（机械制造及其自动化专业论文）机器人包边工艺的有限元分析.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体成员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 主席： 委员： 身刮z 答辩委员会签名：( 工作单位职称) 牡耄芝 肪z 眵芬 影降粮 导师： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴工些太堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：韶飚啤签字日期：加以年年月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅或借阅。本人授权金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签字日期：z 矶1 年年月力扣 签字日期：少，f 年华月巧日 工作姚瑚缸j 2 童编撕譬即醣刁慨删一缈于f ? 址：钟p 聊矽马 蝴：渺f 蹯 ， 烈彤 名飞 荔 机器人包边工艺的有限元分析 摘要 随着我国汽车产业的快速发展，车身包边技术的应用研究也越来越显示出 其重要意义。本文主要结合汽车门盖线的总成结构及工艺流程，概括了包边工 艺的不同种类，并重点介绍了机器人包边工艺及其在包边过程中产生的缺陷， 并据此提出了相应的改进措施：通过分析包边过程及包边类型，研究了机器人 柔性滚边技术，并利用有限元分析软件a b a q u s 对滚轮在不同的压入方式下， 板件的受力情况进行了分析，同时又对板件在不同直径滚轮作用下受力弯曲变 形情况进行了有限元分析，总结出的部分成型规律与相关文献试验总结的规律 相符合；最后通过三维建模与仿真技术对机器人滚边工艺方案进行设计，完成 了在r o b c a d 中的系统仿真数据建模、运动仿真以及机器人滚边的离线编程。 关键字：机器人；包边工艺；有限元分析 f e ao fr o b o tr o l l e rh e m m i n g p r o c e s s e s a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r yi nc h i n a ，h e m m i n g t e c h n o l o g i e sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sp a p e rs u m m a r i z e dd i f f e r e n t t y p e so fh e m m i n gp r o c e s s e sw i t hr e g a r dt ot h ec l o s u r el i n e sa n dp r o c e s s e s a l s o i t h i g h l i g h t e dt h er o b o tr o l l e rh e m m i n gp r o c e s s e sa n di t sd e f e c t s ，a n d p r o p o s e d r e l e v a n ti m p r o v e m e n tm e a s u r e s b ya n a l y z i n gt h er o l l e r h e m m i n gp r o c e s s e sa n d r e s e a r c h i n gi n t ot h er o b o tf l e x i b l er o l l e rh e m m i n g ，f e as o f t w a r e ，a b a q u s ，w a s u t i l i z e dt o d e v e l o pt h es h a p i n gc r i t e r i ar e g a r d i n gd i f f e r e n tr o l l i nc o n d i t i o n s s t r e s s e s ，a n db e n d i n gd e f o r m a t i o nc a u s e d b yv a r i o u ss i z e so fr o l l e r s ，w h i c h c o i n c i d e sw i t ht h et e s tr e s u l t sd e s c r i b e di nr e l e v a n tl i t e r a t u r e s i nt h ee n d r o b o t r o l l e rh e m m i n gs y s t e ma n dp r o c e s s e sw e r e m o d e l e d ，s i m u l a t e d ，a n do f f - 1 i n e p r o g r a m m e di nr o b c a d k e y w o r d s ：r o b o t ；r o l l e rh e m m i n gp r o c e s s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 致谢 本文是在尊敬的导师王健强教授的悉心指导下完成的。近三年来，无论是 在学习上，还是在生活上，王老师都给予了我无微不至的关怀和帮助。在王老 师的帮助下，我获得了很好的学习机会，并且在他的精心指导下，使我充分学 习和了解了现代工业机器人技术以及自动化解决方案，并使我有机会参与了多 个工业机器人项目。与王老师共同工作的经历，更是我一生中最宝贵的财富。 王老师严谨的治学态度、睿智的科研思路、科学的指导方法和他那锲而不舍的 科研精神，都深深地影响着我，激励我在以后的成长中不断进取。在此论文完 成之际，我也即将结束硕士研究生学习，走向社会和工作岗位，谨向尊敬的王 老师致以最崇高的敬意和衷心的感谢。 同时感谢安徽巨一自动化装备有限公司和安徽江淮汽车股份有限公司为我 提供的实习机会和给予的一切便利，感谢公司的领导及同事对我学习和生活上 的关心。特别感谢韩慧、崔鹏、王建中、张彦辉、葛松等领导同事在我论文撰 写过程中给予的支持与帮助。 另外感谢王向东、路坦、王月娥、孙自强、钱正旺、杜家胜、张超、周雍 等同学在生活和学业上给我提供的帮助与支持。 感谢我的父母，他们的支持和理解是我完成研究生学业的前提和动力。我 的论文中凝结了他们许多的心血。 最后向在百忙之中参加此次评审工作的各位专家老师表示衷心的感谢! 作者：程剑峰 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论l 1 1 本文课题研究的背景1 1 2 国内外包边工艺研究的现状5 1 3 本文的研究内容6 1 4 本章小结6 第二章机器人滚边工艺研究7 2 1 引言? 7 2 2 包边工艺的不同类型8 2 2 1 翻边工艺的不同类型8 2 2 2 包边方式的不同类型9 2 2 3 包边的分类l o 2 3 机器人滚边工艺1 1 2 3 1 机器人滚边工艺特性1 l 2 3 2 机器人滚边系统的组成1 2 2 4 机器人滚边的缺陷分析1 3 2 4 1 尖角上翘1 3 2 4 2 波浪起皱1 4 2 4 3 包边失效1 4 2 4 4 外观质量缺陷1 4 2 5 本章小结1 5 第三章有限元数值模拟理论与软件工具1 6 3 1 引言1 6 3 2 有限单元法的解题步骤1 6 3 3 有限元模拟工具一一a b a q u s 1 7 3 3 1a b a q u s 系统简介1 7 3 3 2a b a q u s 的功能1 8 3 3 3a b a q u s 软件的模块结构1 8 3 4 本章小结2 1 第四章机器人滚边工艺的数值模拟2 2 4 1 概述2 2 4 2 模拟分析的研究思路2 2 4 3 机器人包边工艺的数值分析2 2 4 3 1 不同压入方式下的模拟数值分析2 2 4 3 2 不同滚边工具情况下的模拟数值分析2 9 4 4 本章小结3 6 第五章基于r o b c a d 平台的机器人滚边系统仿真3 7 5 1 虚拟仿真系统简介3 7 5 1 1 机器人仿真技术的发展现状3 7 5 1 2 r o b c a d 软件概述3 7 5 2 基于r o b c a d 的机器人柔性滚边系统设计与仿真3 8 5 2 1 r o b c a d 软件界面3 8 5 2 2 数据建模3 9 5 2 3 创建工作站4 2 5 2 4 r o b c a d 机器人滚边仿真与系统优化4 3 5 3 离线编程( o l p ) 技术4 6 5 3 1 示教编程4 6 5 3 2 离线编程4 7 5 3 3 误差校准5 0 5 4 本章内容小结5 0 第六章结论与展望5 l 6 1 本文完成的工作5 1 6 2 有待于进一步研究的问题5 1 参考文献5 3 攻读硕士期间发表论文5 6 插图目录 图1 1 液压机及折边模具2 图1 2 车门折边机2 图1 3 包边示意图2 图1 4 影响包边质量的因素3 图1 - 5 包边缺陷图缩进胀大4 图1 6 包边缺陷图弹回变弯4 图2 1 轿车中的包边成形或翻边的部件7 图2 2 汽车门板中的不同包边线类型的包边8 图2 3 不同的翻边类型9 图2 4 收缩型和伸张型的翻边9 图2 5 常见的包边缘线类型1 0 图2 - 6 依据边线和曲面的包边分类1 0 图2 7 机器人滚边路径顺序- 1 l 图2 8 机器人滚边压力1 2 图2 - 9 机器人滚边系统工作站一1 2 图2 1 0 尖角上翘1 4 图2 1 1 外观质量缺陷1 5 图3 1a b a q u s 软件的模块结构1 9 图3 2 完整的a b a q u s s t a n d a r d 或a b a q u s e x p l i c i t 分析过程2 0 图4 1 机器人包边系统2 3 图4 2 三种压入方式的对比2 4 图4 3 三种压入方式下板件与滚轮的有限元模型2 5 图4 4 竖直压入方式的仿真结果2 6 图4 5 环向压入方式的仿真结果2 7 图4 6 三种压入方式下板件的弯曲变形2 8 图4 7 万能材料试验机结果图2 9 图4 8 滚边工具示意图3 0 图4 9 弯曲变形过程中纤维的伸张3 l 图4 1 0 有限元仿真模型3 3 图4 1 1 板件的三个不同考察点3 4 图4 1 2 板件的最终变形3 6 图5 1r o b c a d 软件界面图3 9 图5 2 数模转换4 0 图5 3 数据建模：夹爪的打开和闭合4 0 图5 4 坐标的设定4 1 图5 5 机器人滚边工作站2 d l a y o u t 4 2 图5 6 滚边任务路径4 3 图5 7p a t h 信息指派图4 4 图5 8k u k al o a d 校验4 5 图5 - 9 机器人滚边工作站的布局一4 6 图5 1 0 离线编程的参数设置4 8 表格清单 表1 1 各种滚边机性能比较4 表4 1 滚轮受到的最大反力2 8 表4 2s p c e n 材料属性3 2 表4 3 直径不同的滚轮应变分析结果3 3 表4 4 直径不同的滚轮应力分析结果3 3 表4 5 板件内外表面的应力变化曲线3 5 第一章绪论 近些年，随着汽车的普及，越来越多的人开始拥有汽车，汽车的产量和销 量也都出现了很大幅度的增长。根据中国乘联会的数据1 1 】，2 0 10 年中国汽车产 量为18 2 6 4 7 万辆，同比增长3 2 4 4 ，中国汽车销量为18 0 6 19 万辆，同比增 长3 2 3 7 ，这是继2 0 0 9 年我国汽车产销全球第一之后，又一次刷新全球历史 记录。正是因为如此，汽车制造企业需要不断提高汽车产量，更要不断的设计 出更多的新车型来适应这个快速发展的市场。据统计，2 0 0 9 年国内汽车市场推 出了5 5 个以上的新车型，2 0 1 0 年新车型数目更多。不断增长的市场需求决定 多品种小批量的生产方式必将成为未来汽车的主要生产方式，这就迫切需要汽 车企业改变生产模式。 汽车制造业是目前发展较快的产业之一，它能够带动一个地区、一个国家 乃至区域性的经济发展水平，是一个国家重要的经济命脉。汽车工业水平同样 也是一个国家现代化水平的重要标志【z j 之一。 近年来，在汽车车身门盖等闭合件制造中，机器人滚压包边技术因其柔性 化程度高、调试时间短、包边单元一次性投入低、维护费用低、开发时间和投 入使用的准备时间比较短等一些显著特点，而得以迅速发展。目前，无论在国 内还是国际上，各大汽车制造厂商都已在逐步运用这项技术p 】。随着国内外汽 车市场竞争的加剧，当今汽车车型发展趋于高速度、高质量和低成本，机器人 滚边技术正是随着这种趋势而出现，它是白车身四门两盖等闭合件成型技术的 一个重要发展方向。目前，国内很多汽车制造厂商和研究机构对机器人滚压包 边的关键技术研究还处在初始阶段，基础也比较薄弱，不具备提供门盖线机器 人自动化岛的能力，这是我国汽车制造产业发展过程中的一种挑战，在这种严 峻的挑战之下，机器人滚边工艺的研究应用自然成为了国内各大汽车制造厂商 的重要研究方向。 1 1 本文课题研究的背景 车身四门两盖分总成的包边，根据车身装配工艺技术等要求，应确保包边 成形后的工件周边必须光滑平整，不会出现波浪起伏和褶皱，且内外板必须严 格包实。为了满足上述的要求，目前多数汽车生产企业都是采用液压机配一套 折边模具或者采用车门折边机进行包边，如图1 1 、图1 2 所示。这两种方法属 于一次成形，生产效率较高，包边之后的质量和外观也都很好。但是，由于模 具的开发周期较长，模具制造的成本较高，采用这种方法不利于降低汽车的总 成本，导致产品的竞争力降低。正是处于这种环境，车身生产线的柔性化才成 为了汽车制造业的趋势。 图1 1 液压机及折边模具 图1 2 车门折边机 随着汽车工业的发展，对汽车外观的要求越来越高，汽车外板件的制造质 量直接影响到汽车整体外观和密封性能。包边是常见的一种连接汽车外板和内 板的加工方法，它主要是利用滚边工具把已经经过翻边的外板件翻折到与内板 件平行并压实的工艺方法。经过包边工艺的板件外表面可以得到显著的改善， 不会出现压痕、凸包、凹陷等缺陷，同时增加整体强度和刚度。一般包边的过 程分为三个步骤：翻边，预包边，终包边( 图1 3 ) 。 翻边预包边终包边 图1 3 包边示意图 需要进行机器人滚压包边的板件在冲压成型后，其周边有一宽度在1 0 m m 左右、与板件本身成9 0 。的翻折边，这条边为待包边。在进行包边时，这条待 折边向内翻折9 0 。将内板件包实。理论分析和实验证明，很难将待包边从9 0 。一步翻折至0 。因此，我们可以将包边工艺分成两步：第一步先将待包边 从9 0 。翻折至4 5 。，称为预包边；第二步再将其从4 5 。翻折至o 。并压实， 称之为包边或者终包边。这种包边方式可用于汽车所有车门、发动机舱盖以及 行李箱盖，一般适用于对生产节拍要求不高的场合；还有一种就是将包边工艺 分成三步，其角度依次为从9 0 。翻折到6 0 。，再翻折到3 0 。，最后翻折到0 。此种包边方式也可用于汽车车门、发舱盖、行李箱盖、轮罩以及翼子板， 一般适用于生产节拍要求较高且对包边质量要求也较高的场合。此外，还有翻 边角度为1 2 0 。分四次包边以及翻边角度为1 8 0 。的包边工艺，前者主要用于汽 车车门某些部位的包边，后者主要用于汽车顶盖天窗板件的包边。根据车体装 2 配要求，包边成型后的工件边缘必须满足没有波状起伏和明显皱褶的要求， 且内外板必须包实，不会出现假包实现象。同时，为了兼顾整车外观，内外板 在包边过程中不允许有任何变形及损伤。另根据待包边和所要包曲面的形状， 包边又分为平面一直边包边、平面一曲线包边、曲面一直线包边、曲面一曲线包边 【4 】 o 包边是一个复杂的薄板弯曲成形的过程，与简单的薄板弯曲不同，它常常 带有缩进与胀大( r o l l i n r o l l o u t ) 、弹回与变弯( r e c o i l w a r p ) 、起皱等成形缺 陷【5 1 。包边成形是四门两盖类总成装配的后序工艺，其成形质量包括尺寸准确 性和表面质量问题，二者共同影响整车装配的密封性和外观质量等重要特性。 包边的实质是板件弯曲成形，但是它的变形机理和依此产生的工艺问题比单纯 的弯曲复杂许多。图1 4 列举了影响包边工艺的因素【o j 。 图1 - 4 影响包边质量的因素 尺寸的准确性和工件表面质量问题是包边过程中非常重要的两个问题。常 见的包边缺陷分为两种：尺寸缺陷、形状缺陷。缩进胀大属于尺寸缺陷，指待 折边的终止位置在理想位置旱面外面( 图1 5 ) ：弹回变弯属于形状缺陷，指包 边的最终包边线位于理想包边线的下方上方( 图1 。6 ) 。大量试验证明，变弯只 出现在终包边和预包边，而缩进胀大只出现在终包边，预测、补偿和控制蠕变 比直接消除这些缺陷更为重要。 丝 ：证， 一图1 - 5 包边缺陷图图1 - 6 包边缺陷图 缩进胀大弹回变弯 利用机器人带动滚边工具进行包边作业是二十一世纪国内外汽车工业的新 趋势。机器人包边具有很高的柔性，它能够对不同几何形状的工件，采用不同 的包边路径进行包边作业，很大程度上降低了模具费用，同时因为一台机器人 可以完成一系列的工艺动作，如上下料、包边、涂胶等，因此也减少了装卸时 间。利用机器人进行包边作业优点很多，其与液压机配模具包边及车门折边机 包边性能比较如表1 1 所示。自二十世纪九十年代至今，世界各大汽车生产企业 都在对机器人滚压包边进行研究，对机器人滚边的设备开发都倾注了极大的重 视。近年，在这个领域已经出现了许多专利，但是以国外的专利居多，如日本 的t o y o t a 公司发明了一种空气轴承的单个滚子滚压机构的机器人包边设备， 这种设备是通过将预包边滚子和终包边滚子固定在串联机器人的机械手臂上， 机械手臂沿工件边缘的平动来实现对工件的滚压包边【7 枷】。 表1 1 各种滚边机性能比较 设备类型噪声质量稳定性系统柔性维护成本作业面积 设备结构简一台机器人机器人系统以机器人为 单，机器人系可以多种车维护简单，成中心，胎膜和 机器人滚边噪声小统稳定，易于门进行滚边本低夹具可以分 维护操作，柔性好布在四周，作 业面积小 设备结构复折边模具和专用的液压专用的模具 杂，乐机稳定压机都是专机系统复杂，配置专用的 液压机+ 折边性弱，维护繁 用的，更换车 不稳定，需定 液压机，作业 模具 噪声人 琐型后需更换期维护，成本面积火 整套设备，柔 高 性差 设备相对简 通常是定制 维护成本相夹具和折边 折边机 噪声人 单，稳定性 专机设备，柔对较小机共体，作业 弱，维护繁琐性差面积小 4 1 2 国内外包边工艺研究的现状 门盖线机器人柔性自动化系统涉及的领域很多，包括冲压、涂装j 、包边、装配 等，其自动化水平直接决定一个国家的制造业水平，因此机器人柔性自动化技术在国 内外都得到了广泛的关注，也出现了一些新技术。 系统仿真技术和虚拟制造技术以及计算机技术的综合运用是国外进行大型自动 化生产线设计开发的基础。近年来，国外在门盖线机器人柔性自动化技术方面出现了 一些新的技术，如目前正在广受各大汽车公司研究和使用的自动化生产线的在线检测 和可重构技术以及模块化技术，这些新技术的进一步研究和应用提高了国外在机器人 自动化技术方面的水平。 而国内在汽车门盖线技术方面相对比较落后，直到改革开放以后，国内的 汽车制造企业才在一定程度上接触并了解了国外先进的机器人柔性自动化技术 【1 2 】。当时国内在汽车门盖线技术上的发展现状是：各大汽车制造企业普遍缺乏 制造高水平成套门盖线的能力，而国内的自动化装备技术水平又比较低，门盖 线自动化技术完全由国外的汽车公司所掌握，面对日趋激烈的市场竞争，我国 的汽车制造厂家只好花费大量的金钱成套引进国外的自动化装备，导致国内汽 车厂家与国外汽车厂家在机器人柔性自动化技术水平方面的差距越来越大。近 些年，国外出现了一批具有影响力、著名的工业机器人与系统公司，如a b b 、 m o t o m a n 、f a n u c 、k u k a 公司等，他们的工业机器人制造技术十分先进， 且他们拥有的集成技术解决方案更是使其一直处于行业领先地位。海外汽车制 造业巨头，如美国通用、德国奔驰、宝马、日本丰田等汽车公司正引领着工业 机器人系统集成技术向规范化和系列化方向发展，各公司用于汽车门盖线生产 的机器人都已达到万台。虽然国外汽车生产数量不及国内，但是国内汽车门盖 线生产基本还是压机或专机包边生产，只有例如上海大众，广汽丰罔等才刚开 始引进门盖机器人柔性自动化系统。随着国产汽车品质的提升和生产自动化程 度的提高，如何更快更好地实施门盖线机器人柔性自动化具有重大的意义 【1 3 - 1 6 】 0 结合以上分析，我国在机器人门盖线自动化生产线方面的不足表现在： ( 1 ) 白车身门盖生产线技术起步晚，应用范围有限，无法与国外先进的自 动化生产线技术相比，关键核心技术方面尤显不足，这些技术主要被国外的汽 车厂家所拥有，某种程度上严重制约了我国自动化装备的发展； ( 2 ) 国内有些汽车生产巨头，由于技术水平还比较落后，尚不能提供门盖 机器人自动生产线系统集成解决方案，目前这些集成解决方案主要还是由国外 公司负责提供； ( 3 ) 已经拥有了白车身焊装自动化方面相应的技术，这方面与国外的差距正 在缩小，但是高端轿车生产线的设计制造水平仍不足以与国外先进的技术水平 相比较。 1 3 本文的研究内容 本文结合目前先进的包边工艺，研究了机器人滚压包边工艺以及滚边中的 缺陷，并运用有限元分析软件对机器人滚边中工件和滚轮的受力情况进行了较 为详细的分析，最后结合r o b c a d 平台对机器人滚边方案进行了简单的模拟仿 真。 本课题研究的具体内容如下： ( 1 )对白车身焊装线中的滚边工艺尤其是机器人滚边工艺进行了研究， 并对机器人滚边工艺的流程进行了一些简单优化； ( 2 )对机器人滚边中工件折边和滚轮的受力情况等进行了有限元分析， 进而对机器人滚边系统进行优化： ( 3 )对机器人滚边工作站进行简单的模拟和系统仿真。 1 4 本章小结 本章以机器人柔性自动化工艺为背景，较为详细的介绍了国外和国内在机 器人柔性滚边方面的应用情况，指出我国在机器人柔性滚边技术上面的不足， 引出了本课题研究的主要内容。 6 第二章机器人滚边工艺研究 2 1 引言 l i v a t y a l i ，g u o h u az h a n g 等人在其相关著作中已经对包边工艺理论进行了 比较系统的概述 1 7 - 1 8 】。翻边工艺和包边工艺同属于板件弯曲工艺，且已广泛应 用于汽车制造业中，尤其是汽车四门两盖的应用中。 翻边是一种常见的板件弯曲成形工艺，其成形原理是板件边缘的一条边沿 着一定的直线或者曲线弯曲一个特定的角度。这个角度可以是9 0 。或者某一个 特定的锐角。翻边成形工艺常被用来对工件的刚度、外观等进行某些改善，或 者实现工件的边缘强化，有时也用来精确定位紧固面。 包边可以认为是翻边工艺的一个特例，即翻边角度达到1 8 0 。一般情况 下，包边成形工艺是建立在翻边工艺基础上，即在已经预先翻边的工件上进行 包边。包边工艺常被用来消除冲裁毛刺的毛边，从而使工件的边缘更加光滑， 增强使用的安全性和外观的美观度；而在汽车制造的车身成形工艺中，包边主 要用来连接内外两块不同的板件，在这个领域其应用非常广泛( 图2 1 ，图2 - 2 ) 。 图2 1 轿车中的包边成形或翻边的部件 7 警 凸两一黻边赶边 图2 - 2 汽车门板中的不i 司包边线类型的包边 一个国家整体工业发展水平的深度体现在汽车制造业的发展水平。纵观世 界，汽车制造的先进技术都集中在少数几个发达国家，我国正在成为“世界工 厂”。此外，由于我国在车身部件的设计和制造技术上的落后【l9 1 ，导致国内的 汽车厂商在开发新车型方面的速度比较迟缓，中国逐渐成为了世界范围内的汽 车生产和消费的大国。因此，开展机器人滚边工艺的研究很有实际意义，能够 对机器人滚边工艺的设计和实施起到指导的作用。本章系统介绍包边工艺的基 础知识，并对机器人滚边工艺进行了阐述，最后对机器人滚边中的缺陷也进行 了简要的介绍。 2 2 包边工艺的不同类型 ， 2 2 1 翻边工艺的不同类型 包边是翻边角度至1 8 0 。或者更多的工艺，不同的包边类型是建立在不同 的翻边类型基础上的。而翻边类型主要有三种：直线型、伸张型和收缩型f 2 ， 如下图2 3 所示。直线型翻边因为板件在除弯曲角部位外的部分没有任何长度 方向的应力，因此它是一种较简单的弯曲变形，见下图( a ) 。伸张型翻边则相对 复杂，它的成形原理是滚轮沿着凹边或者凹面或者两者的组合方向滚压，见下 图( d ) 、( e ) 。收缩型翻边则和伸张型翻边恰好相反，见下图( b ) 、( c ) ，其成形原 理是滚轮沿着凸起的翻边线或者凸面或者二者的组合方向滚压，收缩出现在翻 边宽度方向，最大压应力也出现在翻边的最外缘，并沿翻边棱线的方向递减至 零。伸张型翻边和收缩型翻边示例见下图2 4 ( a ) 、( b ) 。 8 ( ) 直线翻边 “) 曲面类收缩型翻边 ( d ) 棱边弯曲的伸张型翻边 ( ) 曲面类伸张型翻边 ( f ) 倒转型翻边 图2 - 3 不同的翻边类型 l a 图2 4 收缩型和伸张型的翻边 2 2 2 包边方式的不同类型 包边部位，即包边缘线部分有平直型、水滴型、开放型以及围起型等【2 1 1 ， 如图2 5 所示。其中，平直型包边主要用于材料边线的折叠，用以提高工件外 观和部件使用的安全性；水滴型包边也同样适用于材料边线的折叠，但更适用 于因延塑性欠缺而无法实现平直型包边的材料；开放型则适用于连接两块不同 的板件，这里需要指出的是，围起型也适用连接两块不同的板件，但是同样出 于延塑性的考虑，围起型更加适合不能直接实现开放型包边的材料。此外，水 滴型和围起型的包边，板件的弯曲角度要大于18 0 。，并且弯曲半径要比平直 型或开放型的大。 9 三三二逗垂墨兰生 开放型包边 泪涌型包边 平赢攀砰犁镪谤 匿起型包_ ；垒 有内板的开放型包边 有内板的相涌型包边 孜迸内平直型包避 装落的卿萎5 ；捌俄边 图2 5 常见的包边缘线类型 2 2 3 包边的分类 为了便于分析，包边工艺按照包边曲面和包边缘线的不同可分为：平面直 边包边、平面曲边包边、曲面直边包边以及曲面曲边包边，如图2 - 6 所示。 图2 , - 6 依据边线和曲面的包边分类 l o 2 3 机器人滚边工艺 2 3 1 机器人滚边工艺特性 滚边属于包边的范畴，机器人滚边工艺【2 2 彩】主要是机器人夹持形状不同的 滚轮按照预先设定好的程序和轨迹进行滚边作业，实现板件的预包边或终包边。 与传统形式类似，机器人滚边过程也分为三个步骤：翻边，预包边和终包边。 利用机器人滚边工艺可以有效确保板件的外观平整度以及汽车的密封性能，且 又避免了板件边缘部位的凸起、弹回、压痕等质量缺陷，增强了整车的整体强 度和刚度。 由于工件的材料和物理性能不同，且经过机器人滚边之后的板件总体效果 需得到保证，故机器人滚边作业一般由一次预包边或多次预包边组成。此外， 机器人滚边工艺还具有的另外一个特点是，上一次滚边的终点位置将作为下一 次滚边的起点位置，这样可以防止滚边过程中误差的累计。为了保证滚边的质 量，防止出现压痕、褶皱等包边缺陷，在机器人滚压包边过程中，可根据具体 情况对机器人滚边压力进行调整，但应注意，滚边压力值不能设置的过小或者 过大，前者会引起内板包不严，后者会引起板件表面出现压痕等缺陷，二者都 会导致机器人滚边质量下降。 前一次后一次 幽2 7 机器人滚边路径顺序 根据经验值，对于厚度在0 6 0 7 m m 的钢材，预包边力为5 0 0 7 0 0 n ，终 包边力为1 3 0 0 15 0 0 n ；对于厚度在o 7 0 8 m m 的钢材，预包边力为 7 0 0 n 1 0 0 0 n ，终包边力为1 5 0 0 n 1 6 0 0 n ；对于厚度在0 9 1 2 m m 的铝合金钢 材，预包边力为7 5 0 1 0 0 0 n ，终包边力为1 1 0 0 1 4 0 0 n t 2 4 1 ，如图2 8 所示： 预包边力方向终包边力方向 图2 - 8 机器人滚边压力 2 3 2 机器人滚边系统的组成 一个典型的车门机器人滚边系统主要由机器人系统，滚轮功能包，滚边夹 具系统，安全防护系统以及电控系统等组成，如图2 9 所示。其中滚边夹具系 统是采用机器人滚边技术进行柔性化生产的中心区域，此系统主要由滚边底模 及定位夹紧部分组成；滚轮系统是负责折边、滚边的部分，它由各种不同形状 的滚轮组合而成。由于滚边技术本身的特点，滚边过程一般分2 - 4 次完成，因 此滚轮通常设计为9 0 。轮、6 0 。轮、3 0 。轮、成型轮或专用特殊轮：机器人及 控制系统主要用于控制滚轮的运动轨迹，以及机器人与其他相关系统之间的通 信；安全防护系统主要是防止工作人员受到不必要的伤害等作用。 幽2 - 9 机器人滚边系统工作站 图2 - 9 是机器人对汽车车门的滚边三维示意图，从图中可以看出，在机器 人完成某一边汽车车门的滚边作业之后，机器人通过自身的转动立刻进入对立 面车门的滚边作业。在实际情况中，同一台机器人可能通过使用不同的程序实 1 2 现更多的包边作业，很大程度上提高了生产效率，降低了成本，节省了传统笨 重设备的占地面积，且机器人滚边噪声低、安全性高，一定程度上也改善了操 作人员的工作环境。当车型发生改变时，只需对夹具和胎膜进行更换，再选用 合适的滚轮，即可对新车型进行机器人滚边作业，有效地提高了产品的市场竞 争力。总之，利用机器人进行滚边作业，在实现柔性化的同时又极大的提高了 生产效率。 2 4 机器人滚边的缺陷分析 机器人滚边质量的影响因素是多种多样的，综合起来主要有以下几个部分 组成：滚边压力、滚边角度、滚边工具、板件公差材质形状厚度、胎膜质量、 工件定位精度、滚边速度等。机器人滚边对工件定位精度、滚边工艺的合理性、 滚轮及工件加工制造的精确性等都有很高的要求。下面主要阐述在生产应用中 的滚边缺陷类型，并提出相应的改进措施，提高滚边的质量。 2 4 1 尖角上翘 尖角上翘是指发动机舱盖后部尖角处滚边结束后，发舱盖外板与胎模不贴 合1 2 5 】或超出一定的范围，如图2 10 所示。此缺陷产生主要是因为： ( 1 ) 工件尺寸和夹具定位精度不合格。经过冲压之后的板件在进行机器人 滚边作业之前，需检测其尺寸精度是否合格，检测方法是观察板件是否能够与 胎膜完全贴合，且板件内板边缘线是否与外板需翻折边边缘线距离符合滚边要 求，一般距离为1 1 5 m m ；夹具的定位精度也极为重要，若夹具定位精度不符 合要求，则板件尖角处的应力变化就会引起板件尖角上翘的现象。 ( 2 ) 板件结构。板件的结构也是影响产生尖角上翘的一个重要因素，根据 已有理论，板件在其边缘或者尖角处的强度最差，在机器人滚边时，滚轮经过 尖角处很容易产生板件的应力不均匀，导致局部位置应力集中，从而产生尖角 上翘变形，此时可通过给尖角处设置加强筋，增强尖角处的结构强度，以避免 此类缺陷产生。 图2 - 1 0 尖角上翘 2 4 2 波浪起皱 波浪起皱一般以外形曲率变化急剧处最为显著。出现此缺陷的主要原因： ( 1 ) 滚轮滚边压力设置不纠26 1 。汽车车门板件刚性比较差，在板件的弯曲 成形过程中，如果滚边压力设置不均匀，板件的内部由于受到的应力不相同， 就会产生波浪起皱现象，这时可以采取的措施是：适当改善终包边过程中滚轮 的压力值，以改善板件产生波浪起皱部位的受力情况。 ( 2 ) 外板件的翻边角度和长度设置不当。翻边角度设置太大会引起贴合不 严，而翻边长度设置较大则会导致板件在翻折过程中产生的内应力无法得到释 放，从而引起波浪起皱。一般情况下，水滴型包边的翻边长度为1 2 m m - 1 6 r a m ， 普通包边的翻边长度不大于1 0 m m 。 2 4 3 包边失效 包边失效是一种严重的质量缺陷，它产生的原因是外板件将内板件挤出， 或内外板之间间隙过大【2 7 】且翻边长度较小，导致外板件无法包裹内板件的现 象。这时可以采取的措施是：在冲压件模具设计之前，应确保翻边角度和翻边 长度符合机器人滚边的要求，此外还需满足内外板压合后的重叠度要求，一般 重叠度需大于3 r a m ，否则就会出现外板件无法包裹内板件的现象。在选择好合 适的翻边长度和翻边角度后，适当降低滚边压力也是避免产生包边失效的一个 有效方法。 2 4 4 外观质量缺陷 机器人滚边作业完成后，有时板件的边缘会产生包边圆角、缩进、胀大等 外观质量缺陷，如图2 1 1 所示。产生外观质量缺陷的原因主要是因为滚边压力 及滚边轨迹等调试不合格，这与现场调试人员的经验水平和方法有关。此外， 滚边压力设置的不合理，滚轮与板件边缘的不平行等因素都会导致产生以上诸 多缺陷【2 引。因此调试时需调试人员综合考虑多方面的因素，逐一查找缺陷的根 1 4 本原因，即可有效避免外观质量缺陷问题再次出现。 图2 1 1 外观质量缺陷 2 5 本章小结 本章通过结合汽车门盖产品的结构，阐述了门盖包边工艺过程，并对包边 工艺的不同类型作了较为详细的概述，最后介绍了机器人滚边工艺过程及其滚 边系统组成，并引出了机器人滚边中的缺陷分析，提出了相应的改进措施。 1 5 第三章有限元数值模拟理论与软件工具 3 1 引言 数值模拟方法的解题思想是首先对一个无限自由度且连续的微分方程的求 解域进行离散化，其次对原先在边界上处处满足边界条件、在求解域内处处满 足场方程的解析要求降低为在给定的离散点上满足由边界条件和场方程所导出 的一组代数方程的数值解，这样就变成了一个有限自由度且离散的问题。 数值模拟方法的种类主要有两种，一种为有限差分法，另一种为有限单元 分析法【2 9 3 0 】。有限单元分析法或称有限元法，其根本特点是将离散化后的物体 结构划分成有限个小的单元体，再根据单元材料的属性用符合要求的插值函数 去描述其特性，由于单元体尺寸的不断缩小，近似的数值解将越来越逼近精确 解。有限元法适用于不连续的载荷条件和边界条件【3 1 1 。 对于金属塑性成形，有限元法可分为固体型和流动型，其具有的特点如下 所述： 固体型有限元法是小变形和大变形弹塑性有限元法的总称。弹塑性有限元 法同时考虑弹、塑性变形，其中弹性变形利用胡克定律，塑性变形利用m i s e s 屈服准则和p r a n d t l r e u s s 方程。小变形理论是小变形弹塑性有限元法的理论基 础，其适于对金属塑性成形初期进行分析，有限变形理论则是大变形弹塑性有 限元法的理论基础，其中大转动和大位移对有限元计算的影响是大变形过程中 的一个重要特性。采用弹塑性有限元法分析板件成形过程，不仅能够按照变形 路径得到变形体的应变、应力分布规律、塑性区的变化以及几何形状的变化， 而且还能有效的计算工件的变形以及工件的回弹、残余应力应变分布，即卸载 问题【3 2 】。 流动型有限元法则是刚粘塑性有限元法和刚塑性有限元法的总称。流动型 有限元法没有考虑弹性变形，l e v y m i s e s 方程【3 3 】是其本构方程，满足体积不变 条件，并采用率方程描述，变形后物体的形状通过在离散空间上对速度积分而 得到，从而避开了有限变形中的几何非线性问题。且由于这种有限元法没有考 虑弹性变形，故不能对卸载问题和残余应变、应力【3 4 】问题进行分析计算。 3 2 有限单元法的解题步骤 利用有限单元法解决实际问题，一般有以下七个步骤 3 5 - 3 6 】： ( 1 ) 建立积分方程：根据变分原理建立与微分方程初边值问题等价的积分 方程，这是有限单元法的重要步骤。 ( 2 ) 单元划分g 根据求解区域的形状等特点，将区域划分为若干互相连接 且不重叠的单元。注意需将计算单元和节点进行编号，节点的位置坐标也要确 1 6 定，同时还需要列出本质边界和自然边界的节点序号和相应的边界值。 ( 3 ) 确定单元基函数【3 7 】：根据区域单元中节点数目和对近似解精度的要求， 选择满足一定插值条件的插值函数作为单元基函数。 ( 4 ) 单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式 进行逼近；再将近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得单元 有限元方程。 ( 5 ) 总体合成：将区域中所有单元有限元方程按一定法则进行累加，形成 总体有限元方程。 ( 6 ) 边界条件的处理：对于自然边界条件，一般在积分表达式中可自动得 到满足，而对于本质边界条件和混合边界条件【3 引，需按一定法则对总体有限元 方程进行修正满足。 ( 7 ) 解有限元方程：解经过边界条件修正且含所有待定未知量的封闭方程 组，便可求得各节点的函数。 3 3 有限元模拟工具一一a b a q u s 3 3 1a b a q u s 系统简介 a b a q u s 以非线性有限元分析软件而闻名，它不同于其它的线性有限元分 析软件，例如a n s y s 等软件【3 9 1 。非线性有限元分析软件的作用之所以越来越 大，就在于用线性有限元分析软件已不能近似分析很多材料非常复杂的情况。 例如，一个复合材料就不能用传统的线性分析软件进行分析【4 引。任何与时间有 关联，有较大位移量的情况都不能用线性分析法来处理。多年前，虽然非线性 有限元分析软件能合适准确的处理某些问题，但是由于计算设备的能力有限、 非线性有限元分析软件的线性分析功能不够健全，故通常采用线性处理的方法。 现如今，由于计算机设备能力的大幅提高，类似a b a q u s 这样的有限元 分析软件的功能日臻完善，上述情况已经得到了明显的改善，利用非线性有限 元分析来处理问题变得同益广泛。这类软件在同一个软件包、同一架构中，不 仅能够进行线性分析，而且还可以进行非线性分析。已经能够做很多种不同类 型的非线性分析，包括孔隙渗流应力耦合、热电耦合分析、传热分析和响应频 谱分析等，还可以分析很多种复合材料，为当今制造企业的产