基于caia5的車身沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動仿真研究

基于caia5的車身沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動仿真研究

0汽車民族壓縮仿真研究壓車、壓車、在家生產(chǎn)是現(xiàn)代汽車制造和生產(chǎn)的主要工藝。汽車的車身、車架、車廂都需要經(jīng)過沖壓才能形成,所以沖壓的制造工藝水平、制造質(zhì)量,直接影響汽車制造質(zhì)量及制造成本。目前我國轎車車身沖壓生產(chǎn)線整體水平較低,傳統(tǒng)沖壓線的設(shè)計(jì)和調(diào)試還局限于對物理沖壓機(jī)和整條沖壓線進(jìn)行目測估計(jì)和手動調(diào)節(jié),這種方法不僅浪費(fèi)資源,精確度不高,而且也延長了設(shè)計(jì)的時間,不能滿足汽車產(chǎn)品的快速上市的要求?；谔摂M制造原理,在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下對轎車車身沖壓線進(jìn)行研究,對提高轎車沖壓設(shè)計(jì)方法有著十分重要的意義。本文在CATIAV5虛擬環(huán)境下對轎車車身沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行建模、裝配和運(yùn)動仿真。研究日的是在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)一個既能反映沖壓生產(chǎn)過程,對加工性能和存在的問題進(jìn)行分析檢測,又能降低制造成本,縮短設(shè)計(jì)時間,提高設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量和一次開發(fā)的成功率的仿真系統(tǒng)。1電子樣機(jī)dmune電子樣機(jī)(digitalmock-up,DMU)是對產(chǎn)品的真實(shí)化計(jì)算機(jī)模擬,滿足各種各樣的功能,提供用于工程設(shè)計(jì)、加工制造、產(chǎn)品拆裝維護(hù)的模擬環(huán)境;是支持產(chǎn)品和流程、信息傳遞、決策制定的公共平臺,覆蓋產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到維護(hù)服務(wù)的整個生命周期。CATIAV5中的電子樣機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)(DMUkinematics)使用多個種類的運(yùn)動副來定義各種規(guī)模的電子樣機(jī)機(jī)構(gòu),或者從機(jī)械裝配約束中自動生成?？梢曰谑髽?biāo)的操作很容易地模擬機(jī)械運(yùn)動,用來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的有效性,也可以通過檢查干涉和計(jì)算最小距離分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。DMUkinematics主要就是對一個機(jī)構(gòu)(mechanism)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。2壓生產(chǎn)線零件的建模與裝配轎車車身沖壓生產(chǎn)線仿真的總體流程見圖1。整個沖壓運(yùn)動仿真過程可以分3個階段。首先是分析沖壓生產(chǎn)線組成和零件的三維建模。這個階段的主要任務(wù)是確定沖壓生產(chǎn)線零件組成,其次對這些零部件進(jìn)行三維建模。建模只需簡化模型即可,因?yàn)檫\(yùn)動仿真是對整個沖壓生產(chǎn)的示意,具體的零部件細(xì)節(jié)對仿真沒影響,且簡化模型可以提高仿真速度。第二個階段是對零部件的虛擬裝配,根據(jù)壓機(jī)線的結(jié)構(gòu),利用約束裝配機(jī)制,對整條線進(jìn)行組裝。第三階段是轎車沖壓線的運(yùn)動仿真和優(yōu)化,利用已裝配好的壓機(jī)線,根據(jù)設(shè)計(jì)好的運(yùn)動軌跡對沖壓生產(chǎn)過程進(jìn)行運(yùn)動仿真,檢查干涉,距離分析,檢查運(yùn)動協(xié)調(diào)性,驗(yàn)證加工軌跡的合理性,對仿真進(jìn)行優(yōu)化。3零件設(shè)計(jì)模塊利用CATIAV5三維平臺的基于實(shí)體特征的建模方法,首先通過草圖設(shè)計(jì),確定實(shí)體的平面圖形,再利用零件設(shè)計(jì)模塊所提供的各種功能建立沖壓生產(chǎn)線零件的三維實(shí)體,這種建模的關(guān)鍵是建立零件特征數(shù)據(jù)。三維建模完成了沖壓生產(chǎn)線單/雙動壓機(jī)、工件、機(jī)械手、穿梭小車、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、清洗臺、對中臺、拆剁機(jī)等子部件的組成部件(part)。4catiav參數(shù)化設(shè)計(jì)在零件的建模過程中,很多零件是相同的,或者僅僅是某幾個參數(shù)不同而已,為了提高建模效率,減少重復(fù)建模工作,采用了參數(shù)化建模方法。這樣一系列具有共同特征而只是具體尺寸存在差異的零件,只需設(shè)計(jì)一個零件,在需要相同零件的結(jié)構(gòu)中直接插入該零件,并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)就可以。CATIAV5參數(shù)化功能是將一些相關(guān)的特征組成一個集合,并對這個集合的參數(shù)進(jìn)行處理,這個集合可以用于其他零件中。在參數(shù)建模中,對機(jī)械手端拾器上的吸盤、轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)、主桿、附桿進(jìn)行了參數(shù)建模,目的是為了針對不同的工件實(shí)現(xiàn)不同尺寸的端拾器。圖2顯示了設(shè)計(jì)完以后的吸盤參數(shù)設(shè)計(jì)表,在設(shè)計(jì)表中選擇不同特征項(xiàng),就會生成相應(yīng)尺寸的吸盤。設(shè)計(jì)表的后臺格式是excel,可以在excel表中或編輯表時插入新的參數(shù)值。5虛擬裝配—沖壓生產(chǎn)線的虛擬裝配在CATIAV5的裝配設(shè)計(jì)(assemblydesign)環(huán)境下,根據(jù)零部件的裝配約束關(guān)系,對壓機(jī)和整條沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行虛擬裝配。裝配過程中主要注意兩點(diǎn)。5.1基于模塊化思想的裝配法沖壓生產(chǎn)線的構(gòu)件比較多,零件間的關(guān)系也比較復(fù)雜,如果將所有零部件全部放在一個裝配體中進(jìn)行裝配約束,會使裝配約束關(guān)系過分復(fù)雜,并且很多裝配約束會重復(fù)多次,不利于裝配的優(yōu)化?；谀K化思想選擇主要部件及附件的小部件進(jìn)行裝配形成子裝配,然后將不多的子裝配體進(jìn)行約束裝配來達(dá)到裝配整條壓機(jī)線的目的。這樣的裝配不僅可以使裝配比較簡單,而且對某些子裝配可以重復(fù)利用。圖3顯示了子裝配體穿梭小車、單動壓機(jī)與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。5.2零件裝配體系統(tǒng)基于壓機(jī)裝模具運(yùn)動仿真和整線節(jié)拍運(yùn)動仿真,根裝配體包括單/雙動壓機(jī)和整條沖壓生產(chǎn)線。單/雙動壓機(jī)在5.1節(jié)中已裝配完成,所以主要是裝配整條沖壓生產(chǎn)線。“One-Level”思想指根裝配體中需要做運(yùn)動仿真的子部件必須是與其只具有一層裝配關(guān)系的零部件(part)或者是裝配體(product)。沖壓生產(chǎn)線節(jié)拍仿真需要單/雙壓機(jī)中的滑塊進(jìn)行沖壓運(yùn)動,因此在進(jìn)行整線裝配時不能直接調(diào)用5.1中已具有滑塊的單/雙動壓機(jī)子裝配體。基于“One-Level”思想在整線裝配中采用將下模具、移動工作臺和壓機(jī)殼做成子裝配體A;將滑塊、加緊器和上模具做成子裝配體B;再將A和B調(diào)入到整線裝配體中。利用“One-Level”思想完成的整線裝配體可以直接對B進(jìn)行運(yùn)動仿真,而不需要分別對B中的子部件作仿真(前提是它們的運(yùn)動仿真軌跡是一樣的),所以“One-Level”思想建立的根裝配體也大大提高了運(yùn)動仿真的效率。圖4顯示了基于“One-Level”思想建立的沖壓生產(chǎn)線總裝配體。6仿真過程及過程沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動仿真是在CATIAV5電子樣機(jī)(DMUkinematics)環(huán)境下進(jìn)行的。整個沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動仿真包括兩個過程:一是壓機(jī)裝模具檢驗(yàn);二是整線加工節(jié)拍仿真。6.1模具安裝位置壓機(jī)裝模具檢驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)?zāi)＞邚耐饷嫜b入到移動工作臺時,移動工作臺定位空與模具定位空是否相合;移入到壓機(jī)時,是否會出現(xiàn)干涉碰撞;加緊器在加緊模具時是否將模具夾上;查看滑塊上下移動的距離范圍。在這里選用雙動壓機(jī)做裝模檢驗(yàn)。6.1.1確定壓機(jī)安裝的具體模型，并測試每個部件的運(yùn)動軌跡在裝模檢驗(yàn)前,首先要根據(jù)我們已設(shè)計(jì)好的運(yùn)動軌跡分別建立每個運(yùn)動零部件的軌跡,具體運(yùn)動軌跡見表1。6.1.2catiav中的運(yùn)動原理運(yùn)動仿真的前提是要有相應(yīng)的約束機(jī)構(gòu)(mechanism),以決定零部件的運(yùn)動方式。CATIAV5中機(jī)構(gòu)的建立是根據(jù)裝配約束關(guān)系來定義運(yùn)動副,從機(jī)械學(xué)力的自由度角度看,就是將零件6個自由度中的幾個自由度固定,從而確定零件的運(yùn)動方式。機(jī)構(gòu)決定的運(yùn)動方式主要是平移和角度的旋轉(zhuǎn)。6.1.3滑塊體動力系統(tǒng)的運(yùn)動仿真分析點(diǎn)的建立是為了仿真時對性能的分析,通常有兩種分析點(diǎn)——碰撞干涉點(diǎn)和距離檢測點(diǎn)。這里距離檢測點(diǎn)設(shè)為內(nèi)外滑塊的行程距離;碰撞點(diǎn)設(shè)為betweenallcomponents,即任何部件如果發(fā)生碰撞,就顯示干涉。仿真是根據(jù)機(jī)構(gòu)來建立的,目的是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)部件按設(shè)定軌跡運(yùn)動。當(dāng)各自機(jī)構(gòu)生成相應(yīng)仿真后,對這些仿真按照實(shí)際模具檢驗(yàn)的運(yùn)動先后順序和運(yùn)動節(jié)拍建立仿真序列,建立壓機(jī)檢驗(yàn)?zāi)＞哌^程仿真。6.1.4壓機(jī)裝模仿真分析壓機(jī)裝模檢驗(yàn)分析和優(yōu)化是在仿真運(yùn)行的結(jié)果上進(jìn)行的。對壓機(jī)裝模整個過程的運(yùn)動仿真,可以檢驗(yàn)出各零件的運(yùn)動軌跡是否合理,是否出現(xiàn)碰撞,移動旋轉(zhuǎn)是否滿足設(shè)定范圍,零件間的運(yùn)動協(xié)調(diào)性即運(yùn)動先后順序是否合理。如果經(jīng)仿真分析發(fā)現(xiàn)存在問題,就得進(jìn)行優(yōu)化,對仿真運(yùn)動軌跡和運(yùn)動先后順序做適當(dāng)?shù)母淖?以實(shí)現(xiàn)壓機(jī)裝模的合理性。選擇合適的步長,確定初始點(diǎn),打開相應(yīng)的碰撞干涉點(diǎn)和距離分析點(diǎn),就可以進(jìn)行壓機(jī)裝模仿真。圖5顯示了壓機(jī)裝模檢驗(yàn)的仿真情況。經(jīng)過仿真分析可以看出零部件的運(yùn)動先后順序是合理的,滿足實(shí)際壓機(jī)裝模的順序;但存在碰撞問題,即顯示紅色的部件已經(jīng)出現(xiàn)了碰撞干涉,同時還能檢測出滑塊的上下移動距離。圖6顯示了碰撞的結(jié)果,圖7顯示了滑塊在移動過程中相對移動工作臺的距離。通過對碰撞結(jié)果的分析,可以發(fā)現(xiàn)有7處出現(xiàn)碰撞,碰撞的部件是外滑塊與內(nèi)滑塊的7個加緊器。出現(xiàn)碰撞的原因是內(nèi)滑塊前組7個加緊器旋轉(zhuǎn)角度太大,碰到了外滑塊,需要重新對這7個內(nèi)滑塊的加緊器進(jìn)行運(yùn)動約束。對滑塊距離的分析,可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)外滑塊的行程滿足滑塊的移動范圍,對滑塊的軌跡約束是正確的。通過仿真分析出現(xiàn)的問題,需要進(jìn)行優(yōu)化,以保證不出現(xiàn)干涉碰撞,滿足實(shí)際的裝模要求。對壓機(jī)裝模出現(xiàn)的內(nèi)加緊器碰到外滑塊的問題,采用將前組加緊器旋轉(zhuǎn)角度從-65°改變到-40°,經(jīng)過仿真驗(yàn)證了這個角度是符合生產(chǎn)要求的,不出現(xiàn)碰撞。6.2整線節(jié)奏仿真沖壓生產(chǎn)線整線加工節(jié)拍仿真的過程基本與壓機(jī)裝模檢驗(yàn)相同:首先建立運(yùn)動機(jī)構(gòu),然后根據(jù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)建立相應(yīng)的仿真,最后按整線加工的運(yùn)動順序建立仿真序列,實(shí)現(xiàn)整線節(jié)拍仿真。整線節(jié)拍仿真的關(guān)鍵是運(yùn)動協(xié)調(diào)性的安排,仿真序列要符合實(shí)際的加工過程。經(jīng)過整線節(jié)拍仿真得出需要對進(jìn)料和取料機(jī)械手的運(yùn)動軌跡進(jìn)行優(yōu)化。抓到工件后的進(jìn)(取)料機(jī)械手準(zhǔn)備進(jìn)(出)壓機(jī)時,機(jī)械手的下降(上升)點(diǎn)要位于滑塊和下模具上表面之間,以避免工件或機(jī)械手被碰到。7運(yùn)動仿真技術(shù)本文對一條具體轎車車身沖壓生產(chǎn)線加工過程仿真的總體流程及各個步