基于虛擬裝配的車身零件模具精密制造研究

牛鈺華

（河北省保定技師學院，河北 保定 071000）

一、引言

車身零件的模具是一種特殊的氣動裝置，用于通過沖壓線將零件從一個沖壓位置提起并運送到下一個位置，這也是來自模具供應商的一些標準零件的精確組裝產品。這要求模具在2000 毫米長度左右時，總裝配公差不超過2 毫米的范圍內。因此，工具設計和精確的制造速度肯定會影響任何新車上市的時期。

還可以對用完的拋棄型硬質合金刀片進行少量修改，然后將其重新使用，以在重新使用期間獲得100%的產量，而成本僅為新工具的一小部分。對各種加工操作進行仔細的分析將有助于在不做任何更改的情況下實現對用完的工具的重復使用，因為加工操作允許這種重復使用。對于在同一工廠但在另一家不同的工廠中進行的其他一些類似操作，通常用盡的工具與新工具一樣好。實施后進行溝通/交換思想可以進一步減少對自然資源的需求。

隨著強大的三維CAD 軟件的應用，人們越來越多地將事實的模具裝配移植到了虛擬環境（軟件平臺）中。由于車身零件表面的復雜性和標準連桿臂的不連續長度，這就導致在三維CAD 軟件平臺(如CATIA V5R13)上要得到滿意的模具裝配體，需要進行大量的調整工作。經過分析，我們發現模具裝配的數學性質與反運動學相同。端部執行器的位置已給定，問題是找到使端部執行器到達所需位置所需的關節變量，可以有多個解。因此，本文參考機器人理論，引入機器人理論來解決復雜的模具裝配問題。

二、工藝裝備組裝時的問題

典型的汽車車身零件由復雜且不規則的3D 面組成。為了節省組裝測試的成本，設備規劃工程師可以加載標準零件的3D CATIA V5 模型進入虛擬CATIA V5 軟件平臺，然后在虛擬環境中進行組裝工作。在這種虛擬環境中，盡管沒有在沖壓線上進行實際操作，但這項設計工作完全取決于來自實際領域的操作經驗。一般需要經過長時間的調整，才能組裝出令人滿意的工具。

如今，根據實際調查，在虛擬環境中進行工具裝配的主要問題如下：

a）復雜的零件表面由數百個子曲面組成，這導致真空墊的位置和分布完全取決于工程師的實際經驗；

b）標準零件的數量和連接參數很大，裝配方案不是唯一的；

c）連桿臂的長度不連續（例如，間隔為50mm），這會導致重復調整整個裝配結構，直到連桿臂成為標準，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，計算整個工具結構中使用的所有標準零件的一組鏈接參數的過程。機器人理論給了我們啟發：給出了末端執行器的位置，問題是找到關節使末端執行器到達所需位置所需的變量，可以有多種解決方案。

基于Denavit Hartenberg 的逆運動學，我們分配正交坐標系，從標準零件到鏈接的開放運動學鏈中的每個鏈接一個。我們使用齊次變換來描述相對位置和方向關系，然后為工裝組件建立整個機器人運動學模型。其中我們可以發現，從點0（主臂與伸出臂的交點）到選定的真空墊點h 的范圍需要用機器人學原理進行計算。

當我們測量o 點和h 點的3-D 坐標時，使用matlab6.5 工具（使用fsolve 函數），我們可以計算參數x1（length），x3（length），x2 的值（角度），x4（角度），x5（角度），并將這些值轉換為相應標準零件的世界坐標。然后，在CATIA V5 軟件平臺中，我們更新每個標準零件的位置信息，并使用我們的二次開發軟件將它們組裝成一個令人滿意的墊組件。到目前為止，我們已經完成了從h 點到o 點的真空墊組件的組裝工作。

四、真空墊組件的自動調整

從理論上講，計算結果表明，所有標準件只能成功組裝一次。由于關節x3 是特殊的標準零件連桿臂，長度不連續，例如50mm，75mm，100mm，125mm，…，450mm，因此，我們計算出的x3 值不正確地等于標準長度。因此，為了成功組裝，我們需要沿x 方向前后調整真空吸盤點一次或一次，然后再次計算所有參數，直到x3 與一個標準長度之間的差達到滿意值為止（在此應用中，我們將裝配公差的值設置為2mm）。

通過這種方法，可以在5 分鐘內用4 個真空墊組件進行工具組裝，與以前相比（傳統方法大約30 到40 分鐘）減少了6 倍的工具設計時間，并證明了該新方法的高性能。現在，這種方法和為虛擬工具裝配而二次開發的相應軟件對工具設計工程師來說非常有幫助。典型示例之一如圖1 所示，其中，右側部分是我們開發的應用程序形式，左側和較大的形式是原始的CATIA V5 生產模塊框架，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 個焊盤組件的工藝，并在軟件系統中實現。

五、總結

在汽車制造業中，模具設計時期會直接影響任何新車上市的時期。由于車身零件的復雜表面以及標準零件（尤其是連桿臂）長度并不連續，實際的操作流程并未得到簡化，從而導致模具結構完全取決于操作經驗，并且裝配調整工作完全取決于3-D CAD軟件平臺上的手動操作。本文基于機器人理論的啟發，首先將Denavit-Hartenberg 的逆運動學引入到工具裝配中，并對工具裝配過程進行建模。整個計算過程得到了清晰的證明，尤其是新裝配方法的應用效果被證明是準確，高效的；因此明顯改善了工裝設計工作。