基于虛擬裝配的車身零件模具精密制造研究

牛鈺華

（河北省保定技師學(xué)院，河北 保定 071000）

一、引言

車身零件的模具是一種特殊的氣動(dòng)裝置，用于通過沖壓線將零件從一個(gè)沖壓位置提起并運(yùn)送到下一個(gè)位置，這也是來(lái)自模具供應(yīng)商的一些標(biāo)準(zhǔn)零件的精確組裝產(chǎn)品。這要求模具在2000 毫米長(zhǎng)度左右時(shí)，總裝配公差不超過2 毫米的范圍內(nèi)。因此，工具設(shè)計(jì)和精確的制造速度肯定會(huì)影響任何新車上市的時(shí)期。

還可以對(duì)用完的拋棄型硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行少量修改，然后將其重新使用，以在重新使用期間獲得100%的產(chǎn)量，而成本僅為新工具的一小部分。對(duì)各種加工操作進(jìn)行仔細(xì)的分析將有助于在不做任何更改的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)用完的工具的重復(fù)使用，因?yàn)榧庸げ僮髟试S這種重復(fù)使用。對(duì)于在同一工廠但在另一家不同的工廠中進(jìn)行的其他一些類似操作，通常用盡的工具與新工具一樣好。實(shí)施后進(jìn)行溝通/交換思想可以進(jìn)一步減少對(duì)自然資源的需求。

隨著強(qiáng)大的三維CAD 軟件的應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越多地將事實(shí)的模具裝配移植到了虛擬環(huán)境（軟件平臺(tái)）中。由于車身零件表面的復(fù)雜性和標(biāo)準(zhǔn)連桿臂的不連續(xù)長(zhǎng)度，這就導(dǎo)致在三維CAD 軟件平臺(tái)(如CATIA V5R13)上要得到滿意的模具裝配體，需要進(jìn)行大量的調(diào)整工作。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)模具裝配的數(shù)學(xué)性質(zhì)與反運(yùn)動(dòng)學(xué)相同。端部執(zhí)行器的位置已給定，問題是找到使端部執(zhí)行器到達(dá)所需位置所需的關(guān)節(jié)變量，可以有多個(gè)解。因此，本文參考機(jī)器人理論，引入機(jī)器人理論來(lái)解決復(fù)雜的模具裝配問題。

二、工藝裝備組裝時(shí)的問題

典型的汽車車身零件由復(fù)雜且不規(guī)則的3D 面組成。為了節(jié)省組裝測(cè)試的成本，設(shè)備規(guī)劃工程師可以加載標(biāo)準(zhǔn)零件的3D CATIA V5 模型進(jìn)入虛擬CATIA V5 軟件平臺(tái)，然后在虛擬環(huán)境中進(jìn)行組裝工作。在這種虛擬環(huán)境中，盡管沒有在沖壓線上進(jìn)行實(shí)際操作，但這項(xiàng)設(shè)計(jì)工作完全取決于來(lái)自實(shí)際領(lǐng)域的操作經(jīng)驗(yàn)。一般需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整，才能組裝出令人滿意的工具。

如今，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行工具裝配的主要問題如下：

a）復(fù)雜的零件表面由數(shù)百個(gè)子曲面組成，這導(dǎo)致真空墊的位置和分布完全取決于工程師的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)；

b）標(biāo)準(zhǔn)零件的數(shù)量和連接參數(shù)很大，裝配方案不是唯一的；

c）連桿臂的長(zhǎng)度不連續(xù)（例如，間隔為50mm），這會(huì)導(dǎo)致重復(fù)調(diào)整整個(gè)裝配結(jié)構(gòu)，直到連桿臂成為標(biāo)準(zhǔn)，并且真空墊垂直于局部表面為止。

三、虛擬工具裝配空間分析

工具裝配是在給定真空墊在操作零件表面上的位置之后，計(jì)算整個(gè)工具結(jié)構(gòu)中使用的所有標(biāo)準(zhǔn)零件的一組鏈接參數(shù)的過程。機(jī)器人理論給了我們啟發(fā)：給出了末端執(zhí)行器的位置，問題是找到關(guān)節(jié)使末端執(zhí)行器到達(dá)所需位置所需的變量，可以有多種解決方案。

基于Denavit Hartenberg 的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，我們分配正交坐標(biāo)系，從標(biāo)準(zhǔn)零件到鏈接的開放運(yùn)動(dòng)學(xué)鏈中的每個(gè)鏈接一個(gè)。我們使用齊次變換來(lái)描述相對(duì)位置和方向關(guān)系，然后為工裝組件建立整個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。其中我們可以發(fā)現(xiàn)，從點(diǎn)0（主臂與伸出臂的交點(diǎn)）到選定的真空墊點(diǎn)h 的范圍需要用機(jī)器人學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)我們測(cè)量o 點(diǎn)和h 點(diǎn)的3-D 坐標(biāo)時(shí)，使用matlab6.5 工具（使用fsolve 函數(shù)），我們可以計(jì)算參數(shù)x1（length），x3（length），x2 的值（角度），x4（角度），x5（角度），并將這些值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)零件的世界坐標(biāo)。然后，在CATIA V5 軟件平臺(tái)中，我們更新每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)零件的位置信息，并使用我們的二次開發(fā)軟件將它們組裝成一個(gè)令人滿意的墊組件。到目前為止，我們已經(jīng)完成了從h 點(diǎn)到o 點(diǎn)的真空墊組件的組裝工作。

四、真空墊組件的自動(dòng)調(diào)整

從理論上講，計(jì)算結(jié)果表明，所有標(biāo)準(zhǔn)件只能成功組裝一次。由于關(guān)節(jié)x3 是特殊的標(biāo)準(zhǔn)零件連桿臂，長(zhǎng)度不連續(xù)，例如50mm，75mm，100mm，125mm，…，450mm，因此，我們計(jì)算出的x3 值不正確地等于標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度。因此，為了成功組裝，我們需要沿x 方向前后調(diào)整真空吸盤點(diǎn)一次或一次，然后再次計(jì)算所有參數(shù)，直到x3 與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度之間的差達(dá)到滿意值為止（在此應(yīng)用中，我們將裝配公差的值設(shè)置為2mm）。

通過這種方法，可以在5 分鐘內(nèi)用4 個(gè)真空墊組件進(jìn)行工具組裝，與以前相比（傳統(tǒng)方法大約30 到40 分鐘）減少了6 倍的工具設(shè)計(jì)時(shí)間，并證明了該新方法的高性能?，F(xiàn)在，這種方法和為虛擬工具裝配而二次開發(fā)的相應(yīng)軟件對(duì)工具設(shè)計(jì)工程師來(lái)說非常有幫助。典型示例之一如圖1 所示，其中，右側(cè)部分是我們開發(fā)的應(yīng)用程序形式，左側(cè)和較大的形式是原始的CATIA V5 生產(chǎn)模塊框架，汽車部件與所示的相同。按照上面研究的方法組裝了帶有5 個(gè)焊盤組件的工藝，并在軟件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

五、總結(jié)

在汽車制造業(yè)中，模具設(shè)計(jì)時(shí)期會(huì)直接影響任何新車上市的時(shí)期。由于車身零件的復(fù)雜表面以及標(biāo)準(zhǔn)零件（尤其是連桿臂）長(zhǎng)度并不連續(xù)，實(shí)際的操作流程并未得到簡(jiǎn)化，從而導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)完全取決于操作經(jīng)驗(yàn)，并且裝配調(diào)整工作完全取決于3-D CAD軟件平臺(tái)上的手動(dòng)操作。本文基于機(jī)器人理論的啟發(fā)，首先將Denavit-Hartenberg 的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)引入到工具裝配中，并對(duì)工具裝配過程進(jìn)行建模。整個(gè)計(jì)算過程得到了清晰的證明，尤其是新裝配方法的應(yīng)用效果被證明是準(zhǔn)確，高效的；因此明顯改善了工裝設(shè)計(jì)工作。