應用虛擬裝配技術(shù)建立汽車車身沖壓線三維模型，并通過在虛擬裝配環(huán)境下進行仿真的手段實現(xiàn)對沖壓線裝配路線的合理規(guī)劃，可有效改善沖壓線的裝配工藝，同時可縮短沖壓線組裝周期，提高沖壓線組裝質(zhì)量，降低沖壓線組裝成本。虛擬裝配是基于計算機生成的虛擬環(huán)境，對實體模型進行模擬裝配的過程，并對裝配過程和裝配結(jié)果進行分析和驗證。由于汽車車身沖壓線組成部件不僅體積龐大、數(shù)目繁多，并且相互之間的運動也非常復雜，導致各沖壓設備的裝配序列和彼此之間的裝配尺寸難以確定。如果按照傳統(tǒng)的人工試湊裝配方法，不但費時費力，延長沖壓線的組裝周期，直接影響到?jīng)_壓生產(chǎn)線按期投入生產(chǎn)，有時甚至由于部件相互之間存在干涉導致無法完成組裝成功。
針對上述問題，考慮企業(yè)的實際情況，本文應用虛擬裝配技術(shù)來解決車身沖壓線組裝的難題。在建立汽車車身沖壓線三維模型類庫的基礎上，構(gòu)建虛擬環(huán)境以完成沖壓線各零部件的裝配過程，并運用仿真手段對裝配結(jié)果進行驗證。因此，操作人員通過與裝配過程進行實時信息反饋和交互，可以直觀地看到自己的組裝結(jié)果，并且在此基礎上進行各部件間的干涉檢驗及布局調(diào)整，從而真正利用虛擬現(xiàn)實的手段實現(xiàn)沖壓線裝配路線的合理規(guī)劃。
沖壓線實體建模
沖壓線實體建模的核心問題是解決如何在虛擬環(huán)境中表達和存儲沖壓線各零部件的數(shù)據(jù)信息，使之能夠全面支持裝配工藝規(guī)劃、裝配分析與評價以及為裝配仿真提供所需的信息數(shù)據(jù)。因此，裝配模型是進行虛擬裝配的信息基礎和前提條件。
1、沖壓線基本建模工作
建模工作產(chǎn)生的所有的計算機模型格式主要采用catia v5文件，也可利用其他cad系統(tǒng)（如pro/e、autocad、ug）等來建立，利用中性文件格式進行轉(zhuǎn)換。虛擬沖壓線基本建模工作見表1。
2、建立虛擬沖壓線模型類庫
基于表1的沖壓線基本工作，建立壓機線組件庫、沖壓件庫、模具庫、端拾器零件庫等模型類庫，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。每一模型類庫對應計算機一文件夾下存儲的物理地址。
（1）壓機線組件庫
壓機線組件庫是整個虛擬沖壓線的主體，包括壓機、拆垛機、清洗機、對中臺、旋轉(zhuǎn)單元、上下料機械手、中間小車等。由于壓機結(jié)構(gòu)與空間布局相對固定，尺寸、外形、相對位置由壓機廠商提供，因此在后續(xù)的裝配過程中相對穩(wěn)定。
（2）沖壓件庫
沖壓件是壓機的工作對象，從車身設計部門提供cad圖紙，一般沖壓件包括車身外覆蓋件和大型內(nèi)襯件。
（3）模具庫
模具由沖壓件零件決定，模具cad圖由模具設計部門提供，根據(jù)沖壓件的不同選擇相應的模具數(shù)據(jù)文件。
（4）端拾器零件庫
吸盤及結(jié)構(gòu)件等構(gòu)成真空吸盤式端拾器部件。沖壓生產(chǎn)線其相鄰兩個壓力機的輸送單元主要有以下機構(gòu)組成：
□ 一個取料機械手，帶有中置并按工件形狀排部的真空吸盤式端拾器，負責將工件從上一臺壓力機取出放置在穿梭小車上。
□ 一個在壓力機之間固定軌道上移動的穿梭小車，負責將工件由取料機械手的放料位置移送到上料機械手的取料位置。
□ 一個上料機械手，帶有和取料機械手相同的端拾器，負責將工件由穿梭小車拾起并送入下一臺壓力機工位。
由此可見，端拾器是沖壓線拾取和放置沖壓件的重要執(zhí)行機構(gòu)。
沖壓線的虛擬裝配
在建立沖壓線各模型類庫的基礎上，通過調(diào)用各參數(shù)文件并進行虛擬裝配，調(diào)整每個零部件模型的三維空間坐標和結(jié)構(gòu)布局，并經(jīng)布爾計算確定各零件模型設計是否有缺陷（是否存在空間干涉或者間隙）。
壓機結(jié)構(gòu)以及壓機線的空間布局相對固定，模具是嵌入在壓機之上，沖壓件是直接從沖壓件庫中調(diào)用，按照catia提供的點線約束、點面約束、面面約束以及同軸約束等條件一一進行，直到裝配完成。因此，這部分的裝配工作簡單，并利用catia的宏（macro）命令將裝配過程錄制下來，實現(xiàn)一次裝配重復利用，即開始新的裝配任務時，通過宏命令回放直接完成該部分的裝配，必要時適當修改回放過程中的某些裝配細節(jié)。
端拾器的裝配工作則非常復雜，由于沖壓件根據(jù)生產(chǎn)計劃的要求而經(jīng)常變更，不同的沖壓件需要對應不同的端拾器抓取，因此，需要對catia進行二次開發(fā)，從而智能地輔助生產(chǎn)一線的技術(shù)人員針對不同沖壓件，快速地完成其相對應的端拾器部件的裝配。
本文采用catia的vba二次開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)端拾器的自動裝配，其流程圖如圖2所示。
1、操作人員從沖壓件庫里調(diào)出沖壓件數(shù)據(jù)文件，并設定吸盤類型與型號。
2、軟件根據(jù)沖壓件幾何尺寸，給出吸盤數(shù)量、參考尺寸以及吸盤在工件的布置點位置。操作人員基于軟件給出的吸盤的參考尺寸與布置點進行調(diào)整。
3、軟件生成端拾器的其他結(jié)構(gòu)件，自動裝配成端拾器部件，并計算吸盤受力情況。吸盤受力分析不通過，重復上述步驟，人工調(diào)整吸盤的參考尺寸與布置點情況。
4、上/下料機械手是連接端拾器和壓機的機構(gòu)。生成的端拾器與上/下料機械手、壓機組合裝配，并進行布爾計算檢查端拾器是否與沖壓線其他零部件存在空間干涉/間隙的情況，從而進一步調(diào)整端拾器結(jié)構(gòu)件的尺寸及空間布局。
5、操作人員保存軟件給出的、并經(jīng)過調(diào)整的端拾器裝配方案，為進一步的沖壓線仿真做準備。
端拾器裝配方案還需要經(jīng)過后續(xù)的沖壓線整體仿真驗證，即端拾器在工作當中是否會與沖壓線其他零部件發(fā)生運動干涉。如果后續(xù)的沖壓線仿真運行過程中、端拾器工作中沒有發(fā)生干涉，則端拾器裝配方案zui終得到確定。
端拾器自動裝配過程效果圖如圖3所示。圖中的對話框為操作人員輸入和調(diào)整端拾器吸盤型號、結(jié)構(gòu)件尺寸參數(shù)的控件。
虛擬沖壓線的仿真運行
1、沖壓線虛擬裝配環(huán)境構(gòu)建
虛擬環(huán)境是在計算機上構(gòu)建的模擬三維空間，它是整個虛擬裝配系統(tǒng)發(fā)揮作用的基礎。文中的虛擬裝配環(huán)境采用catia的real time rendering（實時建模）環(huán)境模塊，其內(nèi)容如圖4所示。
沖壓線模型類庫是構(gòu)成虛擬環(huán)境的主要內(nèi)容，是沖壓線實物數(shù)字化的過程。為了讓虛擬環(huán)境系統(tǒng)更貼近真實，必須對數(shù)字模型作光線、色彩、紋理聲音等方面的處理，使得虛擬裝配仿真達到視覺上的逼真。
對汽車車身沖壓線這類復雜多造型實體的渲染過程，可以通過為造型構(gòu)造lod的方法來減少實時繪制的開銷，從而加快瀏覽速度。lod是細節(jié)層次模型（level of detail）的英文簡稱，其主要思想是對于同一實體，根據(jù)其在虛擬場景的距離、視覺特性等規(guī)則，構(gòu)造一組可顯示不同多面體數(shù)量的三維模型。在模型驅(qū)動時根據(jù)所制定的規(guī)則，選擇相應的顯示層次，從而達到實時簡化模型，而又不影響視覺效果的目的。
2、裝配仿真的驅(qū)動
沖壓線運動要素主要包括壓機內(nèi)/外滑塊的運動；上/下氣墊的運動；模具夾緊器的運動；移動工作臺的運動；拆垛機、清洗機、對中臺的運動等。采用catia的 digital mockup（數(shù)字化模型）功能中的kinematics simulator（運動仿真）模塊，對沖壓線各運動要素進行運動約束處理，包括添加球面高副、柱面高副、球面低副、球銷副、圓柱套筒副、轉(zhuǎn)動副、移動副等運動約束。
需要特別說明的一點是，由于整條沖壓線上的運動機構(gòu)繁多，必須將整條沖壓線運動系統(tǒng)分解成許多子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都必須有一個零件固定于地表面，其他的零件與此零件構(gòu)成各種運動約束，使得該子系統(tǒng)成為空間運動構(gòu)件，其自由度應當大于零且與原動件數(shù)相等，則可通過catia的 mechanism analysis（機械模塊）檢查。當所有子系統(tǒng)都通過檢查，zui后組合進行沖壓線裝配仿真。
要讓虛擬沖壓線運動起來，還需要給可運動機構(gòu)賦予與實際工況相一致的運動規(guī)律。這可通過kinematics模塊為沖壓線運動機構(gòu)添加command操作來驅(qū)動，內(nèi)容包括各運動自由度運動的時間，運動的位置變化大小等。對于更為復雜的運動規(guī)律，可通過添加laws和speed-accelerations選項做進一步的詳細描述，使其運動規(guī)律與實際工況更加貼近。
catia real time rendering環(huán)境中的play a simulation功能界面可以將各零件在程序的驅(qū)動下的整個裝配過程以可視化形式顯示出來。圖5為裝配后的沖壓線簡化模型仿真運行過程的情景。
3、虛擬裝配結(jié)果的驗證
虛擬裝配過程是在計算機上實現(xiàn)的，虛擬現(xiàn)實作為從現(xiàn)實過程到計算機上的一種映射，它直觀地模擬了現(xiàn)實過程。通過虛擬現(xiàn)實達到對現(xiàn)實過程的前瞻性預測。
建立虛擬沖壓線的主要目的就是要在實際沖壓線裝配之前，對裝配方案進行可行性分析。因此，虛擬裝配結(jié)果的驗證，即沖壓線各組成單元之間的運動干涉檢查，是虛擬沖壓線仿真運行的主體內(nèi)容。
虛擬沖壓線各組成零部件模型按設定的運動規(guī)律的驅(qū)動下仿真運行，運行過程中如果沖壓線各運動單元之間發(fā)生干涉，軟件會發(fā)出警告并以醒目色把干涉情況表示出來。
如果仿真運行中各組成零部件之間沒有發(fā)生運動干涉，則虛擬沖壓線裝配結(jié)果得到驗證，輸出沖壓線整體裝配方案，等待下一次沖壓線裝配任務的到達。
結(jié)束語
本文應用虛擬裝配技術(shù)，在建立汽車車身沖壓線各組成模型類庫的基礎上，通過對虛擬沖壓線裝配后的運行過程進行仿真驗證，替代了原有的實物模型預裝配。沖壓線組裝人員通過虛擬裝配的手段實現(xiàn)沖壓線裝配路線的合理規(guī)劃，可有效改善沖壓線的裝配工藝，對于縮短沖壓線組裝周期、提高沖壓線組裝質(zhì)量、降低沖壓線組裝成本有重要的理論與現(xiàn)實意義。