個(gè)焊點(diǎn)［1］。焊裝夾具設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證焊槍對(duì)焊點(diǎn)的可達(dá)性，夾具往往需要避開(kāi)焊槍進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而在夾具設(shè)計(jì)之初，就需要將焊槍插入到各個(gè)焊點(diǎn)。該過(guò)程重復(fù)且工作量大，常用的計(jì)算機(jī)輔助軟件并沒(méi)有專用的插槍模塊，且操作復(fù)雜，容易發(fā)生錯(cuò)誤，因而實(shí)現(xiàn)正確快速插槍至關(guān)重要。

焊槍插入后的姿態(tài)是焊裝夾具方案布局和焊接模擬仿真的主要依據(jù)［2］。在車身焊裝設(shè)計(jì)中，焊槍位姿表現(xiàn)為其與車身板件的裝配關(guān)系。許多學(xué)者對(duì)元件裝配定位和位姿調(diào)整技術(shù)進(jìn)行了研究。張志賢提出了裝配約束下零部件空間位姿的調(diào)整方法，解決了零部件姿態(tài)調(diào)整問(wèn)題［3］;周律對(duì)焊槍姿態(tài)進(jìn)行研究，給出了焊槍姿態(tài)的描述方法，并由此快速計(jì)算了焊槍的姿態(tài)，提高了機(jī)器人示教的效率［4］。以上研究集中在對(duì)單個(gè)對(duì)象的簡(jiǎn)單處理上，在焊槍批量插入及其姿態(tài)確定上并沒(méi)有給出通用、便捷的方法。本文針對(duì)該問(wèn)題，研究了插槍過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，在CATIA 中開(kāi)發(fā)建立了快速插槍軟件模塊，實(shí)現(xiàn)了插槍的批量處理，提高了企業(yè)的工作效率。

1 焊槍插入關(guān)鍵技術(shù)

在車身焊裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先對(duì)焊點(diǎn)幾何信息進(jìn)行建模并對(duì)焊槍進(jìn)行定義，然后通過(guò)焊槍的尺寸信息對(duì)焊槍進(jìn)行篩選并根據(jù)焊點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)焊槍姿態(tài)的調(diào)整，最后通過(guò)可行性評(píng)價(jià)確保焊槍與車身不發(fā)生干涉。工作流程如圖1 所示。

1.1 焊點(diǎn)信息建模

原始焊點(diǎn)文件主要有2 種表現(xiàn)形式，特點(diǎn)如下:

(1)“點(diǎn)”:CAD 軟件中的Point 特征(如在CATIA表現(xiàn)為GSMPoint)，點(diǎn)的坐標(biāo)系同車身坐標(biāo)系一致，但焊槍的姿態(tài)和焊點(diǎn)的姿態(tài)關(guān)系一一對(duì)應(yīng):焊點(diǎn)中心對(duì)應(yīng)固定焊槍電極末端點(diǎn)，焊點(diǎn)的W方向同焊槍固定電極的方向，焊點(diǎn)的U 指向焊槍的喉深方向。本文中對(duì)焊槍的姿態(tài)采用“一點(diǎn)兩線”來(lái)定義模型，從而可以確定焊槍在其自身坐標(biāo)系下的位姿。焊槍“一點(diǎn)兩線”的定義為:

式中，GunInfo 為焊槍特征信息;GunPoint 為焊槍特征點(diǎn);為指向焊槍喉深線為指向焊槍電極線。

1.3 焊槍姿態(tài)調(diào)整

通過(guò)調(diào)整焊槍局部坐標(biāo)系與車身坐標(biāo)系的位姿關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)焊槍位姿和焊點(diǎn)位姿的一致性［5］。焊槍調(diào)整過(guò)程中，通過(guò)焊槍和焊點(diǎn)的姿態(tài)匹配關(guān)系可以求出焊槍局部坐標(biāo)系參數(shù)，如圖7 所示。

由WSMatrix 構(gòu)建包含焊點(diǎn)位置和姿態(tài)的4 階齊次矩陣［6］:

同樣由“一點(diǎn)兩線”構(gòu)建焊槍姿態(tài)矩陣

式中，GunV=GunW^GunU，

由公式(6)可求出焊槍自身軸系在車身坐標(biāo)系的矩陣Y:

通過(guò)讀取每一個(gè)焊點(diǎn)姿態(tài)，對(duì)焊槍坐標(biāo)系應(yīng)用矩陣Y 后，將實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍的批量插入，達(dá)到快速插槍的目的。

1.4 焊槍替換

焊槍替換的工作是在插槍完成的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，在夾具設(shè)計(jì)或模擬仿真工作過(guò)程中，會(huì)對(duì)焊槍的可行性作出評(píng)價(jià)，若是焊槍無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的要求，此時(shí)則需要對(duì)焊槍進(jìn)行替換。新槍到舊槍的轉(zhuǎn)化矩陣記為T(mén)NewToOld。

而此時(shí)TNewToOld為新槍的局部坐標(biāo)系參數(shù)。通過(guò)替換舊槍并設(shè)置其在車身坐標(biāo)系下的參數(shù)即可保證新舊焊槍姿態(tài)的一致，完成替換工作。

2 應(yīng)用實(shí)例

基于以上研究，借助組件應(yīng)用架構(gòu)(Component Application Architecture，CAA)對(duì)CATIA 相關(guān)模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，完成了快速插槍模塊的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)界面如圖8所示。

表1 焊點(diǎn)信息

本文以某車型中通道工位數(shù)模為例，來(lái)說(shuō)明程序的功能和效果。如圖9 所示，該工位由4 個(gè)板件總成組成，需要焊接31 個(gè)焊點(diǎn)。首先對(duì)焊點(diǎn)信息進(jìn)行建模，將原始焊點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

然后通過(guò)喉深喉寬參數(shù)篩選滿足條件的焊槍，讀取焊槍特征參數(shù)，經(jīng)過(guò)位姿計(jì)算將焊槍正確插入到焊點(diǎn)組各點(diǎn)中，如圖10a 所示。

最后利用CATIA 裝配環(huán)境下“移動(dòng)”工具條快速調(diào)整U 向，如圖9b 所示，經(jīng)過(guò)調(diào)整效果如圖10b 所示，用相同操作將對(duì)應(yīng)焊槍插入到其他的焊點(diǎn)處，調(diào)整到姿態(tài)，完成后如圖10c 所示。經(jīng)過(guò)姿態(tài)調(diào)整，對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)處的焊槍及其軸系姿態(tài)的參數(shù)，如表2 所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所開(kāi)發(fā)的程序?qū)斎雲(yún)?shù)進(jìn)行了批量處理，解決了焊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)工作的問(wèn)題，同時(shí)，對(duì)焊槍資源庫(kù)進(jìn)行了規(guī)則命名和特征信息的定義，利用焊槍篩選縮減了焊槍選擇規(guī)模，為焊槍快速選型提供了便利，“一點(diǎn)兩線”描述了焊槍的姿態(tài)，確定了其在車身坐標(biāo)系的位置和方位，為焊槍快速精確插入提供了基礎(chǔ)。而焊槍替換軟件的開(kāi)發(fā)為快速批量糾正焊槍錯(cuò)誤選型和夾具設(shè)計(jì)與仿真評(píng)價(jià)后反饋的不可行提供了保證。最后，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了插槍的批量性與快速性，同時(shí)由企業(yè)應(yīng)用的反饋，程序顯著提高了工作效率。

［1］劉海江，羅生斌.白車身側(cè)圍工位焊接機(jī)器人路徑優(yōu)化研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2005，07:35 -38.

［2］李坤宏.基于CATIA 的汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)方法應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［3］張志賢，劉檢華，寧汝新.虛擬裝配中的裝配約束實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011(9):1878 -1883，1888.

［4］周律，蔡錦達(dá)，錢煒，等.弧焊機(jī)器人焊槍姿態(tài)的簡(jiǎn)便示教［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010(8):73 -77.

［5］DASSULT SYSTEMS.DELMIA Documentation Version 5 Release 19.

［6］朱傳敏，王寶海.點(diǎn)焊機(jī)器人的位姿計(jì)算及仿真［J］.制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2004(S1):30 -31，59.