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2015 年 11 月 第 43 卷 第 22 期 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS Nov 2015 Vol 43 No 22 DOI10.3969/ j issn 1001-3881 2015 22 001 收稿日期 2014-10-27 作者简介 王玲 (1981), 女, 硕士, 工程师, 研究方向为机器人仿真。 E-mail ling_wang@ shanghaigm com。 基于 Tecnomatix 的气动焊枪运动学建立 王玲1, 黄京1,2 (1 上海通用汽车有限公司整车制造工程部, 上海 201201; 2 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室, 上海 200240) 摘要 日趋激烈的汽车市场竞争环境, 对汽车产品的设计开发周期、 制造成本等方面提出了更高的要求, 数字化工厂 作为衔接产品设计开发与制造的桥梁, 起到了关键性的作用。 根据气动焊枪工作原理, 在 Tecnomatix 中建立相应的杆件并 定义运动副, 通过对焊枪机构的运动学分析获得了函数表达式, 并按照仿真函数格式要求, 基于 VBA 开发了函数生成程 序, 实现了焊枪的运动学仿真。 关键词 气动焊枪; Tecnomatix 软件; 运动仿真 中图分类号 TH16 文献标志码 A 文章编号 1001-3881 (2015) 22-001-3 Kinematic Setup of Pneumatic Welding Gun Based on Tecnomatix WANG Ling1, HUANG Jing1, 2 (1 Vehicle Manufacturing Engineering, Shanghai General Motor Limited Company, Shanghai 201201, China; 2 State Key laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China) Abstract Now the automobile market is in the increasingly fierce competitive environment, which put forward higher request to the automobile product design and development cycle, production cost. As a bridge between the product design and development and manufacturing, digital factory plays a key role. Based on the analysis of structure of air gun, corresponding links were established in Tecnomatix. Kinematic joints among the links were defined. Through kinematic analysis, the functions of each joint were obtained. A program for generating kinematic functions was developed based on VBA. In the end, the kinematics simulation of the welding gun was achieved. Keywords Pneumatic welding gun; Tecnomatix software; Kinematic simulation 汽车行业日益激烈的竞争环境, 对车辆的设计开 发、 制造技术等提出了更高的要求。 不同部件的焊接 技术作为车辆制造过程中的关键点, 始终受到人们的 高度关注[1]。 点焊工艺因焊接面积小, 外形美观, 且 无附加焊材等优势而成为各大汽车制造厂所采用的主 要焊接方式[2-4]。 车身底板、 四门、 两盖、 侧围等不同部位的焊接 情况不同, 对焊枪位置、 焊枪气缸行程等的要求也千 差万别[5], 仅仅通过试验手段在现场进行调整工作量 大, 不利于保证整车质量并快速响应客户需求, 缩短 新车型上市时间。 因此制造工程师需要利用三维数字 化资源进行大量仿真, 以便在产品设计与工艺设计早 期发现问题, 及时整改, 减少项目风险和费用。 作为当前汽车行业应用最为广泛的制造信息化系 统之一, Tecnomatix 无论在规划工作还是在仿真工作 方面都有很好的表现[6-9]。 文中通过对焊枪运动学原 理进行分析, 建立一套标准的气动焊枪运动学模型并 开发实用的函数辅助程序, 为今后的焊枪可达性干涉 检查、 焊枪型号选择等工作奠定基础。 1 气动焊枪模型建立 气动焊枪的三维数字模型通过∗. jt 文件格式导 入 Tecnomatix 中的 Process Simulate 仿真软件中, 放置 到焊枪资源数据库中。 1 1 运动杆件建立 Tecnomatix (Process Simulation) 中共同运动的部 件集合称为杆件, 给焊枪添加运动学的时候首先将不 同部件及其附加结构分割成相应杆件[10]。 如图 1, 气 动焊枪的工作原理为 气缸带动活塞杆运动, 活塞杆 拖动连杆, 连杆带动静臂绕主轴转动。 由于气动的驱 动方式产生比较大的振动冲击, 一般静臂不直接与基 座相连, 静臂和基座之间往往是通过缓冲弹簧或平衡 气缸连接。 图 1 气动焊枪的基本结构 根据以上分析, 在 Tecnomatix (Process Simulate) 中建立 6 个杆件, 如表 1 所示。 其中, tip_opening 是 为建立独立运动副而设置的空杆件。 表 1 气动焊枪的杆件 杆件名称所含零件或部件 tip_opening空 stationary 静臂、气缸、限位器及与静臂固连的其他 零件 moveable动臂 piston活塞杆及与活塞杆固连的其他零件 link_bar连杆及与连杆固连的螺栓、螺母和垫片等 base 除以上各部分的所有固定不动的部件和 零件 1 2 运动副建立 在 Tecnomatix (Process Simulation) 软件中为建立 的杆件添加运动副和运动学 (见图 2), 杆件设置成 功后将被标示以不同的颜色, 空杆件为灰色。 Tecno⁃ matix (Process Simulation) 中的运动副表达的是杆件 间的相对运动, 箭头由参照杆件指向运动杆件, 运动 杆件的 (转动或平动) 轴线始终与参照杆件的运动 状态相同。 图 2 气动焊枪的杆件及运动副 气动焊枪共需要建立 5 个运动副, 其中, j1指的 是焊枪动臂电极帽与静臂电极帽之间的距离, j5为由 于气动冲击造成的静臂绕基座的摆动, j2、 j3和 j4均 为非独立运动副, 需要通过运动学分析定义运动函 数, 运动函数的大小为相对运动中平动距离或摆动角 度相对于初始位置的变化量。 2 气动焊枪的运动学分析 2 1 气动焊枪的机构类型 X 型气动焊枪的机构类型为平面滑杆摆杆机构 (见图 3), 并且在初始位置时活塞杆和连杆位置 共线。 图 3 气动焊枪的机构初始位置示意图 2 2 气动焊枪运动学分析 以电极帽尖端为原点 (见图 3)、 垂直原理焊枪 开口方向为 x 轴、 焊枪开口最大方向为 z 轴建立坐标 系, 3 个铰链点的初始位置坐标分别为 P1(x1,z1)、 P2(x2,z2)、 P3(x3,z3), 需要求出的运动副函数表达 式分别为静臂摆动角度 α、 活塞杆平动位移 l3和连杆 相对于活塞杆的摆动角度 θ。 l0、 l1、 l2分别为图示杆件的长度 l0=x2 1 + z 2 1 (1) l1=(x2 - x 1) 2 + (z 2 - z 1) 2 (2) l2=(x3 - x 2) 2 + (z 3 - z 2) 2 (3) α0为杆件 l1与 x 轴夹角的初始值, β 是杆件 l3 与 x 轴的夹角 α0= arcsin z2 - z 1 l1 (4) β = arcsin z3 - z 2 l2 (5) θ0=- β(6) 如图 4, w 为焊枪开口 大小, 静 臂摆动的角 度为 Δα = 2arcsin w 2l0 (7) α = α0+ Δα(8) 图 4 气动焊枪开口和静臂摆动角度的关系 如图 5, P2运动至新位置后的坐标为 2机床与液压第 43 卷 x = x1 - l 1cosα z = z1 + l 1sinα { (9) 图 5 焊枪开口大小为 w 时的机构位置 如图 6, 杆件 l3运动至新位置后的坐标为 x′ = x3 - Δl 3cosβ z′ = z3 + Δl 3sinβ { (10) 图 6 杆件 l3移动至新位置 由 P3坐标计算获得 P2的新位置坐标为 x = x3 - Δl 3cosβ + l2cos(θ0 + Δθ) z = z3 + Δl 3sinβ - l2sin(θ0 + Δθ){ (11) 联立式 (9) 与式 (11), 获得二元方程组 x1 - l 1cosα = x3 - Δl 3cosβ + l2cos(θ0 + Δθ) z1 + l 1sinα = z3 + Δl 3sinβ - l2sin(θ0 + Δθ){ (12) 该方程组的解为 Δθ = arcsin (x1 - x 2)sinβ + (z1 - z 3)cosβ + l1sin(α - β) l2 (13) Δl3= (((x1 - x 3) - l1cosα - l2cos(Δθ - β)) 2 + ((z1 - z 3) + l1sinα - l2sin(Δθ - β)) 2)1/2 (14) 3 运动函数程序开发 3 1 自定义运动副函数 Tecnomatix (Process Simulation) 仿真软件对运动 函数格式有严格要求, D 表示滑动副大小, T 表示转 动副大小。 由式 (7) 得到 j2的函数 T(j2) = 2arcsin D(j1) 2l0 (15) 由式 (13) 得运动副 j4的函数为 T(j4) = arcsin (x1 - x 3)sinβ + (z1 - z 3)cosβ + l1sin(T(j2) + α0 - β) l2 (16) 式 (15) 是运动副 j3移动的距离, 当 D(j1) > 0 时, D(j3) = Δl3; 当 D(j1) < 0 时, D(j3) =- Δl3。 在 Tecnomatix ( Process Simulation) 中 规 定 了 逻 辑 式 的值 (D(j1) > 0) = 1D(j1) > 0 0D(j1) ≤ 0 { (17) 将上述逻辑式经过适当改造, 得 D(j3) 的函 数为 D(j3) = Δl3( - 2(D(j1) > 0) + 1)(18) 3 2 基于 VBA 的仿真函数生成程序 由于建立 3D 焊枪数据的过程中对于气动焊枪运 动学仿真的需求十分庞大, 手动书写公式效率低且易 出错, 基于 VBA 开发了仿真函数生成程序[11]。 部分 截面如图 7 所示。 图 7 基于 VBA 的仿真函数生成程序 程序获取用户输入的机构初始位置相关坐标后, 将数值代入函数原型, 以字符串格式输出至文本框, 以 j3的运动学函数为例, 其函数原型为式 (18), j3 文本框的相应代码如下 (sqrt((pow((((x1 -x 3)-l1∗(cos((T(j2)+acos ((x1 -x 2) / l1)))))-(l2∗(cos((T(j4)-beta))))), 2)+pow((((z1 -z 3)+l1∗(sin((T(j2)+acos((x1 -x 2)/ l1)))))-(l2∗(sin((T(j4)-beta))))),2))))∗((-2 ∗((D(j1))>0))+1) 其中黑正体为后台计算的数值量, 其他均为字符 串格式, 使用运算符 & 强制叠加后输出至界面, 用 户拷贝后至相应的函数定义窗口。 4 结束语 基于 Tecnomatix (Process Simulation) 建立了气 动焊枪的运动学仿真, 基本表达了气动焊枪的真实运 动, 基于 VBA 开发的仿真函数生成程序界面简洁, 运行稳健可靠, 节约了仿真工作时间, 保证了正确 率。 文中研究亦可作为基于 Tecnomatix (Process Sim⁃ ulation) 的其他各类设备的运动学仿真的参考。 参考文献 [1] 李仕慧,王英杰.汽车用镁合金焊接的研究进展[J].金 属铸锻焊技术,2010,39190-194. 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(下转第 43 页) 3第 22 期王玲 等 基于 Tecnomatix 的气动焊枪运动学建立 外凹槽。 (4) 自然时效处理。 (5) 精加工。 利用特种夹具, 精镗各孔及凹槽。 粗车内圆和外圆, 粗铣两端面去除大部分加工余 量, 为后续加工作基准。 粗镗孔之前, 先用钻头钻 孔, 减少镗孔加工余量。 粗加工和半精加工之后, 进 行自然时效处理, 释放加工应力。 在半精加工中, 完 成零件内圆和外圆及两端面加工。 精加工中仅利用特 殊夹具加工各孔和外凹槽。 2 3 精镗孔夹具设计 在精加工工序中, 零件内圆、 外圆及两端面均加 工完成, 仅对各孔及外凹槽进行精镗加工。 为防止镗 孔中零件在装夹中出现变形, 影响加工精度, 选择液 固两相转变装夹方法进行零件固定, 采用石蜡基介质 作为固定夹具。 为增大介质粘结力, 在石蜡溶液中添 加一定比例的松香。 装夹结构方法如图 2 所示, 夹具 体放置在机床工作台上, 零件放置在夹具体里, 以零 件内圆为定位基准, 先将石蜡溶液注入夹具体底面空 腔里, 然后在内圆注入石蜡溶液, 溶液冷却前零件应 在夹具体内处于正确位置。 石蜡冷却后, 将零件固定 在夹具体里, 使零件的位置保持不变, 零件在夹具体 里不受刚性夹紧力作用, 不存在局部受力变形, 有效 保证了加工精度。 夹具体底面要磨平, 保证零件加工 表面与刀具垂直, 夹具体底面设置若干个小孔, 用于 排气, 使石蜡溶液充满整个夹具体。 加工之前必须保 证夹具体在机床工作台上处于准确位置。 加工中由于 石蜡介质因温度升高而变软, 故需要适当进行停止休 息, 待介质冷却后再进行加工。 加工完成后, 将夹具 体和零件放入热水中, 即可分离介质和零件。 图 2 零件在夹具体里用石蜡进行夹固示意图 2 4 刀具材料及切削用量的确定 针对零件高精度特点, 在半精加工和精加工中主 要选用 PCBD 和 PCD 材料制作铣刀和镗刀。 这种超 硬质材料刀具广泛应用在高精度零件加工中, 具有高 耐磨性、 良好的抗弯强度等特点, 加工后零件表面精 度高, 残余应力存量低。 切削用量的确定主要考虑加工表面质量、 刀具磨 损以及加工成本。 在这个加工工序中, 镗孔工序的切 削参数选择是重点 粗镗孔采用较大背吃刀量, 以去 除零件表面硬皮层, 避免刀尖过早磨损, 并配较低的 切削速度; 半精镗孔和精镗孔, 采用较小的背吃刀量 和进给量, 配较大的切削速度, 以提高表面质量, 避 免产生积屑瘤和毛刺。 镗孔切削用量见表 1。 表 1 镗孔切削用量参数 工序 切削速度/ (mmin -1 ) 进给量/ (mmr -1 ) 背吃刀量/ mm 粗镗孔50~800 08~0 150 5~1 5 半精镗孔80~1000 03~0 060 03~0 05 精镗孔110~1200 020 01~0 02 3 结束语 该零件孔系的加工精度保证是重点。 通过机床的 选择、 加工工艺方案的正确选择、 装夹方式和切削用 量的选择等多方面的研究和实验, 最终完成首件加 工。 采用三坐标测量机检测, 各主要尺寸均合格, 孔 径偏差在公差范围内, 圆度误差小于 0 008 mm, 孔 之间角度偏差在4″内。 首件加工的完成, 为批量生 产提供条件, 为类似高精度多孔盘类零件的加工提供 借鉴。 参考文献 [1] 郑修文.机械制造工艺学[M].北京机械工业出版社, 2005. 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