王玲，黃京，2

(1.上海通用汽車有限公司整車制造工程部，上海201201;2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

汽車行業(yè)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，對(duì)車輛的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造技術(shù)等提出了更高的要求。不同部件的焊接技術(shù)作為車輛制造過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)，始終受到人們的高度關(guān)注［1］。點(diǎn)焊工藝因焊接面積小，外形美觀，且無(wú)附加焊材等優(yōu)勢(shì)而成為各大汽車制造廠所采用的主要焊接方式［2－4］。

車身底板、四門、兩蓋、側(cè)圍等不同部位的焊接情況不同，對(duì)焊槍位置、焊槍氣缸行程等的要求也千差萬(wàn)別［5］，僅僅通過(guò)試驗(yàn)手段在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整工作量大，不利于保證整車質(zhì)量并快速響應(yīng)客戶需求，縮短新車型上市時(shí)間。因此制造工程師需要利用三維數(shù)字化資源進(jìn)行大量仿真，以便在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)整改，減少項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用。

作為當(dāng)前汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的制造信息化系統(tǒng)之一，Tecnomatix無(wú)論在規(guī)劃工作還是在仿真工作方面都有很好的表現(xiàn)［6－9］。文中通過(guò)對(duì)焊槍運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行分析，建立一套標(biāo)準(zhǔn)的氣動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并開(kāi)發(fā)實(shí)用的函數(shù)輔助程序，為今后的焊槍可達(dá)性干涉檢查、焊槍型號(hào)選擇等工作奠定基礎(chǔ)。

1 氣動(dòng)焊槍模型建立

氣動(dòng)焊槍的三維數(shù)字模型通過(guò)*.jt文件格式導(dǎo)入Tecnomatix中的Process Simulate仿真軟件中，放置到焊槍資源數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.1 運(yùn)動(dòng)桿件建立

Tecnomatix(Process Simulation)中共同運(yùn)動(dòng)的部件集合稱為桿件，給焊槍添加運(yùn)動(dòng)學(xué)的時(shí)候首先將不同部件及其附加結(jié)構(gòu)分割成相應(yīng)桿件［10］。如圖1，氣動(dòng)焊槍的工作原理為:氣缸帶動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，活塞桿拖動(dòng)連桿，連桿帶動(dòng)靜臂繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生比較大的振動(dòng)沖擊，一般靜臂不直接與基座相連，靜臂和基座之間往往是通過(guò)緩沖彈簧或平衡氣缸連接。

圖1 氣動(dòng)焊槍的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析，在Tecnomatix(Process Simulate)中建立6個(gè)桿件，如表1所示。其中，tip_opening是為建立獨(dú)立運(yùn)動(dòng)副而設(shè)置的空桿件。

表1 氣動(dòng)焊槍的桿件

1.2 運(yùn)動(dòng)副建立

在Tecnomatix(Process Simulation)軟件中為建立的桿件添加運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)學(xué) (見(jiàn)圖2)，桿件設(shè)置成功后將被標(biāo)示以不同的顏色，空桿件為灰色。Tecnomatix(Process Simulation)中的運(yùn)動(dòng)副表達(dá)的是桿件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，箭頭由參照桿件指向運(yùn)動(dòng)桿件，運(yùn)動(dòng)桿件的 (轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng))軸線始終與參照桿件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同。氣動(dòng)焊槍共需要建立5個(gè)運(yùn)動(dòng)副，其中，j1指的是焊槍動(dòng)臂電極帽與靜臂電極帽之間的距離，j5為由于氣動(dòng)沖擊造成的靜臂繞基座的擺動(dòng)，j2、j3和j4均為非獨(dú)立運(yùn)動(dòng)副，需要通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析定義運(yùn)動(dòng)函數(shù)，運(yùn)動(dòng)函數(shù)的大小為相對(duì)運(yùn)動(dòng)中平動(dòng)距離或擺動(dòng)角度相對(duì)于初始位置的變化量。

圖2 氣動(dòng)焊槍的桿件及運(yùn)動(dòng)副

2 氣動(dòng)焊槍的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 氣動(dòng)焊槍的機(jī)構(gòu)類型

X型氣動(dòng)焊槍的機(jī)構(gòu)類型為平面滑桿擺桿機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，并且在初始位置時(shí)活塞桿和連桿位置共線。

圖3 氣動(dòng)焊槍的機(jī)構(gòu)初始位置示意圖

2.2 氣動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

以電極帽尖端為原點(diǎn) (見(jiàn)圖3)、垂直原理焊槍開(kāi)口方向?yàn)閤軸、焊槍開(kāi)口最大方向?yàn)閦軸建立坐標(biāo)系，3個(gè)鉸鏈點(diǎn)的初始位置坐標(biāo)分別為 P1(x1，z1)、P2(x2，z2)、P3(x3，z3)，需要求出的運(yùn)動(dòng)副函數(shù)表達(dá)式分別為靜臂擺動(dòng)角度α、活塞桿平動(dòng)位移l3和連桿相對(duì)于活塞桿的擺動(dòng)角度θ。

l0、l1、l2分別為圖示桿件的長(zhǎng)度:

α0為桿件l1與x軸夾角的初始值，β是桿件l3與x軸的夾角:

如圖4，w為焊槍開(kāi)口大小，靜臂擺動(dòng)的角度為:

圖4 氣動(dòng)焊槍開(kāi)口和靜臂擺動(dòng)角度的關(guān)系

如圖5，P2運(yùn)動(dòng)至新位置后的坐標(biāo)為:

圖5 焊槍開(kāi)口大小為w時(shí)的機(jī)構(gòu)位置

如圖6，桿件l3運(yùn)動(dòng)至新位置后的坐標(biāo)為:

圖6 桿件l3移動(dòng)至新位置

由P3坐標(biāo)計(jì)算獲得P2的新位置坐標(biāo)為:

聯(lián)立式 (9)與式 (11)，獲得二元方程組:

該方程組的解為:

3 運(yùn)動(dòng)函數(shù)程序開(kāi)發(fā)

3.1 自定義運(yùn)動(dòng)副函數(shù)

Tecnomatix(Process Simulation)仿真軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)函數(shù)格式有嚴(yán)格要求，D表示滑動(dòng)副大小，T表示轉(zhuǎn)動(dòng)副大小。由式 (7)得到j(luò)2的函數(shù):

由式 (13)得運(yùn)動(dòng)副j4的函數(shù)為:

式 (15)是運(yùn)動(dòng)副j3移動(dòng)的距離，當(dāng)D(j1)＞0時(shí)，D(j3)=Δl3;當(dāng)D(j1)＜0時(shí)，D(j3)=－Δl3。在Tecnomatix(Process Simulation)中規(guī)定了邏輯式的值:

將上述邏輯式經(jīng)過(guò)適當(dāng)改造，得D(j3)的函數(shù)為:

3.2 基于VBA的仿真函數(shù)生成程序

由于建立3D焊槍數(shù)據(jù)的過(guò)程中對(duì)于氣動(dòng)焊槍運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的需求十分龐大，手動(dòng)書(shū)寫公式效率低且易出錯(cuò)，基于VBA開(kāi)發(fā)了仿真函數(shù)生成程序［11］。部分截面如圖7所示。

圖7 基于VBA的仿真函數(shù)生成程序

程序獲取用戶輸入的機(jī)構(gòu)初始位置相關(guān)坐標(biāo)后，將數(shù)值代入函數(shù)原型，以字符串格式輸出至文本框，以j3的運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)為例，其函數(shù)原型為式 (18)，j3文本框的相應(yīng)代碼如下:

其中黑正體為后臺(tái)計(jì)算的數(shù)值量，其他均為字符串格式，使用運(yùn)算符＆強(qiáng)制疊加后輸出至界面，用戶拷貝后至相應(yīng)的函數(shù)定義窗口。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Tecnomatix(Process Simulation)建立了氣動(dòng)焊槍的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，基本表達(dá)了氣動(dòng)焊槍的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，基于VBA開(kāi)發(fā)的仿真函數(shù)生成程序界面簡(jiǎn)潔，運(yùn)行穩(wěn)健可靠，節(jié)約了仿真工作時(shí)間，保證了正確率。文中研究亦可作為基于Tecnomatix(Process Simulation)的其他各類設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的參考。

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