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，并通過在虛擬裝配環(huán)境下進(jìn)行仿真的手段實現(xiàn)對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。

虛擬裝配是基于計算機生成的虛擬環(huán)境，對實體模型進(jìn)行模擬裝配的過程，并對裝配過程和裝配結(jié)果進(jìn)行分析和驗證。由于汽車車身沖壓線組成部件不僅體積龐大、數(shù)目繁多，并且相互之間的運動聯(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，不但費時費力，延長沖壓線的組裝周期，直接影響到?jīng)_壓生產(chǎn)線按期投入生產(chǎn)，有時甚至由于部件相互之間存在干涉導(dǎo)致無法完成組裝成功。

針對上述問題，考慮企業(yè)的實際情況，本文應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)來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程，并運用仿真手段對裝配結(jié)果進(jìn)行驗證。因此，操作人員通過與裝配過程進(jìn)行實時信息反饋和交互，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及布局調(diào)整，從而真正利用虛擬現(xiàn)實的手段實現(xiàn)沖壓線裝配路線的合理規(guī)劃。

沖壓線實體建模

沖壓線實體建模的核心問題是解決如何在虛擬環(huán)境中表達(dá)和存儲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、裝配分析與評價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)生的所有的計算機模型格式主要采用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表1。

2、建立虛擬沖壓線模型類庫

基于表1的沖壓線基本工作，建立壓機線組件庫、沖壓件庫、模具庫、端拾器零件庫等模型類庫，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。每一模型類庫對應(yīng)計算機一文件夾下存儲的物理地址。

（1）壓機線組件庫

壓機線組件庫是整個虛擬沖壓線的主體，包括壓機、拆垛機、清洗機、對中臺、旋轉(zhuǎn)單元、上下料機械手、中間小車等。由于壓機結(jié)構(gòu)與空間布局相對固定，尺寸、外形、相對位置由壓機廠商提供，因此在后續(xù)的裝配過程中相對穩(wěn)定。

（2）沖壓件庫

沖壓件是壓機的工作對象，從車身設(shè)計部門提供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

模具由沖壓件零件決定，模具CAD圖由模具設(shè)計部門提供，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
吸盤及結(jié)構(gòu)件等構(gòu)成真空吸盤式端拾器部件。沖壓生產(chǎn)線其相鄰兩個壓力機的輸送單元主要有以下機構(gòu)組成：

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

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

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

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

沖壓線的虛擬裝配

在建立沖壓線各模型類庫的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用各參數(shù)文件并進(jìn)行虛擬裝配，調(diào)整每個零部件模型的三維空間坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)布局，并經(jīng)布爾計算確定各零件模型設(shè)計是否有缺陷（是否存在空間干涉或者間隙）。

壓機結(jié)構(gòu)以及壓機線的空間布局相對固定，模具是嵌入在壓機之上，沖壓件是直接從沖壓件庫中調(diào)用，按照CATIA提供的點線約束、點面約束、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單，并利用CATIA的宏（macro）命令將裝配過程錄制下來，實現(xiàn)一次裝配重復(fù)利用，即開始新的裝配任務(wù)時，通過宏命令回放直接完成該部分的裝配，必要時適當(dāng)修改回放過程中的某些裝配細(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)計劃的要求而經(jīng)常變更，不同的沖壓件需要對應(yīng)不同的端拾器抓取，因此，需要對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，從而智能地輔助生產(chǎn)一線的技術(shù)人員針對不同沖壓件，快速地完成其相對應(yīng)的端拾器部件的裝配。

本文采用CATIA的VBA二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)端拾器的自動裝配，其流程圖如圖2所示。

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

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

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

4、上/下料機械手是連接端拾器和壓機的機構(gòu)。生成的端拾器與上/下料機械手、壓機組合裝配，并進(jìn)行布爾計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)過后續(xù)的沖壓線整體仿真驗證，即端拾器在工作當(dāng)中是否會與沖壓線其他零部件發(fā)生運動干涉。如果后續(xù)的沖壓線仿真運行過程中、端拾器工作中沒有發(fā)生干涉，則端拾器裝配方案最終得到確定。

端拾器自動裝配過程效果圖如圖3所示。圖中的對話框為操作人員輸入和調(diào)整端拾器吸盤型號、結(jié)構(gòu)件尺寸參數(shù)的控件。

虛擬沖壓線的仿真運行

1、沖壓線虛擬裝配環(huán)境構(gòu)建

虛擬環(huán)境是在計算機上構(gòu)建的模擬三維空間，它是整個虛擬裝配系統(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（實時建模）環(huán)境模塊，其內(nèi)容如圖4所示。

沖壓線模型類庫是構(gòu)成虛擬環(huán)境的主要內(nèi)容，是沖壓線實物數(shù)字化的過程。為了讓虛擬環(huán)境系統(tǒng)更貼近真實，必須對數(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)到視覺上的逼真。

對汽車車身沖壓線這類復(fù)雜多造型實體的渲染過程，可以通過為造型構(gòu)造LOD的方法來減少實時繪制的開銷，從而加快瀏覽速度。LOD是細(xì)節(jié)層次模型（Level of Detail）的英文簡稱，其主要思想是對于同一實體，根據(jù)其在虛擬場景的距離、視覺特性等規(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)動時根據(jù)所制定的規(guī)則，選擇相應(yīng)的顯示層次，從而達(dá)到實時簡化模型，而又不影響視覺效果的目的。

2、裝配仿真的驅(qū)動

沖壓線運動要素主要包括壓機內(nèi)/外滑塊的運動；上/下氣墊的運動；模具夾緊器的運動；移動工作臺的運動；拆垛機、清洗機、對中臺的運動等。采用CATIA的 Digital Mockup（數(shù)字化模型）功能中的Kinematics Simulator（運動仿真）模塊，對沖壓線各運動要素進(jìn)行運動約束處理，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)動副、移動副等運動約束。

需要特別說明的一點是，由于整條沖壓線上的運動機構(gòu)繁多，必須將整條沖壓線運動系統(tǒng)分解成許多子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都必須有一個零件固定于地表面，其他的零件與此零件構(gòu)成各種運動約束，使得該子系統(tǒng)成為空間運動構(gòu)件，其自由度應(yīng)當(dāng)大于零且與原動件數(shù)相等，則可通過CATIA的 Mechanism Analysis（機械模塊）檢查。當(dāng)所有子系統(tǒng)都通過檢查，最后組合進(jìn)行沖壓線裝配仿真。

要讓虛擬沖壓線運動起來，還需要給可運動機構(gòu)賦予與實際工況相一致的運動規(guī)律。這可通過Kinematics模塊為沖壓線運動機構(gòu)添加command操作來驅(qū)動，內(nèi)容包括各運動自由度運動的時間，運動的位置變化大小等。對于更為復(fù)雜的運動規(guī)律，可通過添加Laws和Speed-Accelerations選項做進(jìn)一步的詳細(xì)描述，使其運動規(guī)律與實際工況更加貼近。

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)動下的整個裝配過程以可視化形式顯示出來。圖5為裝配后的沖壓線簡化模型仿真運行過程的情景。

3、虛擬裝配結(jié)果的驗證

虛擬裝配過程是在計算機上實現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實作為從現(xiàn)實過程到計算機上的一種映射，它直觀地模擬了現(xiàn)實過程。通過虛擬現(xiàn)實達(dá)到對現(xiàn)實過程的前瞻性預(yù)測。

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

虛擬沖壓線各組成零部件模型按設(shè)定的運動規(guī)律的驅(qū)動下仿真運行，運行過程中如果沖壓線各運動單元之間發(fā)生干涉，軟件會發(fā)出警告并以醒目色把干涉情況表示出來。

如果仿真運行中各組成零部件之間沒有發(fā)生運動干涉，則虛擬沖壓線裝配結(jié)果得到驗證，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

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的基礎(chǔ)上，通過對虛擬沖壓線裝配后的運行過程進(jìn)行仿真驗證，替代了原有的實物模型預(yù)裝配。沖壓線組裝人員通過虛擬裝配的手段實現(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)實意義。