（机械制造及其自动化专业论文）自动冲压线中端拾器的设计及其运用.pdf

摘要 摘要 本论文以轿车冲压线为研究对象，以虚拟制造技术为核心，分析了冲压线 系统的功能和结构，建立和完善了一个汽车自动冲压线的虚拟系统。此系统以 端拾器的选点和设计装配为关键点，以v b 对c a t i a 的二次开发为实现途径，以 动态碰撞仿真和试验台架为检验手段，实现和完善汽车自动冲压线中端拾器的 自动化设计，并在工业生产中实际运用。具体内容如下： 1 在当前汽车制造技术的背景下，介绍和分析虚拟制造、智能化设计的发 展状况，并在此基础上研究了汽车自动冲压线中端拾器自动化设计的问 题及其如何建立了冲压线的虚拟仿真环境。 2 研究和探讨虚拟装配和成组技术的理论和发展趋势以及在冲压线设计 中的应用，为建立虚拟冲压线提供理论基础和方法。特别是详细地研究 探讨了虚拟装配的涵义、虚拟装配技术在c a d 中的实现途径、成组技术 的定义及其它在设计中运用的两个关键点。 3 介绍和分析了虚拟冲压线系统的架构。从系统分析建模、端拾器的自动 化设计、系统仿真校核等方面详细介绍了系统的开发和实现流程。其核 心为每个流程的关键技术，如参数化建模、骨架模型、成组技术和机器 人姿态方程在端拾器设计中的运用等。 4 建立了端拾器的试验台架，对端拾器的动静态力学特性进行实验研究， 为优化吸盘安装点位置和端拾器的构型提供试验依据。即根据试验台架 要求，结合机械、气动、传感器、信号采集技术，设计和组装台架。 5 在理论分析的基础上，利用v i s u mb a s i c6 0 、m a t l a b7 0 等开发工 具，对c a t i av 5 进行二次开发，从而实现整个系统。 关键字：端拾器，t o o l i n g ，虚拟冲压线，智能设计 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nc a rp r e s sl i n e ，t a k i n gv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y a st h ec o r ea n da n a l y z i n gt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fp r e s sl i n e ，t oe s t a b l i s ha n d m o d i f yav i r t u a la u t o m o b i l ep r e s sl i n es y s t e m t h i ss y s t e mi sb a s e do ng r o u p e d t e c h n o l o g ya n df e a t u r ec o d i n g , t a k i n gv i r t u a la s s e m b l ya n dp o i n te l e c t i o n sa st h ek e y p o i n t ，t a k i n gs e c o n d a r yd e v e l o p i n gc a t i av ba sr e a l i z i n gw a y s ，t a k i n gd y n a m i c c o l l i s i o ns i m u l a t i o na n dt e s tb e n c ha st h ei n s p e c t i o nm e a n s ，i no r d e rt or e a l i z ea n d p e r f e c tt h ei n t e l l i g e n td e s i g no ft o o l i n gw h i c hi si nc a rp r e s sl i n e ，a n di t st h ep r a c t i c a l u s e ：i ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ( 1 ) i nc u r r e n ta u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa n d a n a l y z e st h ed e v e l o p i n gs t a t u so fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga n di n t e l l i g e n td e s i g n d e v e l o p m e n t o nt h i sb a s i s ，b r i n g sf o r w a r dt h ei s s u eo ni n t e l l i g e n td e s i g no ft o o l i n g i nc a rp r e s sl i n ea n de s t a b l i s ht h ec o r r e s p o n d i n gv i r t u a le n v i r o n m e n t , e x p o u n d st h e s i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t ( 2 ) t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n de x p l o r e st h et h e o r ya n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f v i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga n di n t e l l i g e n td e s i g n i tp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sa n dm e t h o d s f o re s t a b l i s h i n gt h es y s t e m i np a r t i c u l a rt or e s e a r c hi nd e t a i lt h em e a n i n go ft h e v i r t u a la s s e m b l y , t h er e a l i z a t i o nw a yt ov i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g yi nc a d ，g r o u p t e c h n o l o g yi nt h ed e f i n i t i o na n dt w ok e yp o i n t si nt h ep r a c t i c a ld e s i g n ( 3 ) i n t r o d u c t i o na n da n a l y s i s t h es t r u c t u r eo fv i r t u a lp r e s sl i n e i n t r o d u c e e s t a b l i s h m e n to ft h ef l o ws y s t e m ，t h a ti s ，t h r e e p h a s es y s t e m s ：a n a l y s i sm o d e l i n g s t a g e ，t o o l i n gi n t e l l i g e n td e s i g ns t a g e ，s y s t e ms i m u l a t i o nc h e c k i n g f o re a c hs t a g eo f t h ee s t a b l i s h m e n t , t h ek e yt e c h n o l o g yi se l a b o r a t e di nd e t a i l s s u c ha sp a r a m e t r i c m o d e l i n g ，s k e l e t o no fm o d e l ，g r o u pt e c h n o l o g ya n dr o b o t p r o f i l ee q u a t i o ni nt h e d e s i g no ft o o l i n g ( 4 ) s e tu pt h et e s tb e n c hf o rt o o l i n g t or e s e a r c hs t a t i ca n dd y n a m i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft o o l i n g , i no r d e rt oo p t i m i z et h ei n s t a l l a t i o nl o c a t i o nc u p u l ea n d c o n f i g u r a t i o n so ft o o l i n g b a s i so l lt h er e q u i r eo ft e s tb e n c h , c o m b i n i n gm e c h a n i c a l ， p n e u m a t i c ，s e n s o r s ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，d e s i g na n da s s e m b l et h eb e n c h ( 5 ) i nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s , u s i n gv i s u a lb a s i c6 。o ，m a t l a b7 0 ，a n d n a b s t r a c t o t h e rd e v e l o p m e n tt o o l sf o rs e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc a t i av 5 ，i no r d e rt oa c h i e v e t h ew h o l es y s t e m k e yw o r d ：t o o l i n g , v i r t u a lp r e s sf i n e ，i n t e f l i g e n td e s i g n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、 数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位 论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 e 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 背景 第1 章绪论 制造业是当代科学技术发展极其活跃的领域。先进制造技术是传统加工技 术和众多学科的综合产物，成为一个国家发展水平的重要基础和衡量标准之一。 也可以说国际国内的经济竞争，归根到底还是制造技术水平的竞争【9 j 。因此各 个国家都把先进制造技术列为国家的高新关键技术和优先发展的项目，给予了 极大的重视和关注。 众所周知，第一次世界大战后，美国的福特( h f o r d ) 和斯隆( a s l o a n ) 提出了流水生产线的构思，开创了世界制造工业的新纪元，把欧洲企业在几个 世纪中所采用的单件生产方式，转变为大量生产方式，使美国迅速成为工业发 达国家。然而，在7 0 年代，美国同其他许多国家一样把传统制造业比做“夕阳 产业”，力图将经济发展的中心转向以服务为主的第三产业。因此在这样的背景 下，美国制造业也受到影响，其国际竞争力严重削弱，以致到二战后的最低点。 至此可以看出，在当今国际形势下，制造能力成为一个国家国际竞争的核心能 力之一。 随着人们对生活水平、生活质量的不断追求，在计算机技术、信息技术、 网络技术飞速发展的契机下，制造技术也发生的翻天覆地的改变。制造技术由 传统的机加工制造变成由信息技术、网络技术、现代管理技术和系统工程的有 机融合体。逐渐形成以网络技术为主线、能适时动态响应客户需求，具备全球 化、智能化、集成化、并行化与敏捷化等特征的新一代先进制造技术1 2 j ( a 舯， a d v a n c e dn a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 。 制造业的生产方式沿着“小批量一多品种一多品种变批量”的方向发展， 制造技术也沿着“手工一机械化一单机自动化一刚性流水自动化一柔性自动化 一智能自动化”的方向发展。敏捷制造、虚拟制造等新的概念、新的生产方式 以及新的生产模式相继出现，企业的柔性和快速响应市场的能力成为市场竞争 力的主要标志之一。在强调柔性和快速响应市场需求变化的要求下，虚拟制造 迅速得到科技界和企业界的极大重视。 第1 章绪论 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 是以制造技术、计算机技术支持的系统 建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人 工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高新技术为一体，由多学科知识形 成的一种综合系统技术【l o l 。它将现实制造环境及其制造过程通过建立系统模型映 射到计算机及其相关技术所支撑的虚拟环境中，并在虚拟环境下模拟现实制造 环境及其产品制造的全过程，并对产品制造过程及制造系统的行为进行预测和 评价。虚拟制造的研究正越来越受到重视。如：美国政府制定的t e a m ( 敏捷制造 使能计划) 包括5 个重点研究领域，虚拟制造是其中之一。 然而作为虚拟制造系统重要组成元素一人工智能也得到很大的发展，也是 以后制造业的发展趋势。有人预言下一世纪的制造工业将由两个“i ”来标识， 即i n t e g r a t i o n ( 集成) 和i n t e l l i g e n c e ( 智能) l 1 2 | 。 在虚拟制造系统中，人工智能的元素越来越多，对此进行的研究开发活动 也越来越活跃。如目l j 世界上i m s 计划，提出智能完备制造系统h m s ( h o l o n o m i c m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，删s 是由智能完备单元复合丽成：其底层设备具有开放、 自律、合作、适应柔性、可靠、易集成和鲁棒性好等特性。目前世界上刚刚出 现的虚拟轴机床，变革了传统机床的工作原理，其性能上有许多独特优势，特 别是有利于实现车间内各虚拟轴机床的控制和集成1 1 4 1 。 1 2 该设计领域的研究现状 自动冲压线中的端拾器由主、副杆和真空吸盘等标准件组成的柔性可装配 组合夹具( 详细细节可参考3 4 2 ) 。这种富于柔性能在短时间内由标准零部件组 装完成的组合夹具，己受到普遍的青睐。对其的设计的要求也随着制造技术发 展而不断提高。8 0 年代中期以来，从计算机辅助夹具设计逐渐转换为自动化、 智能化夹具设计。 c a d c a m 技术自本世纪6 0 年代问世以来，在各行各业都得到了广泛的应用， 并且收到了良好的生产效益，被誉为是自电力发明以来最具生产潜力的技术手 段。作为计算机辅助机械设计的一个重要方面，计算机辅助夹具设计也得到了广 泛的重视【4 j 。美国、德国、英国、日本、前苏联和新加坡等国的学者对组合夹具 的c a d 研究，都做了大量工作，也取得了令人瞩目的成就。例如美国密歇根州工 业技术研究所m v g an d n i 等研制的相变式夹具，德国斯图加特大学 2 第1 章绪论 t u f f e n t s a m 叮e r 教授研制的数控可调式夹具，以及德、美、俄及我国均生产并有 商品出售的组合夹具等1 5 j 。我国的科技工作者在国家8 6 3 计划，国家自然科学基 金等的资助下对制造系统夹具设计与制造理论也展开了许多研究，如刘飞等定义 了制造系统的夹具系统并对夹具系统的设计原则进行了研究1 5 i ；潘尚峰等对c i m s 环境下夹具快速准备的重要性进行了研究，并提出了提高夹具快速准备性的措施 嗍；李培根等正在进行敏捷夹具的建模与计算机辅助构形设计的相关研究工作。 在计算机辅助夹具设计的早期研究中，有一个突出的特点，那就是在计算 机辅助设计过程中大多数采用人机对话的交互方式，这种设计过程对设计人员 的素质要求较高，设计质量的好坏在很大程度上取决于设计人员的组装水平， 即限制了设计效率和设计水平的提高。基于此，人们开始了智能化计算机辅助 夹具设计系统的研究。 在人工智能( a i ) 技术应用于夹具设计的过程中，各国专家普遍认为，计算 机辅助央具设计的最佳方法是利用专家系统( e x p e r ts y s t e m ) i x 4 l 。专家系统是人 工智能从一般思维方法探讨转入专门知识运用的重大突破。另一个刺激央具智 能化设计的原因是，组合夹具组装人员老化现象严重。在英国这种人才平均年 龄为5 8 岁，美国为5 5 岁，我国也超过了4 5 岁。如果仅采用传统的夹具c a d 系统， 就无法有效地将设计组装经验知识继承下来。这就客观上要求必须采取专家系 统的方法来建构智能化的组合夹具c a d 系统实现人类知识共纠7 l 。因此，夹具设 计专家系统的实质就是把夹具设计领域中的专业知识和优秀组装工的经验、技 巧进行总结归纳，形成一整套理论上正确并富有丰富经验知识的组装规则，并 把它存储到计算机中去，然后利用这些由夹具专家知识构成的规则自动设计出 组装方案。 在夹具的智能设计方面，自1 9 8 0 年法国e n g r a n d 和l a t o m b e 用m a c l i s p 语言成 功开发夹具专家系统以来，众多研究者发表了许多研究成果。近几年来随着计 算技术的发展，国外纷纷开展组合夹具计算机辅助规划的研究，力求建立基于 人工智能的组合夹具规划专家系统，并将工件设计、加工规划和夹具规划结合 起来。国外已有不少应用于柔性装配的组合夹具规划软件系统，如在s g i i 作站 上运行的3 d m a r 系统，它带有精确的分析系统，功能非常全面、强大，以进行 装配任务规划和夹具规划。国内夹具相关的研究开始于8 0 年代中期，近年发表 的研究成果有宋玉银等在8 6 3 计划资助下进行的“面向并行工程的计算机辅助夹 具设计技术研究”、华南理工大学邵明发表的“可重组自动装配夹具编码及智能 3 第1 章绪论 规划专家系统的研究”掣引。 1 3 课题研究目的及意义 随着汽车在中国竞争的白日化，降低制造成本和快速适应市场的变化成为 汽车制造商在竞争中脱颖而出的制胜法宝。 众所周知，冲压、白车身、总装和喷涂是现代汽车制造生产中重要的四大 工艺。然而汽车的车身，车架，车厢，都需要经过冲压才能形成。所以冲压的 制造工艺水平，制造质量，直接影响汽车制造质量及制造成本。目前我国轿车 车身冲压生产线整体水平较低，传统冲压线的设计和调试还局限于对物理冲压 机和整线进行目测估计和手动调节，这种方法不仅浪费资源，精确度不高，而 且也延长了整线设计的时间，不能满足现代市场对产品的开发时问较短的要求。 因此采用虚拟制造技术，在计算机虚拟环境下对轿车车身冲压线进行研究，对 提高轿车冲压设计方法有着十分重要的意义。 本课题由上海大众汽车股份有限公司提出，目标是设计一套虚拟冲压生产 线系统。该系统主要内容： 1 ) 对1 8 条压机线的设备进行三维建模，并对其数据可进行数据浏览、查询 以及用户权限管理； 2 ) 端拾起的智能化设计，设计结果和b o m 的提交。其数据也可进行浏览、 查询以及用户权限管理； 3 ) 冲压线的动态碰撞仿真，干涉报表的输出；试验台架的力学仿真，试验 结果的查询。 1 4 主要工作内容 虚拟生产线实际上是虚拟装配、智能设计的重要组成部分，通过仿真技术 对生产线进行设计并对其性能进行评价。本文所讨论的仅仅是其应用的一个实 例：虚拟制造与智能设计在轿车冲压生产线中的端拾器智能化设计上的应用， 同时也详细讨论了本文所涉及的相关理论与技术基础。 本论文的主要内容包括基本理论与技术，虚拟冲压线系统架构、关键技术 与理论以及端拾器智能化设计结果的校合和修正模块三部分工作。 4 第1 章绪论 论文共分为五章： 第1 章：绪论，在制造全球化的背景下，介绍虚拟制造和智能化设计的国 内外发展状况。然后对论文涉及到的课题目的、意义以及主要工作进行了介绍。 第2 章：虚拟装配和成组技术，讨论了在c a d 技术背景下的虚拟装配和成 组技术的相关理论，为后续章节打下理论基础。 第3 章：系统的开发及其关键技术，详细介绍系统的构架，开发流程及其 主要组成部分，并探讨和研究其关键技术。 第4 章：系统的实现，介绍系统实现的途径，软硬件环境、实现的结果。 第5 章：总结和展望，总结了全文的工作，并对以后的工作发展提出了一 些建议。 l第l 章绪论 上 l第2 章虚拟装配和成组技术 0 l第3 章系统的开发及其笑键技术 上 l第4 章系统的实现 i第5 章总结和展望 图1 1 论文的总体结构 5 第2 章虚拟装配和成组技术 2 1c a d 技术 第2 章虚拟装配和成组技术 c a d 技术从产生至今已有4 0 多年历史，先后经历了二维计算机绘图、三维 线框造型、曲面造型、实体造型、参数化设计和特征造型等几个发展阶段。从 整个发展历程来看，传统的c a d 技术已经走向成熟，并且在产品制造业以及其 他领域中广泛应用。随着计算机硬件环境的不断改善、先进科学的计算方法不 断出现、工业产品设计与制造等需求的大力推进，c a d 技术也在不断地发展和更 新。 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代是c a d 技术的开创时期，计算机图形显示设备和 计算机图形学理论为c a d 技术的最初研究奠定了基础。1 9 6 2 年美国麻省理工学 院林肯实验室的i v a ns u t h e r l a n d 开发了s k e t c h p a d ，并发表了题为“人机通信 的图形系统”的博士论文，从此确立了交互式计算机图形学的研究地位，c a d 技 术也正是伴随交互式计算机图形学的发展而得以发展。初期c a d 技术的含义与 功能仅仅是由计算机代替繁琐的手工绘图，且以二维绘图为主，仅有的几种三 维c a d 软件也只有线框造型功能。 在2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，由于国际航天和汽车工业的蓬勃发展，遇到 大量的自由曲面造型问题，因此自由曲面造型和实体造型技术获得了快速的发 展，美国的c o o n s 和法国的b e z i e r 先后提出了新的曲面算法。此时，研发了一 批c a d c a m 软件系统应用于工业。1 9 7 7 年，法国达索公司开发出具有代表性的 三维曲面造型系统c a t i a ，为c a d 带来了一次新的技术革命。随后，为了解决 c a e 问题，开发出采用基本体素( 如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及 扫描体等) 和布尔运算来构造三维模型的实体造型软件。1 9 7 9 年诞生了世界上 第一个完全基于实体造型技术的软件i d e a s 。 2 0 世纪8 0 至9 0 年代，微机系统的普及，参数化技术和特征造型技术的发 展，使得c a d 技术又发生了一次飞跃。如1 9 8 2 年美国a u t o d e s k 公司展示了全 球第一个基于p c 的c a d 软件 u t o c a d ，与此同时，有很多人提出基于特征、 全数据相关、尺寸驱动的参数化设计方案。1 9 8 5 年美国的p t c 公司，研制出了 参数化设计软件p r o e n g i n e e r ，率先提出并实现了尺寸驱动零件设计的设 6 第2 章虚拟装配和成组技术 计思想。9 0 年代中期，s o l i d w o r k s 公司发布了s o l i d w o r k s 软件，l a t e r g r a g h 发布s o l i d e d g e 软件，成为微机系统的参数化特征造型的后起之秀。 9 0 年代至今，计算机软硬件技术急速发展，尤其是计算能力的大幅度提高， 对c a d 技术产生了巨大的影响，推出了基于特征和基于历史的三维参数化设计 系统、全关联的并行设计软件、提供对复杂产品全生命周期的解决方案以及制 造企业所使用的三维c a d 、c a m 、p d m 、c a e 和数字化制造等模块。 随着计算机技术的飞速发展和工业等领域对c a d 的应用需求，未来的c a d 系 统和c a d 技术需要研究和解决的重点在于并行工程与协同设计、用户接口的智能 化和人性化、产品数据共享等方面p i 。 2 2 虚拟装配与c a d 虚拟装配( v i r t u a l a s s e m b l y ) 是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟 技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。通常有2 种定义： ( 1 ) 虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析 产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定 位、分析过程。 ( 2 ) 虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维 装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验 产品的可装配性。 虚拟装配技术是在c a d 技术支持下，在虚拟环境中完成对产品的总体设计进 程控制并进行具体模型定义与分析的过程。它可有效支持自顶向下的并行产品 设计以及与m a s t e rm o d e l 相关的可制造性设计和可装配性设计，以缩短产品开发 周期。 2 2 1 虚拟装配技术 虚拟装配( v i r t u a l a s s e m b l y ) 是产品数字化定义中的一个重要环节，是根据 产品设计的形状特性、精度特性，模拟真实产品三维装配的过程，并允许用户 以交互方式控制产品的虚拟装配过程，以检验产品的可装配性【2 1 p o 。 虚拟装配的内涵包括下面三个方面： 7 第2 章虚拟装配和成组技术 ( 1 ) 以设计为中心的虚拟装配 以设计为中心的虚拟装配( d e s i 髓c c n t e r e dv i r t u a l a s s e m b l y ) 是指在产品 三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品研制的具体情况，突出以设 计为核心的应用思想，这主要包括以下三个内容。 1 ) 面向装配设计( d e s i g nf o r a s s e m b l y ，d f a ) 产品研制过程是一项复杂的跨学科、跨部门的系统工程，需要在产品研制 初期即设计阶段进行总体的协调，主要是对产品协同工作进程的可行性与合理 性分析，并且进行产品主体结构物理装配方案评价s 传统的设计过程与装配过 程严重脱节，需要采用面向装配( d f a ) 的设计方法，即在设计初期把产品设计 过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面 向产品装配过程的设计思想，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行物 理装配，能在产品研制初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。 2 ) 自顶向下( t o p d o w n ) 的并行产品设计 基于并行产品设计的装配技术支持自顶向下的设计方法，通过自顶向下的 并行产品设计可以分层次地建立统一的产品动态电子样机。 并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行设计，强调开发人 员从一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素 的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现，以缩短产品开发周期， 降低产品成本，提高产品质量。 并行产品设计的重点是多个产品开发组( i n t e g r a t e dp r o d u c tt e a m ，i p t ) 协 同地并行设计，要求分布在不同地点、不同部门的产品设计工程师突出以产品 为核心的设计思想，从不同角度、不同需求出发进行并行设计。 3 ) 与主模型相关的可制造性设计和可装配性设计 产品研制不同阶段的主模型( m a s t e rm o d e l ) 提供了一个面向设计群体的装 配设计环境，使得设计群体中每个成员的设计从产品设计的开始就被有效地控 制在最终产品可装配的范围之内，并且突出以产品为核心的设计思想，保证产 品设计工程师的工作与整个产品的进展过程相关联，部件模型的变化将只反映 到相应的装配部件上，从而保证了模型数据的集成性，避免了设计工作的重复。 同时，产品研制是多部门的协同工作过程，主机厂与辅机厂的合作往往受到各 个企业的生产条件等方面的限制，结合各个企业的可生产能力和生产特性，改 进产品设计模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型， 8 第2 章虚拟装配和成组技术 减少材料种类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的。以不同阶段的 主模型为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研 制的各个部门协同工作，实现c a d c a m c a e 系统的高度集成，有效地提高产 品可制造性和可装配性。 ( 2 ) 以过程控制为中心的虚拟装配 以过程控制为中心的虚拟装配( p r o c e s s - - - c e n t e r e dv m u a la s s e m b l y ) 主要包 含以下两方面内容。 1 ) 实现对产品总体设计进程的控制 在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，我们人为地将虚拟装配技 术应用于产品设计过程划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段、详细 设计阶段。通过对三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的控制，虚 拟装配设计流程。 2 ) 过程控制管理 过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程问的协作 等方面内容。希望通过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产 品设计结果和加工工艺等产品相关信息的管理，从而实现优化产品开发过程的 目的。 ( 3 ) 以仿真为中心的虚拟装配 以仿真为中心的虚拟装配( s i m u l a t e - - c e n t e r e dv m u a la s s e m b l y ) 是在产品 装配设计模型中溶入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程，其主要目标是 评价产品可装配性。 1 ) 优化装配过程 主要是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能 并行地进行装配。 2 ) 可装配性评价 主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设 计是否需要修改。 本论文所讨论的虚拟装配定义为：无需产品或支撑过程的物理实现、通过 分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具或辅助与装配有 关的工程决策。详细流程如图2 1 所示 9 第2 章虚拟装配和成组技术 否 图2 1 虚拟装配流程 2 2 2 虚拟装配技术在o n ) 系统中的运用 随着计算机技术、c a d 技术的发展，以及虚拟技术在c a d 中的应用，虚拟装 配技术得到了产生和发展。虚拟装配是在计算机上建立起如同真实样机的直观 1 0 第2 章虚拟装配和成组技术 可视化的三维数学几何模型，然后在虚拟环境下对零件装配，情况进行干涉检 查。 目前在c a d 系统中，虚拟装配普遍所采用的是“引用”( 或称为“借用”) 方 法，所谓“引用”，指在实现模型装配时，通过记忆零部件在装配模型中的各自位 置，且在需要时才装入组件，而不是将所有组件全部真实送入装配模型。组件送 入装配模型后，装配模型记录的是组件的最新版本( 而不是过时版本) ，当零部件 修改后，装配模型会自动地更新。这样，既节省了大量的工作，也为“并行工程” 的开展提供了技术基础，装配模型所引用的各零部件可以储存于各用户的计算 机、中心文件服务器或可通过网络的任何地方，使得团队协同作业( t e a mw o r k ) 成为可能。 由上可知，三维数据和产品结构数据的合理管理和流动是实现虚拟装配的 基础。装配件设计实际上是提供一个大的容器，来放置更多与设计相关的零部 件，以来组成一个装配体，而这些装配体仅仅是储存相关零部件三位模型的路 径和相互之间的装配定位关系，以此来实现产品的整合。c a t i a ，u g ，p r o e 的 虚拟装配件设计平台就是基于这个原理来实现零件产品的数据管理和产品组装 的。 2 3 成组技术 2 3 1 成组技术的定义 现代科技以f 1 新月异的速度发展，新产品层出不穷，产品的市场寿命大大 缩短。顺应客户需求的变化，迅速作出反应，己经成为压倒一切的竞争因素。 用户需求的多样化和个性化已经逐渐成为世界的潮流。因此，市场上涌现出越 来越多具有很多相同特征的产品簇。然而传统的设计制造方法是单一产品孤立 的设计制造方式，几乎每个产品都是重新开始设计制造，造成大量的资源无法 利用，导致新产品开发制造周期长。并随着用户对产品的个性化要求的强化， 重复劳动日益增多1 1 9 j 。 在这种背景下，成组技术孕育而生。成组技术( g t - g r o u pt e c h n o l o g y ) 揭示和 利用事物日j 的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法 进行处理，以便提高效益的技术1 1 8 1 。 1 1 第2 章虚拟装配和成组技术 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 是从成组工艺发展起来的，是一种通过把许多 形状、尺寸或工艺路线相似的各种零件和产品进行分组处理，从而提高生产批 量的技术。然而，现在这种思想不仅仅局限使用于产品的制造领域中，而是广 泛地运用于不同领域中，例如：产品设计，产品装配、生产组织管理等等。实 践证明，成组技术的基本原理是符合辩证法的，它可以作为指导产品设计、生 产和管理的一般性方法，并在这些领域取得了显著成效。 由上可知：成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 是一门生产技术科学，它研究如 何识别和发掘生产活动中有关事务的相似性，并对其进行充分利用。即把相似 的问题归类成组，寻求解决这一组问题相对统一的最优方案，以取得所期望的 经济效益i “j 。 2 3 2 成组技术在设计装配上的运用 研究传统设计装配可以发现，其设计方法是对单一产品孤立的设计方式， 几乎每个产品都是重新开始设计，造成大量的资源无法利用，导致新产品开发 周期长。然而，随着市场个性化要求增多，具有很多相同特征的产品簇的出现， 如果还按老的设计思路，将导致大量的重复劳动。因此成组技术运用在产品簇 设计上具有重要意义。 成组技术在设计上运用有两个关键点，一为零件的分类方法，即零件的归 类；二为同类零件的设计方法，即一组问题相对统一的最优方案i 刎。 基于成组技术的零件分类方法通常有以下两种： ( 1 ) 视检法；视检法是由有生产经验的人员通过对零件图纸仔细阅读和判 断，把具有某些相同特征属性的零件归结为一类。它的效果主要取决于个人的 生产经验，多少带有主观性和片面性。 ( 2 ) 编码分类法；按编码分类，首先需将待分类的诸零件进行编码，即将 零件的有关设计、装配构成等方面的信息转译为代码( 代码可以是数字或数字、 字母兼用) 。为此，需选用或制定零件分类编码系统。各个国家或大企业均有自 己的零件分类编码系统，比较典型的应用比较广泛的系统有捷克的v u o s o 系统、 德国的o p i t z 系统、日本的k k - 3 系统和我国的j l b i h 一1 系统；最后因为实现了零 件有关信息的代码化，所以就可以根据代码对零件进行分类。 需要特别提出的是，利用编码分类法，有助于计算机辅助设计和智能化设 第2 章虚拟装配和成组技术 计的实现。 然而，作为另外一个关键点同类零件的具体设计方法，就随着领域的不同 而千差万别。但通过仔细的研究，可以归纳出以下两种常用的方法： ( 1 ) 典型零件法：在一个零件族中，选择一个能包含这组零件全部的几何 特征的零件，作为典型零件，其设计流程和方法为该族零件的设计方法。 ( 2 ) 复合设计路线法：根据一个零件族中全部零件的设计方法，制订一个 能包含全部零件设计方法路线，作为该族零件的成组设计路线。 随着人工智能在设计中的运用，同类零件的设计方法也尝试着使用专家系 统作为复杂零件设计的智能化设计方法，智能化设计方法也将成为以后发展的 趋势。 2 4c a d 与p l m 系统 p l m ( p r o d u c tl i f em a n a g e m e n t ) 即产品全生命周期管理，是以制造企业的 产品为中心，以提升创新能力为目标，以信息技术和应用软件为手段，以企业 的知识型资产为重要资源的一种理念，一种面向知识管理和流程优化的理念。 在这种理念下，c a d 工具已经不能简单地看作一种产品开发工具，而应该看 成是一种思想和方法的载体。在p l m 过程中，或者说，p l m 理念的实施过程中， 传统的c a d 产品将集成到企业的产品设计、工艺、制造全过程当中。从而提升 c a d 技术的应用水平，实现产品信息的全程数据共享的协同作业环境。 圣经中有这样一则故事，诺亚子孙们想建一座城，城中建一座塔。人 们同心协力砌砖递瓦，塔很快直入云霄。此事惊动了上帝，上帝心中大为不悦。 天使对上帝说：人们协同一致，靠的是同一种语言，如今是建城建塔，往后做 起别的事来，就没有不成的了。上帝立刻决定变乱他们的口音，使他们语言彼 此不通。于是，语占乱了，塔顶的人喊破了嗓子，下边的人也不知道他要砖还 是要灰泥。协同工作的效率由此可见一斑。 p l m 的最终目的是让各种数据( 产品研发、设计、采购、生产、售后服务等) 在管理工具中使用同一种语言，互相通讯，协同工作，来提高企业生产效率和 产品创新效能。 作为p l m 的重要组成部分新产品研发设计部分，越来越得到重视。 新产品设计数据的管理不同于已有产品的数据管理，它是与新产品的设计 第2 章虚拟装配和成组技术 特点相适应的，其主要特点如下： 1 用户需求的不确定性。 在产品设计之初，根据用户提出的需求，确定了产品的技术系统，但由于 用户需求的模糊性，引起产品技术系统的不确定性，只有随着设计的逐步深入 才会渐渐明确，其问还有可能提出新的需求。因此，新产品的设计过程是一个 动态响应用户需求的过程，新产品的设计数据管理形式应支持这种循序渐进、 逐步明朗的需求变化。 2 新产品设计过程的反复性。 新产品设计过程实际上也是一种循序渐进、由粗到细的设计过程，在某种 情况下原先不合适的某一废弃设计可能需要重新考虑，返回到原先的设计状态 继续重新开始工作。所以，新产品的设计数据管理策略应能够支持产品设计中 的回溯或反复的功能。 3 产品设计中数据的复杂性。 由于在新产品设计过程中，需要新技术、新材料、专利等资料的支持，并 且在设计过程中产生大量的数据、报表、图纸等。这些数据类型多样且复杂， 并且需要对这些数据进行有效地管理，并支持对这些数据的建立、修改、查询 等操作。 新产品的设计是一个自上而下的过程。这个过程是一个贯彻并动态响应用 户需求的过程，同时也是一个通过动态修改产品结构树的过程。所以，在新产 品的设计研发阶段，让后续的制造，装配、质量保证的人员和客户利用共享的 资源来一起参与，在开发设计阶段就能发现后续的隐患，这将大大缩短产品的 研发和设计周期，快速地响应市场的变化，提高企业的核心竞争力。然而通过 对c a d 的二次开发并融合相关的技术可以打造一个贴合企业自身的设计平台， 并达到以上目的。 1 4 第3 章虚拟冲压系统的开发及其关键技术 第3 章虚拟冲压系统的开发及其关键技术 众所周知，冲压、白车身、总装和喷涂是现代汽车制造生产中重要的四大 工艺。然而汽车的车身，车架，车厢，都需要经过冲压才能形成。所以冲压的 制造工艺水平，制造质量，直接影响汽车制造质量及制造成本。目前我国轿车 车身冲压生产线整体水平较低，传统冲压线的设计和调试还局限于对物理冲压 机和整线进行目测估计和手动调节，这种方法不仅浪费资源，精确度不高，而 且也延长了整线设计的时间，不能满足现代市场对产品的开发时i 日j 较短的要求。 采用虚拟制造技术，在计算机虚拟环境下对轿车车身冲压线进行研究，对提高 轿车冲压设计方法有着十分重要的意义。 为了提供一个供设计工程师和现场安装工程师共同参与的直观、高效的设 计平台，可利用通过对c i a t i av 5 二次开发，建立一个与实际环境相匹配的虚 拟平台来满足要求。我们可称这个系统平台为虚拟冲压线。 。 此系统的核心：解决传统冲压线中的端拾器设计效率低下的问题。即在 c a t i av 5 的环境下，建立冲压线的虚拟环境，通过虚拟装配技术、成组技术、 仿真技术来解决此问题。 3 1 汽车冲压线介绍 2 0 世纪中全球汽车冲压线经历了五个阶段： 第一阶段：5 0 年代以前，采用台双动拉伸压力机打头和数台单动压力机 组成冲压流水线，手工上、下料完成大型覆盖件的冲压生产。生产效率低，人 身安全环境差，冲压制件质量差； 第二阶段：6 0 年代，还是采用一台双动拉伸压力机打头和数台单动压力机 组成冲压流水线。但为了降低体力劳动，减少操作人员人数，每台压力机都配 备了下料机械手； 第三阶段：7 0 年代，为全自动冲压生产线，即多台压力机配备拆垛装置， 上、下料机器人，压机中间翻转或穿梭传送装置等，再加上电控系统，就组成 了1 至2 人操作的全自动冲压生产线； 第四阶段：8 0 年代，由于多工位压力机的出现，采用一台双动拉伸压力机 第3 章虚拟冲压系统的开发及其关键技术 和一台多工位压力机组成冲压生产线。多工位压力机的主夹板机械穿入双动压 力机的模区，同时在双动压力机与多工位压力机之间配备有相应的翻转机械， 以完成