CATIAV5环境下的轿车车身冲压生产线仿真研究_杜余刚

3 2 机电一体化 M o ha tro n ics Z(X 巧 年第 6 期 CA T IA VS 珠搜下肋轿车车身冲压生产线仿育研究 “ Re se a r c h o n Sim u lati o n o f A u to m o b ile ’ 5 B o d y Pu n c h L in e un ds r C A T IA V S E n 讨 r o n 刃。e n t 杜余刚 ’ 张 浩, 陆剑峰 , (l 同济大学 CIM S 研究中心 , 上海 2 0 00 9 2 ; 2 上海电力学院 , 上海 20 0 0 9 0 ) 摘 要 : 以轿车车身冲压生产线作为研究对象 , 在 CATI A VS 环境下 , 针对重复三维建模问题 , 应用参数化建模方法 , 建立零件的系列模型 , 构建了整线运动仿真的模型基础 ;在多装配体联动的整 线仿真中 , 研究了装配关系对仿真机制的影响 , 提出了 “ O n e 一 此ve l”装配方法 , 有效提高了整线模拟 效率 。 最后利用 CA皿A V S 电子样机 (D MU )技术对压机装模具过程和生产线冲压过程进行运动仿 真 、分析与优化 , 检查干涉碰撞和距离 。 结合应用实例 , 给出了方法应用的全过程 。 关键词 : CATI A One 一 Le ve l D MU 参数建模 冲压生产线 A bst ra e t : U s in g Para m e tri e m o d e lin g m e th o d to b u ilt 3 D m o d e ls to s o l v e re p e a t mo d e lin g fo r kin e ma ti e s im u la tio n ; re searc hi n g the re la tio n s hiP b e tw e e n th e le v e l o f as s e m bly an d kin e m a tie s im u la tio n a n d Pu ttin g fo 俐ard th e “ o n e 一 玩v e l” as s elnb ly m e th o d to im p ro v e the effi e ie n e y Of the s im u lat io n ; u sin g DM U te e hn ie to s im ula te the p ro e e s s of p re ss d ie 一 m o u n tin g an d a u to m o b ile ’ 5 ha d y p u n e h lin e ’ 5 m a e hin in g to e he e k e las h an d d is tan c e , w hie h are al l bas e d o n a u to m o b ile ’ 5 bo dy p u n e h lin e u n d e r CAT IA V S e n v iro n m e n t . K 盯 w o r d s : CAT IA O n e 一玩 v e l D M U para m e tri e mo de lin g pu n eh lin e 0 引 言 冲压 、白车身 、总装和喷涂是现代汽车制造生产中 主要的四大工艺 。 汽车的车身 、车架 、车厢都需要经过 冲压才能形成 , 所以冲压的制造工艺水平 、制造质量 , 直接影响汽车制造质量及制造成本。 目前我国轿车车 身冲压生产线整体水平较低 , 传统冲压线的设计和调 试还局限于对物理冲压机和整条冲压线进行 目测估计 和手动调节 , 这种方法不仅浪费资源 , 精确度不高 , 而 且也延长了设计的时间 , 不能满足汽车产品的快速上 市的要求 。 基于虚拟制造原理 , 在计算机虚拟环境下 对轿车车身冲压线进行研究 , 对提高轿车冲压设计方 法有着十分重要的意义 。 本文在 CAT IA V S 虚拟环境下对轿车车身冲压生 产线进行建模 、装配和运动仿真 。 研究 目的是在计算 机虚拟环境下设计一个既能反映冲压生产过程 , 对加 工性能和存在的问题进行分析检测 , 又能降低制造成 本 , 缩短设计时间 , 提高设计效率 、设计质量和一次开 发的成功率的仿真系统 。 1 CA T IA 中的电子样机运动机构 (DM U ki ne m a五cs ) 电子样机 (digi tal m o e k 一 u p , D MU )是对产品的真 实化计算机模拟 ,满足各种各样的功能 , 提供用于工程 设计 、加工制造 、产品拆装维护的模拟环境 ; 是支持产 品和流程 、信息传递 、决策制定的公共平台 , 覆盖产品 从概念设计到维护服务的整个生命周期 。 CATI A VS 中 的 电 子 样 机 运 动 机 构 ( D MU ki ne m ati cs )使用多个种类的运动副来定义各种规模的 电子样机机构 , 或者从机械装配约束中自动生成。 可 以基于鼠标的操作很容易地模拟机械运动 , 用来验证 * 基金项 目 : (l) 中德政府合作项 目“数字化工厂 ” (Zoo ZD Fc 00 02 7 ) ; (2) 上海市引进技术的吸收与创新项 目 “汽 车数字化总装技术,’( 04 一 6 一 5 )。 作者简介 : 杜余刚 男 , 浙江上皮人 , 同济大学 CI MS 研究中心硕 士研究生 。 主要研究方向为虚拟制造及虚拟现 实。 CA n A VS 环境下的轿车车身冲压生产线仿真研究 33 结构的有效性 ,也可以通过检查干涉和计算最小距离 分析机构的运动 。 D MU ki ne m at ic s 主要就是对一个机 构 (m ec han is m )进行运动学分析 。 2 轿车车身冲压生产线仿真流程 轿车车身冲压生产线仿真的总体流程见图 1。 分分丁丁析冲压生产产 线线线组成及布局局 建建立冲压线的的 简简化模型型 确确定模型型特特征参数数 建建立参数数 设设计表表 生生成相应的的 特特征零件件 利利用 “o ne 一助讹l”” 思思想建立装配体体 建建立仿真机构构 (((二ehan ism ))) 建建立分析点点 根根根 居仿真机构构 奎奎奎立仿真真 根根据运动节拍拍 建建立仿真序列列 仿仿真运动及优化化 3 冲压生产线零部件的三维建模 利用 c A TIA v s 三维平台的基于实体特征的建模 方法 , 首先通过草图设计 , 确定实体的平面图形 , 再利 用零件设计模块所提供的各种功能建立冲压生产线零 件的三维实体 ,这种建模的关键是建立零件特征数据 。 三维建模完成了冲压生产线单/ 双动压机 、工件 、机械 手 、穿梭小车 、翻转机构 、清洗台 、对中台 、拆剁机等子 部件的组成部件(p aI’t )。 4 参数化建模 在零件的建模过程中 , 很多零件是相同的 ,或者仅 仅是某几个参数不同而已 , 为了提高建模效率 ,减少重 复建模工作 ,采用 了参数化建模方法 。 这样一系列具 有共同特征而只是具体尺寸存在差异的零件 , 只需设 计一个零件 , 在需要相同零件的结构中直接插人该零 件 ,并设置相应参数就可 以 。 CATI A VS 参数化功能是 将一些相关的特征组成一个集合 , 并对这个集合的参 数进行处理 ,这个集合可以用于其他零件中 。 在参数建模中 , 对机械手端拾器上的吸盘 、转向关 节 、主杆 、附杆进行了参数建模 , 目的是为了针对不同 的工件实现不同尺寸的端拾器 。 图 2 显示 了设计完以 后的吸盘参数设计表 ,在设计表中选择不同特征项 ,就 会生成相应尺寸的吸盘 。 设计表的后台格式是 e xc el , 可以在 ex ce l表中或编辑表时插人新的参数值 。 图 i 轿车车身冲压生产线仿真流程圈 整个冲压运动仿真过程可以分 3 个阶段 。 首先是 分析冲压生产线组成和零件的三维建模 。 这个阶段的 主要任务是确定冲压生产线零件组成 , 其次对这些零 部件进行三维建模 。 建模只需简化模型即可 , 因为运 动仿真是对整个冲压生产的示意 , 具体的零部件细节 对仿真没影响 , 且简化模型可 以提高仿真速度 。 第二 个阶段是对零部件的虚拟装配 , 根据压机线的结构 , 利 用约束装配机制 , 对整条线进行组装 。 第三阶段是轿 车冲压线的运动仿真和优化 , 利用已装配好的压机线 , 根据设计好的运动轨迹对冲压生产过程进行运动仿 真 ,检查干涉 ,距离分析 ,检查运动协调性 , 验证加工轨 迹的合理性 , 对仿真进行优化。 图 2 吸盘参数设计表 5 冲压生产线的虚拟装配 在 CA T IA V S 的装配设计 (as se m bl y d es ign )环境 下 , 根据零部件的装配约束关系 , 对压机和整条冲压生 产线进行虚拟装配 。 装配过程中主要注意两点 。 5 . 1 建立子装配体 冲压生产线的构件比较多 , 零件间的关系也比较 复杂 , 如果将所有零部件全部放在一个装配体中进行 34 机电一体化 Me ch咖ni c8 2(X巧 年第 6 期 装配约束 ,会使装配约束关系过分复杂 , 并且很多装配 约束会重复多次 , 不利于装配的优化 。 基于模块化思 想选择主要部件及附件的小部件进行装配形成子装 配 ,然后将不多的子装配体进行约束装配来达到装配 整条压机线的目的。 这样的装配不仅可以使装配比较 简单 , 而且对某些子装配可以重复利用 。 图 3 显示了 子装配体穿梭小车 、单动压机与翻转机构 。 圈 3 子装配体圈 (D MU ki ne m ati cs )环境下进行的 。 整个冲压生产线运 动仿真包括两个过程 : 一是压机装模具检验 ;二是整线 加工节拍仿真 。 6 . 1 压机装模具检验 压机装模具检验的目的是为了检验模具从外面装 人到移动工作台时 , 移动工作台定位空与模具定位空 是否相合 ;移人到压机时 , 是否会出现干涉碰撞 ; 加紧 器在加紧模具时是否将模具夹上 ;查看滑块上下移动 的距离范围。 在这里选用双动压机做装模检验 。 6 . 1 . 1 确定压机装模具检验各部件的运动轨迹 在装模检验前 , 首先要根据我们已设计好的运动 轨迹分别建立每个运动零部件的轨迹 , 具体运动轨迹 见表 l。 表 1 压机装模零部件运动轨迹 5 . 2 基于 “ o ne 一 玩ve l”思想建立根装配体 基于压机装模具运动仿真和整线节拍运动仿真 , 根装配体包括单/ 双动压机和整条冲压生产线 。 单/ 双动压机在 5 . 1 节中已装配完成 , 所以主要是装配整 条冲压生产线 。 “ o n e 一 Le ve l” 思想指根装配体中需 要做运动仿真的子部件必须是与其只具有一层装配 关系的零部件(par’t )或者是装配体(pro duc t) 。 冲压生 产线节拍仿真需要单/ 双压机中的滑块进行冲压运 动 , 因此在进行整线装配时不能直接调用 5 . 1 中已具 有滑块的单/ 双动压机子装配体 。 基于 “ o n e 一 Lev el ” 思想在整线装配中采用将下模具 、移动工作台和压机 壳做成子装配体 A; 将滑块 、加紧器和上模具做成子 装配体 B; 再将 A 和 B 调人到整线装配体中 。 利用 “ One 一 Le ve l” 思想完成的整线装配体可 以直接对 B 进行运动仿真 , 而不需要分别对 B 中的子部件作仿真 (前提是它们的运动仿真轨迹是一样的 ) , 所 以 “ o ne 一玩 vel ”思想建立的根装配体也大大提高了运动仿真 的效率 。 图 4 显示了基于“ O n e 一 Le ve l”思想建立的冲 压生产线总装配体 。 运运动零件名名 万Z 平面运动范围围 Yz 平面运动范圈圈 平平平移移 角度度 平移移 角度度 安安全门门 O ~ 2 soo rn n 」」」」」 移移动工作台台 O 口、J、J、 J、_ _________一一一 O 呢月月J ~ U llU 】......... 外外滑块块块块 一侧】) ~ Orn rnnnnn 内内滑块块块块 一 1 (喊洲) ~ 25 0 m lllllll 外外上模具具 l(X) ~ 8 以减】m mmmmm 一 例洲) ~ O 幻lrnnnnn 内内上模具具 100 ~ 8 (X旧m 切切切 _ 1 1丫丫、 _ , 弓n ~ ~~~~~ 外外滑块前前前前前 一闷O。 、 O。。 组组加紧器器器器器器 外外滑块后后后后后 一 40 。 、 O。。 组组加紧器器器器器器 内内滑块前前前前前 一 65 。 ~ 0 。。 组组加紧器器器器器器 内内滑块后后后后后 一 40 。 ~ O。。 组组加紧器器器器器器 圈 4 冲压生产线总装配圈 6 轿车车身冲压生产线运动仿真 冲压 生产线运动仿真是在 CATIA VS 电子样机 6 . 1 . 2 建立压机装模检验的仿真机构 运动 仿 真 的前 提 是 要 有相 应 的 约束 机 构 (m ec h俪s m ) , 以决定零部件的运动方式 。 CA叨[A V S 中机构的建立是根据装配约束关系来定义运动副 , 从 机械学力的自由度角度看 , 就是将零件 6 个 自由度中 的几个自由度固定 ,从而确定零件的运动方式。 机构 决定的运动方式主要是平移和角度的旋转 。 6 . 1 . 3 分析点与仿真的建立 分析点的建立是为了仿真时对性能的分析 , 通常 有两种分析点—碰撞干涉点和距离检测点 。 这里距离检测点设 为内外滑块的行程距离 ; 碰撞点设为 be tw ee n all co m po n e nts , 即任何部件如果发生碰撞 ,就显 示干涉。 CATI A V S 环境下的轿车车身冲压生产线仿真研究 仿真是根据机构来建立的 , 目的是实现机构部件 按设定轨迹运动 。 当各自机构生成相应仿真后 , 对这 些仿真按照实际模具检验的运动先后顺序和运动节拍 建立仿真序列 ,建立压机检验模具过程仿真 。 6 . 1 . 4 压机装模检验分析和优化 压机装模检验分析和优化是在仿真运行的结果上 进行的 。 对压机装模整个过程的运动仿真 , 可以检验 出各零件的运动轨迹是否合理 , 是否出现碰撞 ,移动旋 转是否满足设定范围 , 零件间的运动协调性即运动先 后顺序是否合理 。 如果经仿真分析发现存在问题 , 就 得进行优化 , 对仿真运动轨迹和运动先后顺序做适当 的改变 , 以实现压机装模的合理性 。 选择合适的步长 , 确定初始点 ,打开相应的碰撞干涉点和距离分析点 ,就 可以进行压机装模仿真。 图 5 显示了压机装模检验的 仿真情况 。 圈‘ 碰撞结果显示 图 , 内外滑块距离显示 图 5 压机装模检验仿真情况 经过仿真分析可以看出零部件的运动先后顺序是 合理的 ,满足实际压机装模的顺序 ;但存在碰撞问题 , 即 显示红色的部件已经出现了碰撞干涉 , 同时还能检测出 滑块的上下移动距离 。 图 6 显示了碰撞的结果 , 图 7 显 示了滑块在移动过程中相对移动工作台的距离 。 通过对碰撞结果的分析 , 可以发现有 7 处 出现碰 撞 ,碰撞的部件是外滑块与内滑块的 7 个加紧器 。 出 现碰撞的原因是内滑块前组 7 个加紧器旋转角度太 大 , 碰到了外滑块 ,需要重新对这 7 个内滑块的加紧器 进行运动约束 。 对滑块距离的分析 , 可 以发现内外滑 块的行程满足滑块的移动范围 , 对滑块的轨迹约束是 正确的 。 通过仿真分析出现的问题 , 需要进行优化 , 以保证 不出现干涉碰撞 , 满足实际的装模要求 。 对压机装模 出现的内加紧器碰到外滑块的问题 , 采用将前组加紧 器旋转角度从 一 65 。改变到 一 40 “ , 经过仿真验证了这 个角度是符合生产要求的 ,不出现碰撞 。 6 . 2 冲压生产线整线加工节拍仿真 冲压生产线整线加工节拍仿真的过程基本与压 机装模检验相同 : 首先建立运动机构 , 然后根据运动 机构建立相应的仿真 , 最后按整线加工的运动顺序建 立仿真序列 , 实现整线节拍仿真 。 整线节拍仿真的关 键是运动协调性的安排 ,仿真序列要符合实际的加工 过程 。 经过整线节拍仿真得出需要对进料和取料机械手 的运动轨迹进行优化 。 抓到工件后的进(取 )料机械手 准备进(出 )压机时 , 机械手的下降 (上升 )点要位于滑 块和下模具上表面之间 , 以避免工件或机械手被碰到 。 7 结束语 本文对一条具体轿车车身冲压生产线加工过程仿 真的总体流程及各个步骤环节进行了研究 : 阐述了在 CA TIA VS 环境下整线仿真问题 , 实现参数建模 , 提高 建模效率 ; 利用 “ One 一 Le ve l”思想进行虚拟装配 , 提高 运动仿真效率和一次仿真成功率 ; 利用 电子样机技术 对压机装模具和整线节拍进行运动仿真 。 初步实践认 为 ,在车身冲压生产中应用虚拟制造技术 , 可以检测加 工过程中存在的问题 ;对问题进行分析和优化 ,有利于 提高冲压设计效率 , 能 以较低的成本和较快的响应市 场速度满足市场设计需要 。 (下转第 3 9 页 ) 基于知识的人工骨三维结构仿生设计研究 3 9 4 结束语 基于知识的人工骨三维结构仿生设计不仅从组织 结构外观的形状 , 而且更重要的从微观组织和宏观功 能上实现了真正意义上的三维结构仿生设计 。 由于在 设计过程中利用大量统计知识 , 可以减少人工骨的设 计时间 , 提高人工骨的生物活性 。 结合快速原型制造 , 把生成的人工骨三维结构模型转化为 STL 文件 , 利用 快速原型制造的精确与快速性能 , 进一步为直接定制 个体化假体的应用打下坚实的基础 。 参 考 文 献 【l] 毛 娅 , 陈作炳 , 余新明 , 等 . 基于医学图像的人工骨三位仿 生设计〔J] 中国体视学与图像分析 , 2以抖 , 9 (3 ) : 160 一 164 . 〔2] 蔡乾亚 ,裘泳铭 , 陆伟东 . 基于知识的集装箱船中剖面结构 设计 CAD 系统 〔J〕. 上海 交通大学学报 , 19 97 , 31 (1 1 ) : 6 1一笼鸿. 【3」陶善新 , 唐文献 , 李莉敏 . 基于知识驱动的产品开发系统研 究与实现 [ J〕. 计算机工程与应用 , 200 3 , 3 9 (2 2 ) : 12 9一 13 1 . 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V irt u al ~ Inb ly u si n g virtu al re a』ity te e h n i明e s . Co呷u te r 一 A ide d De si, , v o l , 2 9 , N o , 8 , p p , 57 5一5 84 , 19 9 7 . [2 ] T 5 Muj b e r , T Sze e s i , M S JH as hm i . V i血al re al ity 即p lie ati o n s in man 侧rae t而n g p rt 祀 e ss sim ulat io n . Jo u rn a l of M a te ri a ls Pro eess i咭 Tec hn o lo g y 1 55一15 6 (2以M )1 8 3 4一1 83 8 . 〔3〕李延录 ,李延春 . 我国汽车车身冲压生产工艺现状与发展浅 析〔J〕. 工厂建设与设计 , 19 97 (l) :26 一3 0 . 【4] 高秀华 , 王智明 , 王继新 . 工程分析及 电子样机模拟—CATI A vs 在工程实践中的应用【M」. 北京 : 化学工业出版 社 , 2以只 . 〔5 」谢文龙 , 单 岩 ,周超明. CATI A vs 零件设计〔M」. 北京 : 清 华大学出版社 , 2 00 5 . 〔6〕朱文峰 , 来新 民 , 林忠钦 , 等 . 车身装配虚拟样机建模研究 【J] . 计算机集成制造系统 , 200 5 , 11 (1 ) : 63 一 67 . 「7 j 朱文华 , 马登哲 . 虚拟装配技术的应用研究〔J ] . 机械设计与 研究 , 20( 抖 , 2 0 (6 ) : 4 7一 4 8 . 「8〕5 H Cho i, A M M Chan . A v irt ual 卿 toty’P in g , ys tem for 哪id p r od u e t d e v elo p m e n r . Co呷u te r 一 A ided D e s ign 3 6 (2 (用4 ) 4 0 1一 4 12 .