邱雪松 肖 超 譚候金 侯雨雷 周玉林
燕山大學(xué), 秦皇島,066004
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大型機器人沖壓生產(chǎn)線多軟件聯(lián)合仿真
邱雪松肖超譚候金侯雨雷周玉林
燕山大學(xué), 秦皇島,066004
摘要:為快速設(shè)計研制大型機器人沖壓生產(chǎn)線并滿足運動學(xué)、動力學(xué)、剛度等方面的設(shè)計要求,提出基于接口技術(shù)的多軟件聯(lián)合仿真策略:利用Dynaform軟件模擬板料沖壓成形過程、捕獲動態(tài)負(fù)載曲線,并加載到壓機上用于逼近真實載荷;利用ANSYS軟件對關(guān)鍵部件作柔性化處理并導(dǎo)入ADAMS中替換相應(yīng)的剛體,建立剛?cè)狁詈系臎_壓線虛擬樣機。以加工汽車側(cè)圍板為例,建立沖壓線中主壓機的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)學(xué)模型,提出系統(tǒng)能耗指標(biāo)和安全-效率平衡系數(shù)兩個綜合性能評價指標(biāo)。將剛?cè)狁詈咸摂M樣機的仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果及多剛體虛擬樣機的仿真結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明,剛?cè)狁詈系奶摂M樣機能夠提高仿真精度、更真實地反映加工過程,為沖壓線的整體設(shè)計、關(guān)鍵參數(shù)選擇及現(xiàn)場安裝調(diào)試提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:虛擬沖壓線;多軟件聯(lián)合仿真;動力學(xué)模型;剛?cè)狁詈夏P?/p>
0引言
大型機器人沖壓自動化生產(chǎn)線(簡稱沖壓線)是我國汽車企業(yè)車身沖壓生產(chǎn)線的主要形式。隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,汽車產(chǎn)品的改型周期越來越短,這要求配套的沖壓生產(chǎn)線快速改型。而基于經(jīng)驗公式計算及物理樣機試制的傳統(tǒng)設(shè)計方法已無法滿足企業(yè)需求。利用專業(yè)軟件(CAD/CAE)建立沖壓線虛擬樣機,在虛擬環(huán)境下模擬設(shè)備的安裝調(diào)試、預(yù)演產(chǎn)品加工過程、檢查各裝備的運行干涉情況,在產(chǎn)品設(shè)計制造過程中及時發(fā)現(xiàn)缺陷并提前進行改進,可節(jié)省設(shè)計研制費用、降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險、縮短研制周期,從根本上提高企業(yè)的競爭力[1]。
目前,國內(nèi)對沖壓線虛擬技術(shù)的研究主要集中于運動學(xué)領(lǐng)域及單個設(shè)備的研究。侯雨雷等[2-3]對機器人與壓機動作協(xié)調(diào)的生產(chǎn)節(jié)拍進行了方案設(shè)計并提出利用率和重疊率兩個綜合性能指標(biāo)。林正英等[4-5]提出基于一層裝配關(guān)系和裝配骨架的仿真建模技術(shù),實現(xiàn)了實時交互仿真操作。杜余剛等[6]利用CATIA V5實現(xiàn)了虛擬樣機的參數(shù)化建模。徐正等[7]利用lightning技術(shù)建立的虛擬樣機具有高度的沉浸感、真實性和交互性。苗曉鵬等[8]、方雅等[9]對多剛體虛擬壓機進行了動力學(xué)仿真研究。范彬等[10]利用剛?cè)狁詈系闹匦湾憠禾摂M樣機分析了預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響。分析發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)有的沖壓線虛擬樣機仿真研究中,沖擊載荷常被忽略掉,或者是被簡化為矩形波、脈沖波、正弦波等簡單函數(shù),無法客觀真實地反映沖壓成形過程中各設(shè)備所受的力。特別是將沖壓線簡化為多剛體模型,有時會造成仿真失真,得出與實際情況相反的結(jié)論,而且多剛體模型無法進行剛度、變形、應(yīng)力等問題的分析。
對此,本文提出一種基于接口技術(shù)的多軟件聯(lián)合仿真建模策略。利用Dynaform軟件模擬板料成形過程并將捕獲的動態(tài)負(fù)載(曲線)作為真實載荷加載到虛擬樣機上,該方法可使模型的邊界條件更接近實際情況;利用ANSYS軟件將系統(tǒng)關(guān)鍵部件作柔性化處理并替換ADAMS中相應(yīng)的剛體部件,建立剛?cè)狁詈系奶摂M沖壓線模型。
為驗證仿真模型,建立沖壓線中主伺服壓機的運動學(xué)及動力學(xué)的理論數(shù)學(xué)模型,并提出能耗指標(biāo)與安全-效率平衡系數(shù)兩個綜合性能指標(biāo)。最后,對理論計算結(jié)果、多剛體模型仿真結(jié)果及剛?cè)狁詈夏P头抡娼Y(jié)果進行對比分析。
1多軟件聯(lián)合仿真建模策略
沖壓線工作時,各設(shè)備所承受的動態(tài)載荷復(fù)雜多變,其中關(guān)鍵零部件的柔性變形對系統(tǒng)性能的影響不可忽略。僅靠單領(lǐng)域仿真軟件建立的多剛體虛擬樣機不能同時滿足動力學(xué)、剛度等多方面的設(shè)計要求。因此,筆者提出基于接口技術(shù)的多軟件聯(lián)合仿真建模策略,具體方案如下:
(1)利用Solidworks軟件,建立沖壓線三維模型;
(2)把工件和板料(以汽車側(cè)圍板為例)的三維模型以iges格式導(dǎo)入Dynaform中,在完成板料成形的數(shù)值模擬仿真后,提取動態(tài)負(fù)載曲線以備ADAMS使用;
(3)將沖壓線三維模型以parasolid格式導(dǎo)入ADAMS中,添加材質(zhì)、力、驅(qū)動等約束條件,建立沖壓線多剛體動力學(xué)模型;
(4)將關(guān)鍵零件以parasolid格式導(dǎo)入ANSYS中進行模態(tài)分析,將輸出的模態(tài)中性文件(.mnf)導(dǎo)入ADAMS中替換對應(yīng)的剛體構(gòu)件,建立沖壓線剛?cè)狁詈夏P停?/p>
(5)利用步驟(2)中捕獲的動態(tài)負(fù)載(曲線)模擬沖擊載荷加載到虛擬樣機上,完善邊界條件;
(6)運行沖壓線虛擬樣機;
(7)進入ADAMS后處理器模塊,獲取所需數(shù)據(jù)并進行分析。
2沖壓線理論模型的建立
2.1沖壓線的組成
本文以中國第一重型機械集團公司提供的汽車車身側(cè)圍板(圖1)沖壓線為例,該沖壓線由1臺25 MN閉式四點伺服壓機、3臺10 MN曲柄壓機、5臺ABB IRB 6660機器人(配有柔性Crossbar)以及輔助設(shè)備組成(圖2),生產(chǎn)節(jié)拍為10件/min。
圖1 汽車車身側(cè)圍板模型
圖2 沖壓線系統(tǒng)
2.2運動學(xué)分析
該沖壓線系統(tǒng)中主壓機(閉式四點伺服壓機)由機架、偏心輪、連桿和沖壓滑塊組成。沖壓滑塊通過4條相同的支鏈與機架相連,實現(xiàn)沖壓滑塊的上下移動,如圖3a所示。取其中的一條支鏈進行分析(圖3b),設(shè)各桿桿長為li(i=1,2,…,6);各桿件的質(zhì)心Ci(i=1,2,…,7)位置為(xCi,yCi);相應(yīng)的各桿件質(zhì)量為mi(i=1,2,…,7)。
(a) 三維模型 (b) 機構(gòu)支鏈簡圖圖3 25 MN閉式四點伺服壓機原理圖
由圖3b可知,支鏈中有3個矢量環(huán),即
(1)
向x、y方向投影,得
(2)
由式(2)可求得,θ2=f2(θ1)、θ3=f3(θ1)、θ4=f4(θ1)、θ5=f5(θ1)、yD=fD(θ1)、yE=fE(θ1)、yH=fH(θ1)分別為
yE=yD+l6
yH=yG+l3sinθ3-l5cosθ3
各構(gòu)件的質(zhì)心坐標(biāo)為
(3)
式中,lAC1為點A與連桿質(zhì)心點C1之間的距離;lDC2為點D與連桿質(zhì)心點C2之間的距離;lGC3為點G與連桿質(zhì)心點C3之間的距離;lEC4為點E與連桿質(zhì)心點C4之間的距離;lHC5為點H與連桿質(zhì)心點C5之間的距離;yDC6為點D與連桿質(zhì)心點C6之間的距離在y軸的投影長度;yHC7為點H與連桿質(zhì)心點C7之間的距離在y軸的投影長度。
2.3動力學(xué)分析
選擇輸入角作為廣義坐標(biāo),忽略各運動副質(zhì)量和摩擦力的影響,設(shè)各構(gòu)件的質(zhì)量均勻分布,選擇坐標(biāo)原點作為零勢能點,則機構(gòu)的總動能T和總勢能E分別為
(4)
將式(4)代入拉格朗日函數(shù):
(5)
由式(5)化簡可求得驅(qū)動力為
(6)
2.4綜合性能指標(biāo)
2.4.1板料運輸能耗指標(biāo)
板料在各設(shè)備之間的運輸全部由工業(yè)機器人完成,其運輸耗能是整條生產(chǎn)線耗能的主要組成部分。在其速度單調(diào)變化的任意一段路程中,搬運板料所消耗的能量為
ΔWi=Ei+1-Ei
(7)
式中,ΔWi為板料搬運耗能;Ei+1為板料的末動能;Ei為板料的初動能。
然而,在搬運過程中,板料的速度并不是絕對單調(diào)變化的。因此,必須把搬運路程劃分成n小段,在每一小段路程中,速度都是單調(diào)變化的,則板料搬運能耗可按如下公式計算:
(8)
在規(guī)劃機器人搬運板料的路徑和速度曲線時,在其他條件同等的情況下,生產(chǎn)線能源消耗、產(chǎn)品生產(chǎn)成本隨著板料運輸能耗指標(biāo)值的降低而降低,這對于我國汽車制造業(yè)向高效、節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)方向的轉(zhuǎn)型具有重要意義。
2.4.2安全-效率平衡系數(shù)
隨著控制技術(shù)的進步,生產(chǎn)線的運行節(jié)奏更為緊湊,當(dāng)機械手未完全離開干涉空間時,滑塊就已開始進行沖壓加工,但機械手和滑塊的動作必須協(xié)調(diào)以免發(fā)生碰撞,針對此,定義安全-效率平衡系數(shù)
(9)
式中,Hmin為機器人末端端拾器與上滑塊在沖壓行程中的最小距離;R為壓機每分鐘行程次數(shù)。
在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計及方案評估過程中,在其他條件同等的情況下,Hmin越大,說明端拾器離壓機上滑塊越遠,則設(shè)備之間產(chǎn)生運動干涉的風(fēng)險性越低,設(shè)備運行越安全;R越大則說明生產(chǎn)節(jié)奏越快,生產(chǎn)效率越高;兩者的比值(即安全-效率平衡系數(shù))對于綜合權(quán)衡生產(chǎn)線安全性與效率之間的關(guān)系具有重要的理論指導(dǎo)意義。依據(jù)安全-效率平衡系數(shù)設(shè)計的沖壓行程次數(shù)為13 次/min,在實際加工過程中,沖壓行程次數(shù)可以達到9 次/min且設(shè)備運行良好。
3虛擬樣機的建立
按照第1節(jié)的多軟件聯(lián)合仿真建模策略建立沖壓線剛?cè)狁詈咸摂M樣機時,板料成形的模擬分析及主要部件的柔性化處理是其順利運行的關(guān)鍵步驟。
3.1板料成形的模擬分析
在Solidworks中建立圖1所示的板料模型并以iges格式導(dǎo)入軟件Dynaform中;運用內(nèi)嵌的網(wǎng)格劃分工具進行一定精度的網(wǎng)格劃分并定義零件之間的相對位置及工藝參數(shù);開啟LS-DYNA求解器進行模擬計算;打開后處理器ETA/POST讀取云圖、等值線及動畫等仿真結(jié)果并進行評估;最后將捕獲的動態(tài)載荷進行曲線擬合,如圖4所示。
圖4 擬合的動態(tài)負(fù)載曲線
從圖4中可以看出,在板料沖壓成形過程中,沖壓模具所承受的動態(tài)載荷在短時間內(nèi)(0.07 s)從0增大到80 kN。與簡化為矩形波、脈沖波、正弦波等形式的沖擊載荷相比,該沖擊載荷模型更能客觀真實地反映沖壓成形過程中各設(shè)備所受的力。
3.2剛?cè)狁詈咸摂M樣機的建立
多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論認(rèn)為構(gòu)件受力時不產(chǎn)生變形,該方法雖簡化了算法,但降低了仿真精度,有時候仿真結(jié)果與工程實際結(jié)果相去甚遠。因此,有必要考慮沖壓線中關(guān)鍵零部件的彈性變形對系統(tǒng)性能的影響,其關(guān)鍵部件柔性化處理后的模型如圖5所示(由于生產(chǎn)線模型龐大,故圖中只展示局部)。
圖5 剛?cè)狁詈系奶摂M樣機局部示意圖
4仿真實例分析
設(shè)定坯料尺寸為3110 mm×1560 mm×0.7 mm,材料為非時效性深沖冷軋?zhí)间摫“濉?/p>
圖6所示為虛擬樣機的仿真動畫截圖,在整個運行過程中,各設(shè)備能實現(xiàn)預(yù)期動作且不會發(fā)生干涉。
圖6 沖壓線仿真動畫圖
4.1運動學(xué)分析
圖7為閉式四點伺服壓機的滑塊加速度曲線對比圖。從圖中可以看出,多剛體虛擬樣機的仿真曲線與理論計算曲線基本重合;剛?cè)狁詈咸摂M樣機的仿真曲線與理論計算結(jié)果的運動趨勢大體一致,但在沖壓階段,剛?cè)狁詈夏P椭械那€不斷波動。在實際加工過程中,壓機滑塊也會出現(xiàn)類似的情況,這在一定程度上驗證了剛?cè)狁詈咸摂M樣機比多剛體虛擬樣機更能反映實際加工過程。
圖7 滑塊加速度對比分析圖
4.2動力學(xué)分析
圖8為壓機驅(qū)動力曲線對比圖。由圖可知,剛?cè)狁詈咸摂M樣機的驅(qū)動力仿真曲線與理論計算結(jié)果、多剛體虛擬樣機的仿真結(jié)果基本一致。在實際加工過程的啟動階段,驅(qū)動力必然由零開始變化并產(chǎn)生較大的波動,這在剛?cè)狁詈夏P椭畜w現(xiàn)了出來,由此也顯示了剛?cè)狁詈夏P捅榷鄤傮w模型更貼近實際情況。
4.3應(yīng)力分析
圖9、圖10分別為異型連桿典型節(jié)點的應(yīng)力變化曲線圖及峰值時刻的主應(yīng)力云圖。在0.7 s附近,系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的沖擊,異型連桿所受的最大應(yīng)力為209.05 MPa;之后運動趨于平穩(wěn),異型連桿所受應(yīng)力在70 MPa附近波動。異型連桿(材料ZG45)的屈服極限為310 MPa,其最大主應(yīng)力值遠遠低于ZG45的屈服極限,滿足強度要求。
圖9 異型連桿的應(yīng)力曲線圖
圖10 異型連桿在峰值時刻的主應(yīng)力云圖
4.4綜合性能分析
圖11所示為板料從對中臺搬運到閉式四點伺服壓機的動能-時間曲線圖。將圖中的動能曲線分割成若干小段且在每一小段曲線中,動能都是單調(diào)變化的。將每一小段曲線中的初始動能、末動能代入式(8),計算可得將板料從對中臺搬運到閉式四點伺服壓機所消耗的能量W=1513.7 J。同理,可求得板料在其他設(shè)備之間的運輸能耗,這里不再贅述。
圖11 板料在第一階段的動能曲線圖
沖壓過程中,機器人末端端拾器與上滑塊之間的距離H隨時間的變化關(guān)系如圖12所示,tH為端拾器處于壓機空間內(nèi)的時間,由式(9)可求得安全-效率平衡系數(shù)η=96.5/9=10.72,可以發(fā)現(xiàn),安全-效率平衡系數(shù)是比較高的。
圖12 端拾器與上滑塊的距離曲線圖
由上述沖壓線的綜合性能指標(biāo)分析可知,該生產(chǎn)線充分利用了壓機滑塊在干涉高度之上的運行時間,其生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)能耗低,設(shè)備運行穩(wěn)定、安全性高,為大型機器人沖壓自動化生產(chǎn)線的設(shè)計和規(guī)劃提供了理論參考,對其整線控制具有指導(dǎo)意義。
5結(jié)論
基于多軟件聯(lián)合仿真法建立的剛?cè)狁詈咸摂M樣機,不僅具有各種功能檢測分析手段,如運動干涉碰撞檢測、動態(tài)載荷檢測、動力學(xué)受力分析、關(guān)鍵零部件的剛度檢測、綜合性能分析檢測等,而且其仿真結(jié)果比多剛體模型的仿真結(jié)果精度高,更能反映實際加工過程;將Dynaform模擬生成的動態(tài)負(fù)載曲線加載到壓機上能夠完善模型的邊界條件。該仿真建模技術(shù)已在國內(nèi)某知名汽車公司的沖壓生產(chǎn)線中得到應(yīng)用。結(jié)果表明,該方法能夠避免大量人為的或低級的錯誤,及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題,縮短產(chǎn)品研制周期,提高生產(chǎn)效率。
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(編輯王旻玥)
Multi-software Co-simulation for a Large Robotic Automatic Stamping Production Line
Qiu XuesongXiao ChaoTan HoujinHou YuleiZhou Yulin
Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei,066004
Abstract:For the rapid design of large robotic automatic stamping production line, based on interface technology and multi-software co-simulation, a method was proposed to meet design requirements, such as kinematics, dynamics, stiffness and so on. By Dynaform software, sheet metal forming process was simulated, and dynamic load curve was captured and loaded into virtual prototype to approximate real load. Key components were changed into flexible bodies by ANSYS and were imported into ADAMS to replace corresponding rigid bodies and a rigid-flexible coupling virtual stamping production line was established. Processing vehicle side panels were taken as an example, and the mathematical models of kinematics and dynamics of main press in the stamping production line were established. The energy consumption index and safety- efficiency balance index were proposed to evaluate the comprehensive performance of the system. The rigid-flexible coupling virtual prototype simulation results were compared with theoretical calculations and multi-body virtual prototype simulation results. The analysis results show that rigid-flexible model can improve the simulation accuracy, may be closer to the real process and possess theoretical direction significance for overall design of stamping production line, the key parameter selection, on-site installation and commissioning.
Key words:virtual stamping production line; multi-software co-simulation; dynamics model; rigid- flexible coupling model
作者簡介:邱雪松,女,1973年生。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院副教授。主要研究方向為機器人機構(gòu)學(xué)、月球車可伸展機構(gòu)、重型裝備構(gòu)型理論及機電集成技術(shù)。發(fā)表論文10余篇。肖超,女,1990年生。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。譚候金,男,1988年生。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。侯雨雷,男,1980年生。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院副教授。周玉林(通信作者),男,1961年生。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。
中圖分類號:TP391.9;TG315
DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.012
基金項目:國家科技重大專項資助項目(2010ZX04004-112)
收稿日期:2015-05-18