機器人滾壓包邊質(zhì)量缺陷的研究

1緒論1.1引言人們生活水平隨著社會的快速開展日益提高，同時，汽車工業(yè)的迅速開展，使汽車進(jìn)入小康家庭不再是人們的夢想。汽車的出現(xiàn)，不但可以擴大人們的日常活動范圍，也加快了人們的生活節(jié)奏，使得日益冷漠的社會多了些人與人之間溫暖頻繁的互動。所以,汽車成為人類必不可少的交通工具是社會進(jìn)步的必然趨勢。從汽車的問世到開展的百余年來看，人們對汽車的要求越來越高，從最初只需實用性、可靠性已提升到現(xiàn)今的美觀性、平安性、實用經(jīng)濟性等方面的要求，從最初的根本遮風(fēng)擋雨要求已開展到防噪、防撞、防駕駛員疲勞以及外表美觀、流線型、降風(fēng)阻、輕亮化等綜合性高品質(zhì)的要求。這就對汽車車身的要求增加了許多條件，促使汽車外形需不斷改良，進(jìn)而對汽車覆蓋件質(zhì)量的要求就越來越高,結(jié)構(gòu)要求越來越復(fù)雜，以及生產(chǎn)周期要求越來越短。并且覆蓋件質(zhì)量的好壞直接影響內(nèi)外板包邊的質(zhì)量，而包邊的質(zhì)量又直接影響到車身的質(zhì)量與車身的整體外觀。在此情況下，各個企業(yè)加大了技術(shù)改造力度，用大規(guī)模的工業(yè)機器人來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工人操作流水線作業(yè),用機器人滾壓包邊技術(shù)的本錢低，占地面積小，柔性好等優(yōu)點來取代傳統(tǒng)壓力機包邊模具占地多，能耗大，投資本錢高等缺點。就是為了滿足隨著社會的日益進(jìn)步而提出的越來越“苛刻”的條件。1.2研究的背景和意義中國汽車業(yè)的迅猛開展是世人有目共睹的，迄今為止，它共經(jīng)歷了差不多六十年的風(fēng)風(fēng)雨雨。我們可以把這六十年分成四局部，即：第一局部是1953年-1984年，其中，在1953年7月15日這一天，第一汽車制造廠破土開工,并且在3年之后成功生產(chǎn)出第一輛解放牌4噸載貨汽車。隨后一段時間，還屬于起步初期的中國汽車步履還是比擬平穩(wěn)的；第二局部是1984年-1994年，在共和國成立35周年、改革開放6年后，汽車企業(yè)開始吸引外資，要與外國人合伙生產(chǎn)汽車的問題被推到了前臺。接著是1994年-2000年，其中，1994年是中國汽車史，特別是轎車史上值得紀(jì)念的一年。在這一年，左右中國汽車近10年的《汽車產(chǎn)業(yè)開展政策》出臺了。雖然用目前的眼光來看，這個產(chǎn)業(yè)政策還有許多局限之處，但還是解決了汽車開展中的許多問題，特別是將“汽車”和“家庭”聯(lián)系到了一起！最后一個階段是2001年至今，對于進(jìn)入21世紀(jì)的中國汽車，“家庭汽車”已不再是爭論的熱點，取而代之的是下一個60年，中國的汽車業(yè)如何經(jīng)歷多年坎坷挺直腰桿，開拓其下一個歷程[參考文獻(xiàn)[]參考文獻(xiàn)[]談到汽車的開展史,不可防止的要提及汽車覆蓋件的存在,其是指覆蓋構(gòu)成汽車駕駛室或車身的外表零件，也包括覆蓋發(fā)動機以及底盤的某些外表零件。覆蓋件可以分為外覆蓋件和內(nèi)覆蓋件，其中，頂蓋、前后車門外板、前圍和后圍外蓋板、左右側(cè)圍外板等屬于外覆蓋件，是汽車車身裸露在外部人們能直接看到的部件。而被車身的其它零件所擋住的，如前后車門內(nèi)板、前后圍內(nèi)蓋板、左右側(cè)圍內(nèi)板等，或被覆蓋上內(nèi)飾件的車身內(nèi)部覆蓋件叫內(nèi)覆蓋件。汽車覆蓋件與一般的沖壓件相比擬，具有材料薄、結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜、外表質(zhì)量要求高，且多為三維的空間曲面結(jié)構(gòu)等特點。就因為汽車覆蓋件有外表質(zhì)量、外形、剛度和工藝上的要求，就決定了其在沖壓成形過程中變形的復(fù)雜性和規(guī)律性不易被人們所掌握，因此更容易出現(xiàn)質(zhì)量方面的問題。所以，在覆蓋件沖壓工藝的設(shè)計、模具的設(shè)計、以及模具制造工藝上也有其獨特的特點，不能簡單的把汽車覆蓋件像對待軸對稱零件那樣，算出主要工藝參數(shù)和模具參數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，而在實際工程實踐中，還需要大量應(yīng)用經(jīng)驗比，以及沖壓變形趨向性分析的聯(lián)合運用來進(jìn)行模具的設(shè)計和沖壓工藝的設(shè)計之所以汽車覆蓋件沖壓成形能成為當(dāng)今沖壓成形領(lǐng)域重要組成局部，這不僅僅是與汽車覆蓋件有很高的質(zhì)量要求有關(guān)，也與其本身具有的沖壓成形特點和結(jié)構(gòu)形狀特點有關(guān)[[]《現(xiàn)代模具技術(shù)》編委會.汽車覆蓋件模具設(shè)計與制造[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.]。[]《現(xiàn)代模具技術(shù)》編委會.汽車覆蓋件模具設(shè)計與制造[M].北京:國防工業(yè)出版社,1998.外覆件內(nèi)外板零件連接技術(shù)是車身制造工藝的重要組成局部。其中，把車身門蓋內(nèi)外板的連接起來通常使用包邊工藝，所謂的包邊就是把外板的邊緣翻邊局部沿內(nèi)板向內(nèi)折彎，并且最終外板把內(nèi)板包裹在內(nèi)的工藝。傳統(tǒng)的門蓋包邊工藝通常有手工包邊和壓力機模具壓合包邊兩種方式。手工包邊一般不采用，而壓力機包邊模具那么在車身沖壓件狀態(tài)改變后，包邊模具需不斷優(yōu)化，在去除或增加材料的同時，不但費時費力，也影響到了模具壽命，并且一套包邊模具只適用于一種車型，柔性化生產(chǎn)能力差，此外，傳統(tǒng)壓力機包邊模具存在占地多，能耗大，投資和維護(hù)本錢都很高等缺點。為了實現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝低本錢，多樣化的生產(chǎn)模式，機器人滾壓包邊技術(shù)正是這一開展趨勢下的產(chǎn)物。另外，工業(yè)機器人的應(yīng)用也助長了這一開展趨勢，搬運、焊接、噴涂、裝配等等，無論多么惡劣的環(huán)境下，機器人幾乎都能完成任務(wù)。它也可以把單一的生產(chǎn)線變?yōu)槿嵝曰a(chǎn)，不僅節(jié)約了勞動力、縮短了生產(chǎn)周期，同時也提高了生產(chǎn)效率，所以機器人的使用變得更為普遍。雖然，我國對機器人技術(shù)的研究起步較晚，但制造業(yè)的訊速開展必然會推動市場對機器人不斷需求。隨著人們對汽車需求的逐漸增加，汽車制造業(yè)間的競爭也日益劇烈，在提高產(chǎn)量的同時，汽車外觀和價格方面變得尤為重要，因此產(chǎn)品的開發(fā)本錢，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等問題是汽車生產(chǎn)企業(yè)急需解決的問題。機器人滾壓包邊技術(shù)的柔性化制造表達(dá)在：針對不同形狀的幾何零件，采用適合其的包邊路徑，這樣就大大的降低了模具費用，即節(jié)約了本錢也縮短了研發(fā)周期。同時，對機器人滾壓包邊技術(shù)的柔性系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，掌握機器人滾邊的核心技術(shù)并通過引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新的結(jié)合，然后再應(yīng)用到國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)，為汽車行業(yè)的開展奠定根底[[]張婧慧.機器人滾邊技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).2010,04.][]張婧慧.機器人滾邊技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).2010,04.1.3機器人滾壓包邊技術(shù)的研究現(xiàn)狀和開展趨勢機器人滾壓包邊技術(shù)是上世紀(jì)90年代慢慢開始開展起來的、新型的轎車白車身門蓋內(nèi)、外板連接的一種重要壓合工藝，主要應(yīng)用在車身覆蓋件〔尤其是汽車左右前車門、后車門，發(fā)動機蓋和行李箱蓋,即稱四門兩蓋〕的邊緣處理上。1.3.1研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)的自動化裝備綜合技術(shù)實力還存在許多缺乏之處，所以，到現(xiàn)在為止，使用機器人滾壓包邊技術(shù)的汽車生產(chǎn)廠家少之又少。面對競爭日益劇烈的汽車消費市場，假設(shè)國內(nèi)汽車門蓋包邊生產(chǎn)只以壓力機模和折邊機兩種方式包邊壓合為主的話，是很難與國外先進(jìn)的機器人柔性自動化生產(chǎn)技術(shù)相抗衡的。所謂的機器人滾邊壓合技術(shù)的柔性化主要表達(dá)在兩方面：一方面是根據(jù)車型的生命周期，可隨時更換滾邊壓合夾具來實現(xiàn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代；另一方面，該技術(shù)可以根據(jù)實際生產(chǎn)節(jié)拍需要，采用一模多機或一機多模的工藝方案生產(chǎn)加工產(chǎn)品?？梢钥闯?，國內(nèi)外在關(guān)于機器人滾壓包邊技術(shù)對汽車門蓋線生產(chǎn)方面還有很大的一段距離，只有國內(nèi)汽車企業(yè)對自主品牌的提升，以及對自動化，柔性化程度的提高等，這對縮短在機器人滾壓包邊技術(shù)之間的差異是很有意義。所以，國內(nèi)也逐漸開始對機器人滾壓包邊技術(shù)進(jìn)行研究分析，目前為止，大多數(shù)學(xué)者在機器人現(xiàn)有的滾邊設(shè)備根底上，對機器人滾邊在汽車工業(yè)應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，并提出了解決方案。還有少局部學(xué)者對包邊的過程進(jìn)行研究并運用相關(guān)軟件進(jìn)行模擬分析。上海通用汽車的王立影[[]王立影,孫志成等.機器人滾邊技術(shù)與應(yīng)用[[]王立影,孫志成等.機器人滾邊技術(shù)與應(yīng)用[J]．制造業(yè)自動化，第32卷第1期，2010.01.北京奔馳—戴姆勒·克萊斯勒汽車的宋宏偉[[]宋宏偉.機器人滾邊技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用[J].機器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.[]宋宏偉.機器人滾邊技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用[J].機器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.上海交通大學(xué)張如飛[[]張如飛等.車門板包邊機器人六關(guān)節(jié)角運動分析[J[]張如飛等.車門板包邊機器人六關(guān)節(jié)角運動分析[J].機械設(shè)計與研究，2005，08：88-90．目前,使用機器人滾壓包邊技術(shù)是國外汽車生產(chǎn)業(yè)新的開展趨勢，自從上世紀(jì)90年代開始開展以來，就引起了世界各大汽車生產(chǎn)巨頭的廣泛關(guān)注。而且，國外對機器人滾壓包邊技術(shù)這方面的研究是比擬成功的，不僅在許多核心技術(shù)領(lǐng)域申請了專利，也在機器人滾壓包邊工藝以及機器人控制方面等進(jìn)行了深入的研究。國外學(xué)者在基于機器人滾壓包邊能實現(xiàn)柔性化、自動化等優(yōu)點的根底上，利用現(xiàn)今多種工薪技術(shù)，如虛擬制造技術(shù)、計算機軟件技術(shù)以及系統(tǒng)仿真技術(shù)等進(jìn)行研究、設(shè)計、開發(fā)。JamesB.Toeniskoetter[[]JamesB[]JamesB.Toeniskoetter.Roboticrollerhemmingalignmentapparatusandmethod.US2005/0262912A1.2004-05-25.BabakSaboori和BehzadSaboori[[]BabakSaboori,BehzadSaboori,JohanS.Carlson,RikardS?derberg.IntroducingFastRobotRollerHemming[]BabakSaboori,BehzadSaboori,JohanS.Carlson,RikardS?derberg.IntroducingFastRobotRollerHemmingProcessinAutomotiveIndustry.WorldAcademyofScience,EngineeringandTechnology.2009S.Thuillier和N.LeMaout[[]S[]S．Thuillier,N．LeMaout，P．Y．Manach，D．Debois．Numericalsimulationoftherollhemmingprocess[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2008：226-233.國外對機器人滾壓包邊的研究比擬深入，很多國外汽車生產(chǎn)巨頭通用、寶馬、奔馳等白車身門蓋普遍已經(jīng)采用機器人自動化生產(chǎn)線，并且國外的機器人公司，掌握著象征著核心競爭力的集成技術(shù)，這就使得國內(nèi)外的汽車生產(chǎn)水平的差距越來越大。1.3.2開展趨勢縱觀世界各工業(yè)興旺國家的歷史，無一例外的不是遵循通過汽車工業(yè)的開展，來帶動其他相關(guān)行業(yè)開展這么一條開展規(guī)律。汽車工業(yè)的開展水平反映了一個國家經(jīng)濟開展和人們生活的水平，而且也反映了一個國家科技技術(shù)和文明的水平。隨著現(xiàn)代汽車制造業(yè)的蓬勃開展，不僅對汽車的平安性和低耗油性提出了要求，也對汽車的質(zhì)量和外觀要求越來越苛刻。包邊過程是汽車覆蓋件生產(chǎn)的最后一道工序，所以，對汽車質(zhì)量和外觀有著很大的影響，其質(zhì)量的好壞直接影響到汽車的裝配精度和美觀性。我們知道，傳統(tǒng)的包邊過程是建立在反復(fù)調(diào)試的根底上，這樣自然而然的就增加了模具的生產(chǎn)周期，再加上包邊過程遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜的多，汽車覆蓋件壓力機包邊模設(shè)計參數(shù)的多元化，以及材料的非線性性能，導(dǎo)致要實現(xiàn)對包邊過程的完全控制是很困難的。因此，對包邊過程的分析研究、改良創(chuàng)新一直是國內(nèi)外汽車生產(chǎn)企業(yè)著重的研究對象。當(dāng)然，隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)的開展，要實現(xiàn)對包邊過程的模擬分析，有效控制變得更加容易。各企業(yè)在進(jìn)行壓力機包邊模的設(shè)計生產(chǎn)時，可以事先對包邊過程進(jìn)行模擬分析，對出現(xiàn)的外表質(zhì)量等缺陷問題，進(jìn)行修改，然后再進(jìn)行模擬分析等等，如此循環(huán)下去，不僅可以降低制造本錢，也可以節(jié)約包邊扣合模具生產(chǎn)周期。從90年代到現(xiàn)在，機器人滾壓包邊技術(shù)得到了迅速的開展，機器人包邊充分利用了機器人柔性化的優(yōu)點，只需根據(jù)覆蓋件的外形，編寫離線程序來實現(xiàn)滾壓包邊。機器人滾壓包邊設(shè)備與壓力機包邊模相比，不僅投資小，而且通用性好，更換車型時，只需更換模具，最重要的是機器人滾壓包邊技術(shù)符合柔性化和自動化的生產(chǎn)趨勢，為汽車業(yè)的快速開展提供了不可磨滅的功績。1.4選題的目的和意義汽車覆蓋件包邊工藝作為覆蓋件沖壓成形的最后一個步驟，其成形質(zhì)量對覆蓋件邊緣的外觀質(zhì)量以及整個覆蓋件乃至整個車身的外形尺寸精度有著重要的影響。在使用傳統(tǒng)壓力機包邊模具進(jìn)行包邊時，由于外板的包邊輪廓隨車身外形的變化而變化，沿整個輪廓包邊的角度也不同，對于曲率變化大、翻邊角度過大的區(qū)域，包邊都會非常困難。并且如上面提到的傳統(tǒng)壓力機包邊模具占地多，本錢高，柔性差，所以需要引進(jìn)新型內(nèi)外板連接技術(shù)----機器人滾壓包邊技術(shù)，來逐漸應(yīng)用于車身生產(chǎn)中。他不僅具有本錢低，占地面積小，更換容易等優(yōu)點，并且成型美觀，能實現(xiàn)柔性化制造，調(diào)試周期也短，最重要的是與傳統(tǒng)的壓力機包邊模具相比，其研發(fā)和制造周期短，提高了產(chǎn)品的競爭力。同時，機器人滾壓包邊工藝采用電動系統(tǒng)，無液壓油和廢水等環(huán)境污染問題。這些優(yōu)點使得機器人滾壓包邊技術(shù)適應(yīng)汽車工業(yè)的蓬勃開展，符合汽車制造業(yè)中車身柔性化生產(chǎn)線的開展趨勢。隨著人們對汽車需求的逐漸增加，汽車制造業(yè)間的競爭也日益劇烈，在提高產(chǎn)量的同時，汽車外觀和價格方面變得尤為重要，因此產(chǎn)品的開發(fā)本錢，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等問題是汽車生產(chǎn)企業(yè)急需解決的問題。機器人滾壓包邊技術(shù)的柔性化制造表達(dá)在：針對不同形狀的幾何零件，采用適合其的包邊路徑，這樣就大大的降低了模具費用，即節(jié)約了本錢也縮短了研發(fā)周期。同時，對機器人滾壓包邊技術(shù)的柔性系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，掌握機器人滾邊的核心技術(shù)并通過引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新的結(jié)合，然后再應(yīng)用到國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)，為汽車行業(yè)的開展奠定根底。1.5本文研究內(nèi)容本文先介紹了模具包邊等各種覆蓋件內(nèi)外板的包邊方式，以及其類型和優(yōu)缺點等，進(jìn)而引出機器人滾壓包邊技術(shù)與其各方面的比照，說明使用機器人滾壓包邊技術(shù)的優(yōu)越性。接著著重對機器人滾壓包邊系統(tǒng)的三大組成局部進(jìn)行了詳細(xì)闡述。然后借助于有限元ls-dyna軟件分析平臺，首先對機器人滾壓包邊過程進(jìn)行數(shù)值模擬。此數(shù)值模擬分析來源于：在實際的覆蓋件包邊扣合生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷對汽車的裝配和整體車型外觀有著不容無視的影響。包括在扣合過程中覆蓋件經(jīng)常會出現(xiàn)的直邊波浪變形，堆料起皺等質(zhì)量缺陷。引起這些質(zhì)量的因素有：滾邊步數(shù)、滾邊壓力、滾輪直徑以及覆蓋件的外形尺寸等。要想確定哪類因素對滾壓包邊質(zhì)量影響最大，并解決此類因素帶來的質(zhì)量缺陷問題，就需要逐一進(jìn)行數(shù)值模擬分析，做出比擬并得出結(jié)論。另外，進(jìn)行數(shù)值模擬的機器人滾壓包邊過程中用于包邊扣合的內(nèi)外板，在分析軟件中定義的都是理想材料，沒有實際生產(chǎn)過程中材料所存在的缺陷問題，所以，導(dǎo)致分析所得到的結(jié)果與實際生產(chǎn)過程中滾壓包邊得到的產(chǎn)品有誤差。針對此類問題，可以在進(jìn)行機器人滾壓包邊時，對板材進(jìn)行缺陷模擬，是否能通過改變滾邊速度，滾子與板材接觸摩擦系數(shù)，滾邊壓力等因素來減小板材存在的缺陷對滾邊質(zhì)量的影響。1.6本章小結(jié)本章節(jié)較詳細(xì)的分析了機器人滾壓包邊的研究現(xiàn)狀及其開展趨勢，機器人滾壓包邊技術(shù)的優(yōu)點使其適應(yīng)汽車工業(yè)的蓬勃開展，符合汽車制造業(yè)中車身柔性化生產(chǎn)線的開展趨勢。最后對本文研究的目的和意義進(jìn)行了說明。2機器人滾壓包邊技術(shù)2.1包邊工藝轎車白車身的重要外表覆蓋件，我們可以稱為四門兩蓋即汽車左右前車門、后車門，發(fā)動機蓋和行李箱蓋。隨著人們對汽車外觀以及整體車型的要求越來越高，在一般情況下，四門兩蓋都采用扣合包邊工藝來連接汽車內(nèi)外板，包邊就是把外板的邊緣翻邊局部沿內(nèi)板向內(nèi)折彎，同時，外板翻邊局部發(fā)生塑性變形，并且最終外板把內(nèi)板包裹在內(nèi)的工藝壓合過程[[]陳勇．機器人滾輪包邊工藝及應(yīng)用[[]陳勇．機器人滾輪包邊工藝及應(yīng)用[J]．汽車工藝與材料，2011，08：53-58.包邊不僅能保證零件外外表的光整平滑，即沒有波狀起伏，明顯皺褶、壓痕等缺陷，同時，也增加了整體強度和剛性。一般包邊過程分為三個步驟：翻邊，預(yù)包邊，終包邊如圖2.1所示。翻邊〔待包邊〕450預(yù)包邊300、600預(yù)包邊終包邊圖2.1包邊工藝過程Fig.2.1Hemmingprocessa、翻邊〔待包邊〕：需要包邊的門蓋外板經(jīng)沖壓成型后，其周邊應(yīng)留有一圈7～12mm的待包邊，一般翻邊角度與外板本體成900角，如圖2.1〔a〕所示。假設(shè)門蓋件曲率變化較大時，翻邊角度可以大于900，但一般不超過1150，否那么不利于保證包邊的質(zhì)量。b、預(yù)包邊：理論分析以及相關(guān)的實驗說明，想要將待包邊從90°一步翻折至0°，并包實內(nèi)板邊緣是很難實現(xiàn)的。因此，一般把包邊工藝分為兩步：首先，將待包邊局部從90°翻折至45°，我們把此過程稱為預(yù)包邊；接著將已翻折至45°的預(yù)包邊再翻折到0°，并壓實內(nèi)板邊緣，如圖2.1〔b〕、〔d〕所示。也可以首先把門蓋待包邊局部從90°翻折至60°，然后再從60°翻折至30°，最后再將其從30°翻折到0°，并和上面壓實內(nèi)板邊緣，如圖2.1〔c〕、〔d〕所示。C、終包邊：如前所述，就是把門蓋外板已處于預(yù)包邊階段的邊緣，使其完全翻折至0°，壓實內(nèi)板邊緣，使內(nèi)板和外板包邊壓合處必須平實服帖；車門周邊也要保持平滑，沒有明顯的皺褶和波狀起伏現(xiàn)象；以及門蓋外板外外表沒有因包邊而造成的凹凸不平、皺褶、壓痕等缺陷[[]鄔華輝等．汽車外覆蓋件包邊尺寸要求及外表質(zhì)量分析[[]鄔華輝等．汽車外覆蓋件包邊尺寸要求及外表質(zhì)量分析[J]．制造業(yè)自動化，第34卷第7期，2012，07：32-36.門蓋內(nèi)外板的包邊，對外板壓實扣合內(nèi)板邊緣局部有一些尺寸的要求[[]張云．淺談車身包邊零件的根本要求[[]張云．淺談車身包邊零件的根本要求[J]．汽車工藝與材料，2012，04：39-41.即：t總=t1+t2+t3+f；式中：t1一一外板厚度單位mm；t2一一內(nèi)板厚度單位mm；t3一一粘合劑厚度單位mm；f一一允許誤差±0.2mm。另外，還需計算內(nèi)外板包邊后的重疊寬度D1，以及最小壓實定位面D，一般根據(jù)經(jīng)驗值，最小壓實定位面為如圖2.2所示的D2再加上1mm的距離；外板的內(nèi)角半徑R那么為內(nèi)板厚度的一半在加上0.2mm的余度，即R=t2/2+0.2。圖2.2包邊尺寸示意圖Fig.2.2Hemmingsize2.2包邊類型2.2.1根據(jù)包邊零件輪廓斷面分類根據(jù)門蓋包邊總成零件輪廓斷面的不同來分析，可以把包邊分為四種類型，即水滴包邊(drop-shapedhem)、普通包邊(standardhem)、楔邊包邊(wedge—shapedhem)以及特殊包邊(specialhem)，如圖2.3所示。其中，普通包邊是目前應(yīng)用最為廣泛的、最常用的類型，比方說：頂蓋邊緣，翼子板等覆蓋件包邊；水滴型包邊主要用于發(fā)動機蓋局部輪廓的包邊，主要是考慮汽車在發(fā)生碰撞時，可以盡量的減少傷害。并且水滴包邊，外板的彎曲角度需要大于1800，而且彎曲半徑要普通包邊大[[]Haydar[]HaydarLivatyi.Computeraidedprocessdesingofselectedsheetmetalbendingprocess-flanging&hemming[D].USA:TheOhioStateUniversity,1998.a、水滴包邊b、普通包邊C、楔邊包邊d、特殊包邊圖2.3包邊類型Fig.2.3Hemmingtype2.2.2根據(jù)包邊幾何形狀及輪廓邊緣分類根據(jù)門蓋包邊零件的幾何形狀及包邊輪廓，我們又可以把包邊分為以下4種類型[[]ZhangGuohua[]ZhangGuohua.ANALYSISANDOPTITIMATIONONSHEETMETALFLANGINGANDHEMMINGPROCESSES[D]．TheUniversityofMichigan，2001．圖2.4根據(jù)包邊幾何形狀及輪廓邊緣分類[[][]GuosongLin,JingLi,S.jackHu,WayneCai.Acomputationalresponsesurfacestudyofcurved-surface-curved-edgealuminumhemmingusingsolid-to-shellmapping.ProceedingsoftheInternationalConferenceonManufacturingScienceandEngineering[C].ProceedingsoftheInternationalConferenceonManufacturingScienceandEngineering,2006.Fig.2.4Hemmingareclassifiedbygeometricshapeandcontouredge如圖2.5，把汽車車門包邊總成零件作為例如，給出了在不同位置時包邊成形的類型。圖2.5汽車車門包邊不同位置的成形類型Fig.2.5Formingtypeofhemminginthecardoordifferentlocations2.3汽車行業(yè)幾種常用的包邊工藝簡介汽車門蓋內(nèi)、外板的包邊壓合作為各類汽車門蓋生產(chǎn)中的重要工序。所以，門蓋包邊質(zhì)量好壞與否,直接關(guān)系著整車外形質(zhì)量與汽車整體造型的美觀性，以及車身裝配質(zhì)量和精度。通常把門蓋包邊工藝劃分為三種形式,即手工包邊工藝、壓力機模具壓合包邊工藝、以及機器人滾壓包邊工藝。其中,手工包邊工藝由于費事、費力、生產(chǎn)效率差等缺點，一般考慮不采用。而壓力機模具壓合包邊工藝，根據(jù)其使用設(shè)備不同可以分為兩種,一種是采用大臺面的通用壓力機，對包邊模具進(jìn)行門蓋包邊,另一種是專用包邊機，其特點是把包邊模塊和設(shè)備設(shè)計為一體。機器人滾壓包邊工藝是剛剛開展起來的一種新型的包邊技術(shù)，目前，該技術(shù)主要集中使用在國外的汽車生產(chǎn)企業(yè)[[]李新超．車門包邊工藝與專用設(shè)備[J]．現(xiàn)代零部件，201[]李新超．車門包邊工藝與專用設(shè)備[J]．現(xiàn)代零部件，2011，08：38-40.[]林海,蘇傳慶．淺談車身開閉件包邊[J]．機械與電子，2011，09：121-122.[]陳代枝．汽車門蓋包邊工藝及設(shè)備選用[J]．現(xiàn)代零件,2005,05:66-69.2.3.1手工包邊工藝手工包邊工藝對汽車生產(chǎn)企業(yè)通常是不會采用的，因為它使工人的勞動強度大，要使用木榔頭等工具逐點逐段來敲砸壓合成形,并且手工包邊工藝用來支撐門或蓋的工裝胎模是比擬簡易的，這樣不僅使得到的工件質(zhì)量差，效率也低，而且在敲砸過程中產(chǎn)生很大的噪音。所以，此類工藝，只是用于小批量或試制生產(chǎn)過程。此外，手工包邊工藝相較于其他包邊工藝，也具有投入資金少，占地面積最等優(yōu)點的。2.3.2壓力機模具壓合包邊工藝壓力機模具壓合包邊工藝是在大臺面通用壓力機上采用上、下模具包邊壓合，來實現(xiàn)車門內(nèi)、外板總成的包邊方式。此包邊工藝通過更換模具，來滿足不同的門蓋總成的需要。一般采用公稱壓力為1500-2000KN的液壓機來實現(xiàn)轎車門蓋包邊,而要實現(xiàn)卡車車門及旅行車門蓋的包邊需要的公稱壓力比轎車的要稍微大些，一般采用為2500-3150KN的液壓機。把門蓋包邊復(fù)合模具安裝在壓力機上,一次行程可以實現(xiàn)450的預(yù)包邊和900包邊。根本原理是：首先，通過壓力機滑塊的運動，帶動模具以及斜楔驅(qū)動塊，利用模具型面，將門蓋已翻邊的外板翻折至450以下，接著上下模移動使外板與內(nèi)板實現(xiàn)牢固壓合。在整個包邊過程中，液壓機滑塊只需下降一次就可以實現(xiàn)。門蓋包邊壓合完成后，液壓機滑塊帶動上模使其提升，來脫離包邊件。再通過人工取件或自動輸送系統(tǒng)將板件送出，這就完成了整個包邊工藝過程。圖2.6壓力機模具壓合包邊Fig.2.6hemmingfordie我們可以根據(jù)壓力機包邊模正壓刀形式的不同，把此類包邊模分為兩種形式，一種是豎直正包邊，另一種是斜楔正包邊，如圖2.7所示。其中，這兩種包邊模形式的選擇，與φ角大小有關(guān)。假設(shè)φ角小于700，為豎直正包邊；假設(shè)φ角大于等于700，為斜楔正包邊。豎直正包邊斜楔正包邊圖2.7正包邊形式示意圖Fig.2.7Theformofuprighthemming如果在壓力機上安裝有單向或雙向的移開工作臺，或者配有置換模具的臺車，那么此壓力機包邊模就可以適應(yīng)于各種車型的門蓋包邊，這種方式就使其具有一定的柔性。并且適用于各種批量生產(chǎn)的同時，不僅生產(chǎn)效率高，而且包邊質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性也好等優(yōu)點。壓力機包邊模具與機器人滾壓包邊工藝相比，其折邊力更大，所以，適用于對高強度材料進(jìn)行包邊。然而，壓力機模具壓合包邊工藝也有許多缺點：雖然壓力機包邊模具使用壽命長，但是其模具一次性投資本錢大，模具生產(chǎn)周期也比擬長；壓力機模具尺寸較大，所以占地面積比擬廣，特別是想生產(chǎn)多品種的門蓋總成時，需要有足夠的車間來存放門蓋總成零件；壓力機包邊模具具有一個較大的缺點，就是對門蓋外板的翻邊角度要求較高，在保證包邊質(zhì)量的同時，一般要求翻邊角度不能超過105度，最大不能超過110度，否那么就需要2副包邊模具來實現(xiàn)包邊，一個用來預(yù)包邊，一個用來正常包邊，這無疑給產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)試帶來了困難。2.3.3專用包邊機包邊工藝隨著人們對汽車要求的越來越高，汽車門蓋質(zhì)量的要求也隨之增加，從而導(dǎo)致了制造難道隨之加大，顯然，現(xiàn)有的包邊模具所存在的包邊質(zhì)量較差，結(jié)構(gòu)不滿足要求，尤其不能滿足高檔車門蓋包邊形狀復(fù)雜等要求的缺點，使其已顯得力不從心。并且，現(xiàn)有包邊模具在進(jìn)行包邊時，只是通過包邊模塊和固定底模將待包邊門蓋翻折部位向內(nèi)壓平，來完成包邊。這種包邊方式使包邊處的內(nèi)外表產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象，并且拐角處不僅不平整，而且不嚴(yán)實，外沿也不平順等質(zhì)量缺陷。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺乏，就提出了專用包邊機技術(shù)。中國的第一臺專機包邊于1989年在中國南京汽車制造廠創(chuàng)造生產(chǎn)完成的，目前，國內(nèi)許多生產(chǎn)廠家已陸續(xù)開始使用。它不僅改變了傳統(tǒng)包邊工藝工件質(zhì)量差、殘次品率高以及生產(chǎn)效率低等缺點，也為我國汽車行業(yè)的做出了突出的奉獻(xiàn)。專機包邊適用于各類汽車的車門、散熱器面罩框以及發(fā)動機罩等汽車門蓋包邊總成成型工藝，當(dāng)然，也適用于其它薄板的包邊成型。專機包邊設(shè)備采用氣動加緊、氣動升降工作、PLC程序控制和液壓包邊來完成成型工藝過程。專用包邊機把設(shè)備和模具設(shè)計為一體，其設(shè)備構(gòu)成主要有三局部構(gòu)成，包括：主機、液壓站以及電氣控制柜。其中主機由機架、氣動夾緊裝置、氣動升降機構(gòu)、45度包邊模塊和90度包邊模塊組成。并且可以把主機設(shè)計為帶有自動進(jìn)料和自動出料等傳送機構(gòu)。把工件放置在自動傳送機構(gòu)上，傳送到位后,接著，氣動升降機構(gòu)就將工件降落到主機的模腔內(nèi),再由氣動夾緊裝置將工件定位夾緊,45度液壓包邊模塊以程序設(shè)定的角度先動作,來完成45預(yù)包邊。在預(yù)包邊模塊開始運動的同時，終包邊模塊也開始往下運動，并且，在預(yù)包邊模塊完成包邊后，終包邊模塊繼續(xù)往下運動。隨后，預(yù)包邊模塊退回，再由90度終包邊模塊動作，完成900終包邊。整個專機包邊模塊動作過程如下[[]李新超．車門包邊工藝與專用設(shè)備[[]李新超．車門包邊工藝與專用設(shè)備[J]．現(xiàn)代零部件，2011，08：38-40.〔a〕450預(yù)包邊模塊以程序設(shè)定的角度開始運動，〔b〕450預(yù)包邊模塊完成預(yù)包邊，同時，此時，900終包邊模塊從初始位置開始下降。900終包邊模塊繼續(xù)下降。〔c〕450預(yù)包邊模塊退回，隨后，900終包邊模塊完成終包邊。圖2.8專機包邊模塊動作過程Fig.2.8Theprocessofspecialhemmingdie專用包邊機的優(yōu)點就是：不僅生產(chǎn)穩(wěn)定性好而且生產(chǎn)率也高，但對開閉件單件質(zhì)量要求不高，設(shè)備占地面積也小，也可以在生產(chǎn)中與車間其他生產(chǎn)線節(jié)拍相吻合,來實現(xiàn)同步化生產(chǎn)。因此,專用包邊機可適用于單一品種的、大批量流水生產(chǎn)線。專用包邊機也有其缺點：比方：折邊力與包邊模具相比擬小，首批費用投入以及需要產(chǎn)品更新時投資較大，也就是說：一套包邊機只適用于一種門蓋包邊,不能互換，在柔性受到了限制的同時，專機包邊的通用件、控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等可重復(fù)使用。2.3.4機器人滾壓包邊工藝機器人滾壓包邊技術(shù)是近年來才產(chǎn)生,并得到迅速開展的一項新的門蓋內(nèi)外板連接技術(shù)，它與傳統(tǒng)的壓力機模具壓合包邊技術(shù)以及專機壓合包邊技術(shù)相比有：柔性大，一次性投入小，維護(hù)本錢低等特點。因此，這項新技術(shù)受到眾多汽車生產(chǎn)廠家的青睞，但是，機器人滾壓包邊技術(shù)一直由國外公司壟斷。目前，我國使用機器人滾壓包邊技術(shù)的汽車生產(chǎn)廠家少之又少，但我國首套機器人自動化滾邊系統(tǒng)已研制成功，如圖2.9所示，打破了外國公司的壟斷，填補了國內(nèi)空白，使其柔性化生產(chǎn)技術(shù)，成為轎車產(chǎn)品開發(fā)的首選應(yīng)用技術(shù)[[]JonkersB.SimulationoftheRobotRollerhemmingprocess[J].2006.][[]JonkersB.SimulationoftheRobotRollerhemmingprocess[J].2006.[]朱愛平,萬鋒.汽車白車身機器人滾邊質(zhì)量研究[J]．中國商界，2010，04：333-335.圖2.9我國研制的首套機器人自動化滾邊系統(tǒng)Fig.2.9DevelopedthefirstsetofrobotautomationhemmingsysteminChina機器人滾壓包邊是通過把滾輪系統(tǒng)安裝在機器人的機械臂上，在滾邊胎模的支撐作用下，滾輪系統(tǒng)上的滾輪沿外板的翻邊局部進(jìn)行屢次反復(fù)滾壓，最終使其包住內(nèi)板的連接技術(shù)，滾壓包邊過程如圖2.10所示。其屬于包邊的一種，所以包邊過程與傳統(tǒng)的包邊形式相同，即：翻邊〔待包邊〕、預(yù)包邊、終包邊。在滾邊的過程中，滾輪與工件接觸，一般滾邊工具上有多個滾輪，而且形狀也不相同，可以通過機器臂運動軌跡的規(guī)劃來實現(xiàn)對不同門蓋板零件的包邊，也可以根據(jù)需要來轉(zhuǎn)換滾輪的使用。a、翻邊b、第一道預(yù)滾邊c、第一道預(yù)滾邊d、終滾邊圖2.10滾壓包邊過程Fig.2.10Theprocessofhemming根據(jù)門蓋板的材料以及其內(nèi)外部幾何結(jié)構(gòu)的不同，再把生產(chǎn)節(jié)拍考慮進(jìn)去，機器人滾邊需要采用一次或?qū)掖晤A(yù)包邊，每次的翻折角度為30°或45°。另外，值得一提的是，滾邊工藝路徑的設(shè)置是采用正反交叉式，也就是說上一次滾邊的終點，作為下一次滾邊的起點，如圖2.11所示，這樣做的目的是：以防止誤差累積。上一次下一次圖2.11機器人滾邊路徑順序Fig.2.11Theorderofrobotichemmingpath機器人滾邊壓合技術(shù)，現(xiàn)在已被應(yīng)用到轎車白車身關(guān)鍵部件的包邊制造中，主要部件有頂蓋天窗、發(fā)動機罩蓋、行李廂蓋、車門、翼子板以及輪罩的包邊。如果機器人包邊相對應(yīng)的產(chǎn)品需要改型，一般來說，只需要更換機器人滾邊壓合的底模還和壓料板，就可以實現(xiàn)產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。所以，機器人滾壓包邊技術(shù)與其他包邊方式相比具有制造本錢低、模具占地面積小、包邊質(zhì)量好、允許最大翻邊角度較大〔可到達(dá)140度〕、柔性化程度高等優(yōu)點。同時，機器人滾壓包邊也有缺點，即：生產(chǎn)效率較低、折邊壓力較小、對使用人員技能要求高等。表2.1是對手工包邊、壓力機模具壓合包邊、專用包邊機包邊以及機器人滾壓包邊的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)。表2.1各種包邊工藝比照[[]林海,蘇傳慶．淺談車身開閉件包邊[J[]林海,蘇傳慶．淺談車身開閉件包邊[J]．機械與電子，2011，09：121-122.[]張婧慧.機器人滾邊技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].合肥工業(yè)大學(xué).2010,04.Comparisonofvarioushemmingprocess包邊工藝特點手工包邊壓力機模具壓合包邊專用包邊機包邊機器人滾壓包邊折邊力折邊力小折邊壓力大折邊力小折邊壓力小生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率最低生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率高生產(chǎn)效率較低占地面積占地面積小占地面積較大占地面積小占地面積小生產(chǎn)批量小批量生產(chǎn)適用于大批量生產(chǎn)適用于大批量生產(chǎn)適用于小批量生產(chǎn)包邊質(zhì)量包邊質(zhì)量差包邊質(zhì)量好包邊質(zhì)量較好包邊質(zhì)量好生產(chǎn)穩(wěn)定性生產(chǎn)穩(wěn)定性差生產(chǎn)穩(wěn)定性好生產(chǎn)穩(wěn)定性好生產(chǎn)穩(wěn)定性較好系統(tǒng)柔性無柔性專用模具柔性差定制專機設(shè)備柔性差機器人適用于多種門蓋包邊，柔性高制造本錢投入本錢最少一次性投入本錢高首批費用投入及產(chǎn)品更新時投資較高投資相對較低維護(hù)本錢維護(hù)本錢最低如定期維護(hù)本錢較低維護(hù)本錢相對較低不僅維護(hù)簡單，維護(hù)本錢也低2.4本章小結(jié)本章首先對一般包邊過程中的翻邊，預(yù)包邊，終包邊三個步驟進(jìn)行了簡單說明，然后介紹了四種包邊類型，即水滴包邊、普通包邊、楔邊包邊以及特殊包邊的包邊方式。最后總結(jié)了手工包邊、壓力機模具壓合包邊、專用包邊機包邊、機器人滾壓包邊等四種包邊工藝的優(yōu)缺點，并詳細(xì)介紹了各自的工作原理和工作過程。3機器人滾壓包邊系統(tǒng)機器人滾壓包邊系統(tǒng)主要由三大局部組成：滾邊夾具系統(tǒng)、滾輪系統(tǒng)、機器人及其控制系統(tǒng)[[]宋宏偉.機器人滾邊技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用[J].機器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.[]宋宏偉.機器人滾邊技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用[J].機器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.[]陳勇．機器人滾輪包邊工藝及應(yīng)用[J]．汽車工藝與材料，2011，08：53-58.3.1滾邊夾具系統(tǒng)滾邊夾具系統(tǒng)是由滾邊胎模和定位夾緊系統(tǒng)兩局部組成,如圖3.1所示，滾邊胎模根據(jù)沖壓的數(shù)字化定義及外板的型面形狀，可以采用鑲塊拼裝式和整體鑄造式兩種。鑲塊拼裝式的優(yōu)點是：單塊體積小，熱處理變形小，以及易于加工制造的等優(yōu)點；而整體鑄造式的底模那么具有穩(wěn)定性好，裝配調(diào)試方便，強度好等優(yōu)點。目前，機器人滾邊壓合模主要采用整體鑄造式底模作為主要結(jié)構(gòu)形式。夾具系統(tǒng)滾邊胎模夾具系統(tǒng)滾邊胎模圖3.1滾邊胎模和定位夾具系統(tǒng)Fig.3.1Hemmingdieandthesystemofpositionfixture假設(shè)要保證滾壓包邊的穩(wěn)定性、壓合零件的外表質(zhì)量，就要保證滾邊胎模具有高的穩(wěn)定性和較好的耐磨性能，現(xiàn)在，不管是對于鑲塊拼裝式胎模，還是整體鑄造式底模，所使用的材料根本上為風(fēng)冷鋼和球鐵兩類。因為都可以對這兩種材料進(jìn)行外表淬火處理，來滿足滾邊胎模的耐磨性能要求，并且在熱處理過程中不僅具有較高的穩(wěn)定性，而且變形較小。由于制造滾邊胎模的材料較貴，并且滾邊胎模一般都很重，因此，保證足夠強度和穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡可能降低重量，所以，滾邊胎模都做成鏤空結(jié)構(gòu)。滾邊壓合中的滾邊胎模，其主要作用是在滾邊過程中，作為內(nèi)板和外板總成的支撐，它的外型面與零件外板的型面完全吻合。并且滾邊胎模的加工尺寸精度對滾邊零件壓合成型后的尺寸精度有著直接影響；另外，胎模的相對位置誤差對滾邊壓合的調(diào)試帶來困難，可能會出現(xiàn)難以調(diào)試的結(jié)果；而且，假設(shè)胎模存在加工制造過程中存在外表誤差，這將給滾邊壓合后的內(nèi)外板總成零件帶來外表缺陷。所以，在滾邊胎模的設(shè)計中，必須綜合考慮材料的耐磨性、穩(wěn)定性、胎模的加工精度和熱處理工藝的可行性等要求。定位夾緊系統(tǒng)對放置在滾邊胎模上的待滾邊零件有準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定夾緊的作用，其中，定位夾緊局部包括對車門外板件的定位夾緊和車門內(nèi)板件的定位夾緊。并且在機器人滾壓包邊設(shè)備中，滾邊夾具系統(tǒng)是實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的中心區(qū)域，也是保證滾邊零件質(zhì)量的重要組成局部，其直接影響著車門的裝配和質(zhì)量精度。根據(jù)定位的方式不同，可以分為外形定位和基準(zhǔn)孔定位兩種，對外板件的定位，由于夾緊機構(gòu)和胎模是連接在一起的，外板件包邊優(yōu)先選用基準(zhǔn)孔定位，如果外板上沒有定位孔，那么可以選擇外形定位。值得注意的是，在選擇外形定位時，定位機構(gòu)的位置、數(shù)量要布置的準(zhǔn)確合理，使?jié)L邊機器人在對工件進(jìn)行滾邊壓合的時候，既不阻礙機器人的運動，也能保證在整個滾邊過程中工件不發(fā)生竄動。內(nèi)板定位采用孔定位，假設(shè)內(nèi)板上設(shè)計有門蓋包邊專用定位孔，那么一定要優(yōu)先使用此孔。因為在門蓋滾邊過程中，定位孔的每個方向可能都要受力，受力也可能不均衡，普通的定位孔設(shè)計時也可能沒有考慮不到這些因素，產(chǎn)生變形。這種滾邊的專用定位孔的形狀一般是方形的，并且，孔的尺寸相對較大、剛性較強、受力狀況良好不易產(chǎn)生變形，所以，無論是從結(jié)構(gòu)上，還是在工件的位置上都能滿足要求。定位機構(gòu)按照類型不同，可以分為：機器人抓持式、壓合式和搖臂式等機構(gòu)，在選擇定位機構(gòu)類型時，原那么上在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，能使機器人滾邊運動軌跡順暢的，優(yōu)先選擇。另外，不管使用何種定位夾緊機構(gòu)，設(shè)計中都要考慮其在使用中的可調(diào)性，不然在裝配調(diào)試的過程中，會給工作帶來不便。并且，要使得內(nèi)外板件在滾邊過程中，滾邊部位很好的貼合，那么，就要把夾緊單元中的夾緊點，主要布置在滾邊沿線的周圍。3.2滾輪系統(tǒng)滾輪系統(tǒng)是機器人滾壓包邊技術(shù)中的另一個重要的組成局部[[]基于工業(yè)機器人控制的滾邊壓合技術(shù)研究[D].吉林大學(xué).2010,09.][[]劉殿福，陳朝明.車身關(guān)鍵部件制造的柔性化技術(shù)――機器人滾邊技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2010，07.]。此系統(tǒng)與整個包邊系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)相比照擬簡單，它由各種不同形狀的滾輪組合而成，用來負(fù)責(zé)待包邊零件的折邊和滾邊。滾輪在滾邊過程中，直接與被包邊的內(nèi)外連接件接觸，并且，通過滾輪來直接傳輸壓力，來保證包邊外板的輪廓形狀精度。因為滾輪在包邊過程中直接與門蓋鈑金件接觸工作，所以，對滾輪的外表[]基于工業(yè)機器人控制的滾邊壓合技術(shù)研究[D].吉林大學(xué).2010,09.[]劉殿福，陳朝明.車身關(guān)鍵部件制造的柔性化技術(shù)――機器人滾邊技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2010，07.原因一，隨著滾邊零件產(chǎn)量的增加，滾輪比擬容易磨損；原因二，在滾壓包邊過程中，隨著滾邊的進(jìn)行，鈑金碎屑會粘附在胎模上，從而影響到滾輪，導(dǎo)致滾邊零件的外表質(zhì)量。所以，為了保證滾輪的滾邊質(zhì)量和使用壽命，我們必須對滾輪外表進(jìn)行淬火處理，硬度要到達(dá)55HRC。由于機器人滾壓包邊技術(shù)本身具有的特點，以及根據(jù)滾邊對象不同的情況下，一般滾邊過程可以分為2～4次順序完成，其中，應(yīng)用最多的是3道次滾邊。因此，通常把滾輪的形狀設(shè)計為90°輪、45°輪、30°輪、成形輪以及專用特殊輪。圖3.2為滾輪包邊角度示意圖。a、600預(yù)滾邊b、300預(yù)滾邊c、00終滾邊d、水滴滾邊圖3.2滾輪包邊角度示意圖Fig.3.2Angleofrollerhemming圖3.3是不同的滾輪與滾輪架示意圖，通常把錐輪作為預(yù)包邊滾輪，而終包邊一般采用圓柱輪，用水滴成型輪對發(fā)艙蓋的后端進(jìn)行包邊，而對內(nèi)外板零件角部的處理，在整個零件滾邊中較其他滾邊部位是一個難點，此時，可以采用小圓柱滾輪進(jìn)行點壓，來保證滾邊工具不與零件發(fā)生干預(yù)，同時，也保證了滾邊質(zhì)量和車身裝配精度。這些滾輪可以組合安裝在一個滾輪架上，也可以分解到兩個滾輪架中，如圖3.3〔e〕是將三個滾輪安裝在一個滾輪架上。一般一個滾輪架上安裝幾個滾輪，根據(jù)具體情況來決定，并且以在滾邊過程中，滾輪架上的所有滾輪不與其他局部發(fā)生相互干預(yù)為準(zhǔn)那么。滾輪安裝在滾輪架上以后，再通過與機器人的手臂相連接，隨著機器人的動作程序來完成滾邊的過程。當(dāng)需要更換產(chǎn)品時，僅僅更改滾輪系統(tǒng)即可，并且彈性連接組件都是標(biāo)準(zhǔn)化的，這樣就方便了維修與更換，方便快捷。a、水滴成型輪b、圓柱輪C、小圓柱輪d、錐輪d、安裝上滾輪的滾輪架圖3.3滾輪與滾輪架示意圖Fig.3.3Rollerandrollerframe3.3機器人及其控制系統(tǒng)機器人及其控制系統(tǒng)主要包括：滾邊機器人、機器人編程程序、整個電控程序以及平安電控裝置[25]。3.3.1工業(yè)機器人[[]郭洪紅.工業(yè)機器人技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2012,03:10-17.[]郭洪紅.工業(yè)機器人技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2012,03:10-17.工業(yè)機器人屬于機器人的一種,由三大局部和6個子系統(tǒng)組成。3大局部是控制局部、機械局部和傳感局部。6個子系統(tǒng)是由機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成，如圖3.4所示。它是一種自動控制、可重復(fù)編程、仿人操作、能在三維空間完成各種各樣作業(yè)的、機電一體化的自動化生產(chǎn)設(shè)備，尤其適合于多品種、不同批量的柔性化生產(chǎn)。工業(yè)機器人最早應(yīng)用到汽車制造工藝，常用于噴漆、焊接、搬運和上下料工作。它對提高和穩(wěn)定產(chǎn)品的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的質(zhì)量，還有改善勞動條件，產(chǎn)品的快速更新起著十分重要的作用。圖3.4工業(yè)機器人系統(tǒng)組成圖Fig.3.4Thesystemcomposedofindustrialrobot機器人的運動程序是整個控制系統(tǒng)的核心，通過PLC電控連接，再與整個滾邊工作站的平安保護(hù)系統(tǒng)，以及人工取放工件操作的工藝要求連接在一起，成為一個完整平安的電控系統(tǒng)。機器人一般作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品采購，由不同的供給商供給?，F(xiàn)在機器人有很多品種，有ABB、KUKA、MOTOMAN、PUMN、FANUC等等，根據(jù)客戶不同的使用要求和習(xí)慣來選擇機器人。依據(jù)所確定的不同工藝方案形式，來要求機器人應(yīng)有的工藝參數(shù)，進(jìn)而來確定機器人的具體型號。機器人的主要參數(shù)有：機器人的自由度、機器人的承載大小、機器人的工作范圍、機器人的運動加速度以及速度、機器人的運動精度等參數(shù)。1、機器人自由度〔DegreesofFreedom〕機器人自由度是指機器人不包括手爪〔末端操作器〕，所具有的獨立坐軸運動數(shù)目的開合自由度。在三維空間中，要想描述一個物體的姿態(tài)和位置就需要6個自由度，當(dāng)然也可能大于6個自由度。如下列圖3.5所示PUMA機器人的自由度。圖3.5PUMA機器人的自由度Fig.3.5PUMAroboticdegreeoffreedom無論機器人的自由度是多少，其運動形式可分為兩種，即直線運動(P)和旋轉(zhuǎn)運動(R),如RPRR就表示有4個運動自由度，從基座到壁端，旋轉(zhuǎn)-直線-旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)為關(guān)節(jié)的運動方式。2、定位精度〔PositioningAccuracy〕工業(yè)機器人的精度是指重復(fù)定位精度和定位精度。重復(fù)定位精度指機器人重復(fù)定位其手部對于同一目標(biāo)位置的能力，可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計量來表示，其是衡量一列誤差值的密集度〔即重復(fù)度〕。定位精度指機器人手部實際到達(dá)位置以及目標(biāo)位置之間的差異,如圖3.6所示。〔a〕重復(fù)定位精度的測量；〔b〕合理定位精度，良好的重復(fù)定位精度；〔c〕良好定位精度，很差重復(fù)定位精度；〔d〕很差定位精度。良好重復(fù)定位精度圖3.6工業(yè)機器人重復(fù)定位精度和定位精度的典型情況Fig.3.6Industrialrobot’saccuracyofpositionandrepeatposition3、工作范圍〔WorkSpace〕機器人工作范圍指機器人手腕中心或手臂末端所能到達(dá)的所有點的集合，也叫工作區(qū)域。因為末端執(zhí)行器的形狀和尺寸是多種多樣的，為了反映真實機器人的特征參數(shù)，所以這里是指不安裝末端執(zhí)行器時的工作區(qū)域。機器人工作范圍的形狀與大小是十分重要，機器人在執(zhí)行作業(yè)時，可能會因為存在執(zhí)行局部不能到達(dá)的作業(yè)死區(qū)而造成不能完成任務(wù)。如下列圖3.7所示是PUMA機器人的工作范圍。(a)頂視圖；〔b〕側(cè)視圖圖3.7PUMA機器人的工作范圍Fig.3.7TheworkingrangeofPUMArobot4、速度〔Speed〕和加速度速度和加速度是指說明機器人運動特性的主要指標(biāo)。通常說明書提供了運動自由度的最大穩(wěn)定速度，但在實際的應(yīng)用中，單純的考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的。這是因為由于驅(qū)動器輸出功率的限制，從啟動到最大穩(wěn)定速度，或從最大穩(wěn)定速度大停止，都需要一定時間。5、承載能力〔Payload〕機器人的承載能力指機器人在工作范圍內(nèi)，任何位資上所能承載的最大質(zhì)量。承載能力不僅決定于負(fù)載的重量，還與機器人運行的速度和加速度的方向和大小有關(guān)。為了平安起見，承載能力這一技術(shù)指機器人高速運動時的承載能力。通常承載能力不僅指負(fù)載，而且還包括了機器人末端執(zhí)行器的重量。機器人有效負(fù)載的大小除了受驅(qū)動器功率的限制外，還受桿件材料極限應(yīng)力的限制，所以它又和環(huán)境條件〔比方地心引力〕、運動參數(shù)〔如運動速度、加速度與他們的方向〕有關(guān)。如下列圖3.8所示的三菱裝配機器人的承載能力。a、三菱裝配機器人不帶電動手爪時的承載能力b、三菱裝配機器人帶電動手爪時的承載能力圖3.8三菱裝配機器人的承載能力FigCarryingcapacityofthesanlingrobot目前，許多機器人的制造廠家對采用機器人滾壓包邊的工藝方法非常熟悉[[]劉殿福．機器人滾邊壓合技術(shù)應(yīng)用[J]．汽車與配件，2011，2：28-30.]，所以，對此機器人參數(shù)的具體要求也非常了解，還制造了專用于滾壓包邊的機器人。因此，只需要確定機器人的工作范圍和機器人的承載大小兩大參數(shù)，來選擇適宜的機器人。其中，機器人的工作范圍：根據(jù)模擬仿真結(jié)果和不同的工藝布局來確定工作范圍的大?。粰C器人承載大?。耗敲锤鶕?jù)工藝要求，比方：機器人需要抓住多重的物體、機器人在工作過程中需要施加多大的力、以及機器人的運行速度來決定。而目前，大多數(shù)提供機器人滾邊設(shè)備制造廠家，他們所采用的對機器人滾壓工藝方法的要求，只需通過計算機器人的滾邊壓力即可。在機器人滾壓包邊過程中，對相同部位，預(yù)包邊和終包邊的滾邊壓合力不同，在不同部位的滾邊壓力也不相同。根據(jù)經(jīng)驗以及了解到的多家機器人滾邊設(shè)備制造廠家所測試的結(jié)果說明：[]劉殿福．機器人滾邊壓合技術(shù)應(yīng)用[J]．汽車與配件，2011，2：28-30.滾壓包邊的速度是機器人滾壓包邊的關(guān)鍵參數(shù)，一般情況下，機器人的滾邊速度通常設(shè)置為平均200mm/s；但在滾邊曲率變化較大、翻邊角度也較大的區(qū)域，要求機器人的滾邊速度低一些，通常在50~150mm/s；而滾邊相對平直、曲率變化較小、翻邊角度小的區(qū)域，滾邊速度可適當(dāng)增大一些，一般在200~300mm/s；對于機器人軌跡優(yōu)化較好區(qū)域，滾邊速度也可以到達(dá)500mm/s。3.3.2機器人位置運動學(xué)分析[[]孫富春,朱紀(jì)洪等.機器人學(xué)導(dǎo)論[M].電子工業(yè)出版社,2004,01:63-73.[]孫富春,朱紀(jì)洪等.機器人學(xué)導(dǎo)論[M].電子工業(yè)出版社,2004,01:63-73.機器人位置運動學(xué)的分析，這里我們主要研究兩類根本問題：一類是正運動學(xué)問題，即當(dāng)所有的關(guān)節(jié)變量時，用正運動學(xué)來確定機器人末端執(zhí)行器的位姿；另一類是逆運動學(xué)問題，即如果要使機器人的末端執(zhí)行器放在特定點上，并且具有特定的姿態(tài)，那么，可用逆運動學(xué)方程來計算出每一關(guān)節(jié)變量的值。1、機器人正運動學(xué)方程假設(shè)一個機器人是由任意多的連桿和關(guān)節(jié)構(gòu)成，并以任意的形式組合，如圖3.9所示，該圖表示三個運動順序的關(guān)節(jié)和兩個連桿。這些關(guān)節(jié)可能是旋轉(zhuǎn)的或滑動的，抑或兩者都有。圖3.9〔a〕表示三個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都是可以平移或旋轉(zhuǎn)的。假設(shè)我們把第一個關(guān)節(jié)表示為n，第二個關(guān)節(jié)那么為n+1，那么，第三個關(guān)節(jié)以此類推為n+2，當(dāng)然，這些關(guān)節(jié)前后可能還有其他的關(guān)節(jié)。我們也可以把連桿類似表示，其中，連桿n位于關(guān)節(jié)n與n+1之間，連桿n+1位于關(guān)節(jié)n+1與n+2之間。圖3.9〔a〕中，把表示為在z軸上相鄰兩條公垂線之間的距離，角表示為繞z軸的旋轉(zhuǎn)角，表示為關(guān)節(jié)偏移,即每一條公垂線的長度，角表示為關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn),即相鄰兩個z軸之間的角度。通常，只有和是關(guān)節(jié)變量。圖3.9通用關(guān)節(jié)-連桿組合Fig.3.9Thecombinationofuniversaljoint-link接下來完成幾個必要的運動，也就是將一個參考坐標(biāo)系,變換到下一個參考坐標(biāo)系?，F(xiàn)在假設(shè)位于本地坐標(biāo)系，那么,通過下面的四步標(biāo)準(zhǔn)運動,就可以到達(dá)下一個本地坐標(biāo)系。①繞軸旋轉(zhuǎn)角度〔如圖3.9〔a〕與〔b〕所示〕，它使與相互平行，因為和都是垂直于軸的，因此,繞軸旋轉(zhuǎn)使他們平行并且共面。②沿軸平移距離，使得和共線〔如圖3.9〔c〕所示〕。因為和已經(jīng)平行,并且垂直于，沿著平移可以使它們互相重合在一起。③沿移動an+1的距離，使得和的原點從疊〔如圖3.9〔d〕和〔e〕所示〕。這時，兩個參考坐標(biāo)系的原點處于同一位置。④將軸繞軸旋轉(zhuǎn)角度，使軸和軸對準(zhǔn)〔如圖3.9〔f〕所示〕。這時，坐標(biāo)系n和n+1完全相同〔如圖3.9〔g〕所示〕。至此，我們成功的從一個坐標(biāo)系變換到下一個坐標(biāo)系。在n+1與n+2坐標(biāo)系間，嚴(yán)格按照同樣的四個運動順序，可以將一個坐標(biāo)變換到下一個坐標(biāo)系。從參考坐標(biāo)系開始，我們可以將參考坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到機器人的基座上，然后轉(zhuǎn)換到第一個關(guān)節(jié)，再到第二個關(guān)節(jié)……，直至末端執(zhí)行器。通過右乘來表示四個運動的四個矩陣，就可以得到相應(yīng)的變換矩陣A，矩陣A表示四個依次的運動。因為所有的變換都是以當(dāng)前坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，即：它們測量與執(zhí)行都是相對于當(dāng)前的本地坐標(biāo)系，因此，所有的矩陣都是右乘。從而得到以下結(jié)果：〔3.1〕一般機器人的關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間變換可以簡化為：〔3.2〕式中：表示，表示。在機器人的基座上，我們可以開始從第一個關(guān)節(jié)變換到第二個關(guān)節(jié)，然后是第三個關(guān)節(jié)……，再到機器手，最終到末端執(zhí)行器。假設(shè)把定義為每個變換的量，那么，就可以得到許多表示變換矩陣A。下式為機器人基座與執(zhí)行器之間的總變換：〔3.3〕其中n為關(guān)節(jié)數(shù)。表示坐標(biāo)系H相對于坐標(biāo)系R的變換。其中，6個A矩陣可表示為，一個具有六自由度的機器人。2、機器人的逆運動學(xué)解為了讓機器人的末端執(zhí)行器處于期望的位姿,所以，就有了逆運動學(xué)解,每個關(guān)節(jié)的值由它確定。在前面的運動學(xué)方程中，有許多角度的耦合，這就無法從矩陣中提取足夠的元素，來求解單個的正弦和余弦項，以計算想要的角度。為了使角度解耦，我們可以例行的用單個RTH矩陣來右乘An-1矩陣，讓方程的右邊不再包括這個角度，于是，可以找到產(chǎn)生角度的元素的正弦值和余弦值，并可進(jìn)一步求得相應(yīng)的角度。機器人的最前方程表示為：〔3.4〕為了書寫簡便，可以將機器人的期望位資表示為：〔3.5〕式中，a為機器人末端執(zhí)行局部的接近矢量，o表示首部姿態(tài)矢量，n是執(zhí)行局部法向矢量，把p用來表示末端執(zhí)行器的位置，其中px、py、pz表示為在基準(zhǔn)參考坐標(biāo)系中，p相對于坐標(biāo)系的坐標(biāo)。為了想要求解角度，從An-1開始，依次用A1-1左乘上述兩個矩陣，通過整理變換，得到如下一組逆解：和〔3.6〕和〔3.7〕=〔3.8〕=〔3.9〕〔3.10〕〔3.11〕〔3.12〕〔3.13〕〔3.14〕這就是機器人逆運動學(xué)問題的6個方程，它們給出了機器人置于任何期望位姿時，所需要的關(guān)節(jié)值。雖然這種方法僅僅適用于給定的機器人，但是，也可采用類似的方法來處理其他的機器人。求解機器人逆運動問題時所建立的方程，可以直接用來驅(qū)動機器人到達(dá)一個位置。事實上，沒有機器人真正用正運動方程來求解這個問題，所用到的僅是計算關(guān)節(jié)值的6個方程。換言之，對機器人進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計者必須計算逆解并且推導(dǎo)出這些方程，并反過來用這些方程來驅(qū)動機器人，到達(dá)所期望的位置。這樣做的原因是：計算機計算正運動方程的逆，或?qū)⒅荡胝\動并用高斯消去法來求解未知量〔也就是關(guān)節(jié)變量〕時，將花費大量時間。所以，機器人運動學(xué)的逆解往往比運動學(xué)正解更為重要，它是實現(xiàn)機器人軌跡控制和運動規(guī)劃的根底。3.3.4機器人控制系統(tǒng)機器人控制系統(tǒng)主要用于在滾邊過程中，控制滾輪的運動軌跡，并且與滾邊夾具、滾輪架、平安光柵、平安門等系統(tǒng)之間進(jìn)行通信，控制協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)中，每個單元之間的動作及順序，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行故障報警監(jiān)視。對一個完整的滾壓包邊工位，如果想要機器人來控制實現(xiàn)滾邊壓合過程，就需要通過可編程控制器〔ProgrammableLogicController，簡稱PLC〕來控制機器人抓持滾輪架，執(zhí)行滾邊程序，依次完成車門內(nèi)外板連接件的滾邊。所以，滾輪的運動軌跡是通過編程來實現(xiàn)對其的控制，編制整個程序以及對程序調(diào)試優(yōu)化的合理與完善，對整個車門滾壓成形有著重要的影響。對于不同狀態(tài)的沖壓件，可能有不同的成形要求，那么，我們可以通過編制不同的程序并且保存起來，適時調(diào)用，顯示出了其較高的靈活性。對于好的滾邊程序，應(yīng)能保證整個車門滾壓包邊成型后，不出現(xiàn)相對較嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，比方：角部不出現(xiàn)尖角，堆料和褶皺，直邊局部無波浪形變等，滾邊車門整體尺寸精度合格穩(wěn)定，外形美觀。3.4本章小結(jié)本章對機器人滾壓包邊系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，其主要由三大局部組成，即滾邊夾具系統(tǒng)、滾輪系統(tǒng)、機器人及其控制系統(tǒng)，并分別對這三大局部進(jìn)行了詳細(xì)的論述。[1]何濤楊竟等ANSYS10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導(dǎo)教程機械工業(yè)出版社2007.15-13[2]XiWang，JianCao，MingLi．WrinklingAnalysisinShrinkFlanging．JournalofManufacturingScienceandEngineering，2001，123：426-432[3]楊寬汽車覆蓋件包邊模預(yù)包邊機構(gòu)設(shè)計及仿真研究37[4]ZhangG,WuX,HuS.JNumericalAnalysisandOptimizationofhemmingProcesses[J].JournalofManufacturngProcessing,2003,(5):87-96.[5]彭朝陽劉渝等汽車覆蓋件扣合成形翹曲現(xiàn)象的力學(xué)分析[J].塑性工程學(xué)報第17卷第3期2010，6，76-80[6]Haarter,R.,FrictioninSheetMetalForming,theinfluenceof(local)contactconditionsanddeformation.UniversiteitTwente,Enschede,1996.p.iv.第四章機器人滾壓包邊過程有限元分析理論根底與軟件工具4.1有限元模擬工具簡介-ansys/ls-dynals-dyna是世界上最著名的、以顯式分析、結(jié)構(gòu)分析、非線性動力分析為主，兼有隱式求解功能、熱分析、流體結(jié)構(gòu)耦合功能、靜力分析功能的有限元程序。能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜幾何非線性〔大轉(zhuǎn)動、大位移和大應(yīng)變〕、接觸非線性〔50多種〕和材料非線性〔140多種材料動態(tài)模型〕問題，特別適合于求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的金屬成形、高速碰撞以及爆炸等非線性動力沖擊問題，同時也可以求解傳熱、流固耦合及流體問題。其具有以下幾個主要特點[1]：強大的分析能力：ls-dyna具有很廣泛的分析功能,其不僅具有非線性動力學(xué)分析功能以及多剛體動力學(xué)分析功能，還具有熱分析和流體分析功能；不僅能進(jìn)行結(jié)構(gòu)-熱耦合分析，還能對有限元-多剛體動力學(xué)耦合與多物理場耦合進(jìn)行分析；不僅具有裂紋擴展分析，還具有分析失效功能等等。豐富材料模型庫：目前l(fā)s-dyna擁有金屬、塑料、泡沫、橡膠、編制品、合材料、近炸藥、混泥土、粘性流體等150多種金屬和非金屬材料模型，同時還支持用戶自定義材料。易用的單元庫：目前l(fā)s-dyna具有體單元、梁單元、薄/厚殼單元、離散單元、焊接單元、束和索單元、SHP單元、節(jié)點質(zhì)量單元等等，而且每種單元又有許多算法可以選擇，比方以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法。充足的接觸方式：目前l(fā)s-dyna具有50多種可以供用戶選擇的接觸分析方式，使得其不僅可以求解各種剛體對剛體、柔體對剛體、柔體對柔體等接觸問題，并且可以對接觸外表的固連失效、流體與固體的界面以及靜動力摩擦等問題進(jìn)行分析。自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能：通常薄板沖壓變形模擬、薄壁結(jié)構(gòu)受壓屈服、三維鍛壓問題等大變形用自動剖分網(wǎng)格技術(shù)來解決，使得彎曲變形嚴(yán)重的區(qū)域皺紋更加清晰。強大的軟硬件平臺支持：幾乎所有類型的操作平臺和工作站都被ls-dyna支持并可平行運算，ls-dyna能針對不同的系統(tǒng)進(jìn)行平行處理運算，包括SMP〔ShareMemoryParallel〕與MP(MassivelyParallel)。另外，ls-dyna作為典型的結(jié)構(gòu)非線性分析工具，可以模擬模型尺寸大的航空航天工業(yè)、土木工程，小至DNG、IC。只要是結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)的領(lǐng)域，幾乎都有l(wèi)s-dyna的應(yīng)用實例，有力促進(jìn)了包括航空航天、石油行業(yè)、汽車工業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)等技術(shù)行業(yè)開展，影響是十分深遠(yuǎn)的。與一般的CAE輔助分析軟件操作過程類似，ansys/ls-dyna分析過程也包括問題的規(guī)劃、前處理、求解以及后處理四局部，如圖4.1所示。圖4.1LS-DYNA分析流程問題的規(guī)劃在分析的開始，必須先做好問題的規(guī)劃，即確定如何讓有限元程序模擬實際的物理系統(tǒng)，如分析的目的是什么？將模擬模型中哪些細(xì)節(jié)？將選擇哪種單位類型等等。好的規(guī)劃常常與精度和本錢、計算的時間有著直接的聯(lián)系，甚至決定著分析是否成功。前處理前處理主要包括設(shè)置Preference選項，指定分析所選用的單元類型，如果有實常數(shù)的話，還要定義相應(yīng)的實常數(shù)，以及定義材料模型、創(chuàng)立幾何實體模型后，對實體進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義part、定義接觸信息、邊界條件和載荷等。加載和求解指定分析的接觸時間與各項控制求解參數(shù)，形成ls-dyna程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入文件，即關(guān)鍵字K文件，然后，遞交給ls-dyna970求解器進(jìn)行計算。結(jié)果處理與分析后處理有基于ansys和基于ls-prepost兩種不同的后處理方式。既可以使用ansys通用后處理post1，來觀察整體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，使用時間歷程后處理post26，來繪制時間歷程曲線，也可以用ls-prepost進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力、時間歷程曲線的繪制。4.2有限元模擬1、建模首先，對機器人滾壓包邊進(jìn)行建模，實體建模有2種思路：自頂向下的構(gòu)造模型和自底向上的構(gòu)造模型。在此采用自底向上的思路來建模。圖4.2為通過有限元軟件對機器人滾壓包邊建立的三維模型和二維模型。結(jié)合實際情況，工藝和幾何參數(shù)分別是：滾輪直徑取50mm；內(nèi)外板長度取200mm，并使其厚度相等，為0.7mm；取外板的寬度為32mm；翻邊高度定為7mm；內(nèi)板離外板翻邊處的距離為2mm等主要參數(shù)。在沒有特殊說明的情況下,本文后章節(jié)都是以這些參數(shù)得出結(jié)論。外板內(nèi)板胎模滾輪外板內(nèi)板胎模滾輪滾邊夾具滾邊夾具(a)機器人滾壓包邊三維模型滾輪胎模滾邊夾具內(nèi)板外板滾輪胎模滾邊夾具內(nèi)板外板(b)機器人滾壓包邊二維模型圖4.2機器人滾壓包邊模型2、設(shè)置單元屬性有限元模型建好以后，接著設(shè)置單元屬性，其中，單元屬性包括：單元類型〔TYPE〕、實常數(shù)〔REAL〕和材料特性〔MAT〕等。本文模型中，滾邊夾具和胎模的建立，采用殼單元的原因是：對于機器人滾邊的有限元模擬過程中，采用殼單元不僅能減小模型的計算規(guī)模，縮短仿真的時間，而且滾邊結(jié)果的精度也略勝于實體單元[2]。而且，要分析內(nèi)外板的變形屬性，所以把內(nèi)外板定義為變形體，把滾輪、滾邊夾具以及胎模定義為剛體。在本文的有限元模擬分析中，使用的強化模型是：式中，K為強化系數(shù)，是塑性應(yīng)變，n為強化系數(shù)。采用的材料是深沖鋼板AKDQ〔AluminumKilledDrawQualitysteel〕，該材料的泊松比v=0.3，彈性模量E=200GPa，材料的強化特性如下列圖所示。圖4.3材料應(yīng)力應(yīng)變曲線在進(jìn)行滾邊過程中，內(nèi)板的變形和位移很小，但是，如果將內(nèi)板設(shè)置為剛體，那么會影響外板在滾邊過程中的上翹，這將可能導(dǎo)致仿真結(jié)果出現(xiàn)誤差。所以，為了仿真的準(zhǔn)確性，通常也把滾邊內(nèi)板的材料性質(zhì)考慮進(jìn)去[3]。由于本文模擬計算規(guī)模較大，為了縮短計算時間，所以將內(nèi)外板定義成一樣的單元屬性。無論采用哪種方法為所需要的實體模型指定屬性，都必須事先定義所需要的單元類型、材料屬性以及實常數(shù)。對模型的每個區(qū)域指定單元屬性，是為了防止在網(wǎng)格劃分的過程中，重置單元屬性。3、劃分網(wǎng)格在對模型設(shè)置完屬性后，接著對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在為模型劃分網(wǎng)格時，它的屬性將自動轉(zhuǎn)換到單元上。網(wǎng)格的形狀多種多樣，通常情況下，使用何種網(wǎng)格形狀，取決于所選擇的單元類型。如本文模型中的內(nèi)外板，該單元是正方形，那么，在劃分的時候選擇四面體選項。這樣選擇的原因是，為了防止因為單元的退化，而造成對分析結(jié)果的可靠性產(chǎn)生較大影響。因此，在指定單元形狀時，優(yōu)先考慮單元形狀本身形式的使用，如果不能劃分，那么再考慮退化形式。滾邊內(nèi)外板的網(wǎng)格劃分如圖圖4.4所示，如前所述，由于在滾邊過程中，內(nèi)板的變形和位移較小，對仿真的結(jié)果影響也較小，所以，可以將其網(wǎng)格劃分的稍微大一些，在減少計算時間的情況下，也對結(jié)果的影響較小。而對外板的網(wǎng)格劃分，就比擬麻煩一些，因為外板是主要的變形區(qū)，所以網(wǎng)格的劃分較內(nèi)板就要劃分的細(xì)一些。但是，假設(shè)整塊外板的網(wǎng)格劃分都很細(xì)的都話，計算規(guī)模就增大，也加大了計算時間。所以，我們只需在外板的翻邊局部，還有滾輪在包邊過程中，使外板可能發(fā)生翹曲的局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，如4.4下列圖所示，這樣不僅能減少計算時間，也能得到較精確的結(jié)果。圖4.4滾邊內(nèi)外板網(wǎng)格劃分示意圖4、定義接觸ls-dyna程序有50多種可以選擇的接觸分析方式，可以求解各種柔體對柔體、柔體對剛體、剛體對剛體等接觸問題。它有三種不同的算法來處理碰撞、滑動接觸界面，即動態(tài)約束法〔Kinematicconstraintmethod〕、罰函數(shù)法〔Penaltymethod〕、分布參數(shù)法〔Distributedparametermethod〕。此次模擬采用罰函數(shù)法，根本原理是：在每一個時間步里，首先檢查各個從節(jié)點是否穿透主面，假設(shè)沒有穿透，那么不做任何處理，如果穿透了，那么在該從節(jié)點與被穿透主面之間引入一個比擬大的界面接觸力，并且，其大小的穿透深度以及主面的剛度成正比。另外，ls-dyna普通〔Normal〕、自動〔Automatic〕、剛體〔Rigid〕等接觸類型。此次模擬采用自動接觸類型，其與普通接觸類型的區(qū)別在于：對殼單元接觸力的處理方式不同，普通接觸在計算接觸的時候，對殼的厚度不給予考慮，而自動接觸允許接觸出現(xiàn)在殼單元的兩側(cè)。兩種接觸類型中的殼單元接觸力，按照如圖4.5所示的方法計算。在實際模擬中，滾輪與外板翻邊局部接觸、胎模與外板底面接觸、外板與內(nèi)板接觸以及滾邊夾具與內(nèi)板接觸。圖4.5自動接觸與普通接觸殼單元接觸力的計算方法在進(jìn)行l(wèi)s-dyna接觸分析時應(yīng)注意：在定義材料的特性時要注意單位的協(xié)調(diào)，因為不正確的單位將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的響應(yīng)異常，甚至無法計算；同時，也要確保模型中使用的材料數(shù)據(jù)是精確的，因為多數(shù)非線性的動力學(xué)問題的精度與輸入材料數(shù)據(jù)質(zhì)量是密切有關(guān)；并且，在相同的PART之間不要定義多重接觸；防止單點接觸，容易引起沙漏模式。5、施加載荷、求解在對模型完成單元、實常數(shù)、材料性質(zhì)定義以及實體建模、有限元網(wǎng)格劃分，在此次模擬中，需對滾子施加載荷，以及對板進(jìn)行約束的設(shè)定。然后，一切設(shè)置完成后，就可以開始求解，但在求解之前，要對一些求解控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根本內(nèi)容包括計算時間控制，輸出文件控制以及高級求解控制。等求解完成后，分析結(jié)果，得出結(jié)論。有限元分析結(jié)果4.3.1包邊質(zhì)量缺陷機器人滾壓包邊零件質(zhì)量的好壞與否,與其它包邊方式一樣,將會直接影響車身裝配尺寸的精度、車身覆蓋件的外表質(zhì)量、以及整車外觀的強度和美觀性。因此，機器人滾壓包邊質(zhì)量的控制顯得尤為重要。在一般包邊過程中，主要三種典型的包邊質(zhì)量問題[4]：1、輪廓邊緣內(nèi)移或者外移；2、包邊輪廓附近的卷曲以及包邊外板件的面內(nèi)翹曲；3、回彈現(xiàn)象。輪廓邊緣內(nèi)移和外移如圖4.6所示，是一種尺寸精度問題，它主要影響汽車覆蓋件的裝配質(zhì)量。例如：汽車前、后車門與車體之間間隙的不均勻如圖4.7所示。圖中S為邊緣內(nèi)移或邊緣外移量C為內(nèi)外板間隙圖4.6輪廓邊緣內(nèi)移或外移間隙不均勻間隙不均勻圖4.7汽車前車門與車體