沖壓線裝配仿真中虛擬技術(shù)的研究

 應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)建立汽車車身沖壓線三維模型，并通過(guò)在虛擬裝配環(huán)境下進(jìn)行仿真的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)沖壓線裝配路線的合理規(guī)劃，可有效改善沖壓線的裝配工藝，同時(shí)可縮短沖壓線組裝周期，提高沖壓線組裝質(zhì)量，降低沖壓線組裝成本。

虛擬裝配是基于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行模擬裝配的過(guò)程，并對(duì)裝配過(guò)程和裝配結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。由于汽車車身沖壓線組成部件不僅體積龐大、數(shù)目繁多，并且相互之間的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系也非常復(fù)雜，導(dǎo)致各沖壓設(shè)備的裝配序列和彼此之間的裝配尺寸難以確定。如果按照傳統(tǒng)的人工試湊裝配方法，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，延長(zhǎng)沖壓線的組裝周期，直接影響到?jīng)_壓生產(chǎn)線按期投入生產(chǎn)，有時(shí)甚至由于部件相互之間存在干涉導(dǎo)致無(wú)法完成組裝成功。

針對(duì)上述問(wèn)題，考慮企業(yè)的實(shí)際情況，本文應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)來(lái)解決車身沖壓線組裝的難題。在建立汽車車身沖壓線三維模型類庫(kù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建虛擬環(huán)境以完成沖壓線各零部件的裝配過(guò)程，并運(yùn)用仿真手段對(duì)裝配結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。因此，操作人員通過(guò)與裝配過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋和交互，可以直觀地看到自己的組裝結(jié)果，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各部件間的干涉檢驗(yàn)及布局調(diào)整，從而真正利用虛擬現(xiàn)實(shí)的手段實(shí)現(xiàn)沖壓線裝配路線的合理規(guī)劃。

沖壓線實(shí)體建模

沖壓線實(shí)體建模的核心問(wèn)題是解決如何在虛擬環(huán)境中表達(dá)和存儲(chǔ)沖壓線各零部件的數(shù)據(jù)信息，使之能夠全面支持裝配工藝規(guī)劃、裝配分析與評(píng)價(jià)以及為裝配仿真提供所需的信息數(shù)據(jù)。因此，裝配模型是進(jìn)行虛擬裝配的信息基礎(chǔ)和前提條件。

1、沖壓線基本建模工作

建模工作產(chǎn)生的所有的計(jì)算機(jī)模型格式主要采用CATIA V5文件，也可利用其他CAD系統(tǒng)(如Pro/E、AutoCAD、UG)等來(lái)建立，利用中性文件格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。虛擬沖壓線基本建模工作見(jiàn)表1。

2、建立虛擬沖壓線模型類庫(kù)

基于表1的沖壓線基本工作，建立壓機(jī)線組件庫(kù)、沖壓件庫(kù)、模具庫(kù)、端拾器零件庫(kù)等模型類庫(kù)，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。每一模型類庫(kù)對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)一文件夾下存儲(chǔ)的物理地址。

（1）壓機(jī)線組件庫(kù)

壓機(jī)線組件庫(kù)是整個(gè)虛擬沖壓線的主體，包括壓機(jī)、拆垛機(jī)、清洗機(jī)、對(duì)中臺(tái)、旋轉(zhuǎn)單元、上下料機(jī)械手、中間小車等。由于壓機(jī)結(jié)構(gòu)與空間布局相對(duì)固定，尺寸、外形、相對(duì)位置由壓機(jī)廠商提供，因此在后續(xù)的裝配過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定。

（2）沖壓件庫(kù)

沖壓件是壓機(jī)的工作對(duì)象，從車身設(shè)計(jì)部門(mén)提供CAD圖紙，一般沖壓件包括車身外覆蓋件和大型內(nèi)襯件。

（3）模具庫(kù)

模具由沖壓件零件決定，模具CAD圖由模具設(shè)計(jì)部門(mén)提供，根據(jù)沖壓件的不同選擇相應(yīng)的模具數(shù)據(jù)文件。

（4）端拾器零件庫(kù)
吸盤(pán)及結(jié)構(gòu)件等構(gòu)成真空吸盤(pán)式端拾器部件。沖壓生產(chǎn)線其相鄰兩個(gè)壓力機(jī)的輸送單元主要有以下機(jī)構(gòu)組成：

□ 一個(gè)取料機(jī)械手，帶有中置并按工件形狀排部的真空吸盤(pán)式端拾器，負(fù)責(zé)將工件從上一臺(tái)壓力機(jī)取出放置在穿梭小車上。

□ 一個(gè)在壓力機(jī)之間固定軌道上移動(dòng)的穿梭小車，負(fù)責(zé)將工件由取料機(jī)械手的放料位置移送到上料機(jī)械手的取料位置。

□ 一個(gè)上料機(jī)械手，帶有和取料機(jī)械手相同的端拾器，負(fù)責(zé)將工件由穿梭小車拾起并送入下一臺(tái)壓力機(jī)工位。

由此可見(jiàn)，端拾器是沖壓線拾取和放置沖壓件的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

沖壓線的虛擬裝配

在建立沖壓線各模型類庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)用各參數(shù)文件并進(jìn)行虛擬裝配，調(diào)整每個(gè)零部件模型的三維空間坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)布局，并經(jīng)布爾計(jì)算確定各零件模型設(shè)計(jì)是否有缺陷（是否存在空間干涉或者間隙）。

壓機(jī)結(jié)構(gòu)以及壓機(jī)線的空間布局相對(duì)固定，模具是嵌入在壓機(jī)之上，沖壓件是直接從沖壓件庫(kù)中調(diào)用，按照CATIA提供的點(diǎn)線約束、點(diǎn)面約束、面面約束以及同軸約束等條件一一進(jìn)行，直到裝配完成。因此，這部分的裝配工作簡(jiǎn)單，并利用CATIA的宏（macro）命令將裝配過(guò)程錄制下來(lái)，實(shí)現(xiàn)一次裝配重復(fù)利用，即開(kāi)始新的裝配任務(wù)時(shí)，通過(guò)宏命令回放直接完成該部分的裝配，必要時(shí)適當(dāng)修改回放過(guò)程中的某些裝配細(xì)節(jié)。

端拾器的裝配工作則非常復(fù)雜，由于沖壓件根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃的要求而經(jīng)常變更，不同的沖壓件需要對(duì)應(yīng)不同的端拾器抓取，因此，需要對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而智能地輔助生產(chǎn)一線的技術(shù)人員針對(duì)不同沖壓件，快速地完成其相對(duì)應(yīng)的端拾器部件的裝配。

本文采用CATIA的VBA二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)端拾器的自動(dòng)裝配，其流程圖如圖2所示。

1、操作人員從沖壓件庫(kù)里調(diào)出沖壓件數(shù)據(jù)文件，并設(shè)定吸盤(pán)類型與型號(hào)。

2、軟件根據(jù)沖壓件幾何尺寸，給出吸盤(pán)數(shù)量、參考尺寸以及吸盤(pán)在工件的布置點(diǎn)位置。操作人員基于軟件給出的吸盤(pán)的參考尺寸與布置點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

3、軟件生成端拾器的其他結(jié)構(gòu)件，自動(dòng)裝配成端拾器部件，并計(jì)算吸盤(pán)受力情況。吸盤(pán)受力分析不通過(guò)，重復(fù)上述步驟，人工調(diào)整吸盤(pán)的參考尺寸與布置點(diǎn)情況。

4、上/下料機(jī)械手是連接端拾器和壓機(jī)的機(jī)構(gòu)。生成的端拾器與上/下料機(jī)械手、壓機(jī)組合裝配，并進(jìn)行布爾計(jì)算檢查端拾器是否與沖壓線其他零部件存在空間干涉/間隙的情況，從而進(jìn)一步調(diào)整端拾器結(jié)構(gòu)件的尺寸及空間布局。

5、操作人員保存軟件給出的、并經(jīng)過(guò)調(diào)整的端拾器裝配方案，為進(jìn)一步的沖壓線仿真做準(zhǔn)備。

端拾器裝配方案還需要經(jīng)過(guò)后續(xù)的沖壓線整體仿真驗(yàn)證，即端拾器在工作當(dāng)中是否會(huì)與沖壓線其他零部件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。如果后續(xù)的沖壓線仿真運(yùn)行過(guò)程中、端拾器工作中沒(méi)有發(fā)生干涉，則端拾器裝配方案最終得到確定。

端拾器自動(dòng)裝配過(guò)程效果圖如圖3所示。圖中的對(duì)話框?yàn)椴僮魅藛T輸入和調(diào)整端拾器吸盤(pán)型號(hào)、結(jié)構(gòu)件尺寸參數(shù)的控件。

虛擬沖壓線的仿真運(yùn)行

1、沖壓線虛擬裝配環(huán)境構(gòu)建

虛擬環(huán)境是在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建的模擬三維空間，它是整個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。文中的虛擬裝配環(huán)境采用CATIA的Real Time Rendering（實(shí)時(shí)建模）環(huán)境模塊，其內(nèi)容如圖4所示。

沖壓線模型類庫(kù)是構(gòu)成虛擬環(huán)境的主要內(nèi)容，是沖壓線實(shí)物數(shù)字化的過(guò)程。為了讓虛擬環(huán)境系統(tǒng)更貼近真實(shí)，必須對(duì)數(shù)字模型作光線、色彩、紋理聲音等方面的處理，使得虛擬裝配仿真達(dá)到視覺(jué)上的逼真。

對(duì)汽車車身沖壓線這類復(fù)雜多造型實(shí)體的渲染過(guò)程，可以通過(guò)為造型構(gòu)造LOD的方法來(lái)減少實(shí)時(shí)繪制的開(kāi)銷，從而加快瀏覽速度。LOD是細(xì)節(jié)層次模型（Level of Detail）的英文簡(jiǎn)稱，其主要思想是對(duì)于同一實(shí)體，根據(jù)其在虛擬場(chǎng)景的距離、視覺(jué)特性等規(guī)則，構(gòu)造一組可顯示不同多面體數(shù)量的三維模型。在模型驅(qū)動(dòng)時(shí)根據(jù)所制定的規(guī)則，選擇相應(yīng)的顯示層次，從而達(dá)到實(shí)時(shí)簡(jiǎn)化模型，而又不影響視覺(jué)效果的目的。

2、裝配仿真的驅(qū)動(dòng)

沖壓線運(yùn)動(dòng)要素主要包括壓機(jī)內(nèi)/外滑塊的運(yùn)動(dòng)；上/下氣墊的運(yùn)動(dòng)；模具夾緊器的運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；拆垛機(jī)、清洗機(jī)、對(duì)中臺(tái)的運(yùn)動(dòng)等。采用CATIA的 Digital Mockup（數(shù)字化模型）功能中的Kinematics Simulator（運(yùn)動(dòng)仿真）模塊，對(duì)沖壓線各運(yùn)動(dòng)要素進(jìn)行運(yùn)動(dòng)約束處理，包括添加球面高副、柱面高副、球面低副、球銷副、圓柱套筒副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副等運(yùn)動(dòng)約束。

需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，由于整條沖壓線上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)繁多，必須將整條沖壓線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分解成許多子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都必須有一個(gè)零件固定于地表面，其他的零件與此零件構(gòu)成各種運(yùn)動(dòng)約束，使得該子系統(tǒng)成為空間運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，其自由度應(yīng)當(dāng)大于零且與原動(dòng)件數(shù)相等，則可通過(guò)CATIA的 Mechanism Analysis（機(jī)械模塊）檢查。當(dāng)所有子系統(tǒng)都通過(guò)檢查，最后組合進(jìn)行沖壓線裝配仿真。

要讓虛擬沖壓線運(yùn)動(dòng)起來(lái)，還需要給可運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)賦予與實(shí)際工況相一致的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這可通過(guò)Kinematics模塊為沖壓線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)添加command操作來(lái)驅(qū)動(dòng)，內(nèi)容包括各運(yùn)動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，運(yùn)動(dòng)的位置變化大小等。對(duì)于更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可通過(guò)添加Laws和Speed-Accelerations選項(xiàng)做進(jìn)一步的詳細(xì)描述，使其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際工況更加貼近。

CATIA Real Time Rendering環(huán)境中的Play a Simulation功能界面可以將各零件在程序的驅(qū)動(dòng)下的整個(gè)裝配過(guò)程以可視化形式顯示出來(lái)。圖5為裝配后的沖壓線簡(jiǎn)化模型仿真運(yùn)行過(guò)程的情景。

3、虛擬裝配結(jié)果的驗(yàn)證

虛擬裝配過(guò)程是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實(shí)作為從現(xiàn)實(shí)過(guò)程到計(jì)算機(jī)上的一種映射，它直觀地模擬了現(xiàn)實(shí)過(guò)程。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)達(dá)到對(duì)現(xiàn)實(shí)過(guò)程的前瞻性預(yù)測(cè)。

建立虛擬沖壓線的主要目的就是要在實(shí)際沖壓線裝配之前，對(duì)裝配方案進(jìn)行可行性分析。因此，虛擬裝配結(jié)果的驗(yàn)證，即沖壓線各組成單元之間的運(yùn)動(dòng)干涉檢查，是虛擬沖壓線仿真運(yùn)行的主體內(nèi)容。

虛擬沖壓線各組成零部件模型按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的驅(qū)動(dòng)下仿真運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中如果沖壓線各運(yùn)動(dòng)單元之間發(fā)生干涉，軟件會(huì)發(fā)出警告并以醒目色把干涉情況表示出來(lái)。

如果仿真運(yùn)行中各組成零部件之間沒(méi)有發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，則虛擬沖壓線裝配結(jié)果得到驗(yàn)證，輸出沖壓線整體裝配方案，等待下一次沖壓線裝配任務(wù)的到達(dá)。

結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，在建立汽車車身沖壓線各組成模型類庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)虛擬沖壓線裝配后的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，替代了原有的實(shí)物模型預(yù)裝配。沖壓線組裝人員通過(guò)虛擬裝配的手段實(shí)現(xiàn)沖壓線裝配路線的合理規(guī)劃，可有效改善沖壓線的裝配工藝，對(duì)于縮短沖壓線組裝周期、提高沖壓線組裝質(zhì)量、降低沖壓線組裝成本有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。