毕业设计（论文）汽车车门自动包边机系统设计

目录摘要1Abstract21 绪论31.1 机器人滚边技术研究的背景及意义31.2 机器人滚边技术的发展现状与趋势52 机器人滚边工艺研究82.1 门盖产品总成结构82.2 包边类型112.3 包边工艺过程122.4 传统包边工艺142.4.1 手工包边工艺及设备142.4.2 压力机模具压合包边工艺及设备142.4.3 门盖专用包边机152.5 机器人滚边工艺163 机器人滚边系统173.1 滚边工具系统173.2 滚边夹具系统213.3 滚边胎膜设计233.4 滚边回转台253.4.1 电机选型计算253.4.2 轴承使用寿命计算273.5 滚边机器人及其控制系统284 基于DELMIA的机器人柔性滚边系统仿真验证304.1 机器人仿真技术概述304.2 国内外机器人仿真研究314.3 DELMIA介绍324.4 DELMIA仿真步骤334.4.1 创建滚边工作站334.4.2 创建TCP344.4.3 设置Tag354.4.4 夹具和转台运动建模364.4.5 连续运动仿真36结论38谢辞39参考文献39汽车车门自动包边机系统设计摘要：包边是指把经过翻边的板料折叠到180，它可以提高零件的外观，保证外表面光整平滑，没有压痕、凹陷、凸包等缺陷，同时增加整体强度和刚性。包边机器人能够针对不同工件对工作程序做出相应改变来适应工件的不同特征，面对不同的加工零件时都可以顺利地沿着工件的轮廓进行运动来进行滚压包边运动，相比其现有的包边设备，包边机器人具有很高的柔性化程度。本文结合门盖总成结构，概述传统包边工艺，研究机器人柔性滚边工艺。利用CATIA设计出机器人柔性滚边系统，并介绍滚边系统的各个组成部分，通过DELMIA仿真软件对机器人滚边工艺方案进行设计和验证。关键词：包边 机器人 仿真 Abstract: Hemming refers to folding the flange over 180 , which can make the appearance of the parts smooth without any indentation, sag or convex hull, and increase the strength and rigidity of parts. Hemming robot can change the operation procedures for the different parts and hemming successfully along the outline of machining parts. Compared with the existing other hemming equipment, hemming robot is highly flexible. This paper presented the traditional hemming process and gave a research of the robotic flexible hemming process combining with the door closure assembly. By CATIA, we designed the robotic flexible hemming process and introduced the different components. Moreover, the plan would be designed and verified through DELMIA simulation software.Keywords: Hemming Robot Simulation1 绪论汽车工业可促进一个国家的工业化进程，促进产业结构升级。世界发达国家都把汽车工业作为重要的战略性产业发展，都是国民经济的重要组成部分。汽车工业水平是一个国家现代化水平的重要标志。中国汽车工业是中国经济的重要产业，体现了中国工业化水平、经济实力和科技创新能力。纵观汽车工业发展百余年，人们对汽车的要求已从实用性、可靠性提高到对舒适性、美观性、安全性、实用经济性等方面的要求，从而对汽车车身也提出了许多新的要求，特别是外覆的门盖类件的表面质量。汽车左右前车门、后车门，发动机盖和行李箱盖(后背门)，即称四门两盖，是汽车车身总成的重要组成部分，因在车身制造中所具有的普遍性和工艺上的特殊性而被人们越来越重视。汽车四门两盖是汽车车身的外表开启件，装配后要与周围零件保持圆滑过渡和均匀的装配间隙，以达到良好的互换性。因此，要求门、盖外表面光滑平整，没有压痕、凹陷、凸包、折边翘曲等缺陷，且要保证工件整体尺寸精确、稳定。由于门盖在整个车身制造中所占有的比例及其所具有功能的特殊性，故对门盖生产工艺及设备和工装的要求很高。当今国际汽车制造业间的竞争日益激励，汽车开发周期不断缩短，新车型不断涌现，柔性与可重构车身生产线技术是针对当今制造业小批量多品种而发展的一种新生产模式，是缩短汽车开发周期、提高产品竞争力的关键之一。包边机器人能够针对不同工件对工作程序做出相应改变来适应工件的不同特征，面对不同的加工零件都可以顺利地沿着工件的轮廓进行运动来进行滚压包边，相比现有的包边设备，包边机器人具有很高的柔性化程度。1.1 机器人滚边技术研究的背景及意义中国汽车工业规模在迅速增长，中国汽车工业协会发布的统计数据显示，2010年中国汽车产销分别为182647万辆和180619万辆，同比分别增长3244和3237。其中乘用车产销分别为138971万辆和137578万辆，同比分别增长3383和3317；商用车产销分别为43676万辆和43041万辆，同比分别增长2819和2990。而美国2010年全年汽车销量为1150万辆，比中国汽车销量少了650多万辆。由此可见中国汽车产销量超过美国位居世界第一。汽车工业是基础工业部门，是国家经济独立和综合国力的核心标志，提高汽车工业的自主创新能力对加快工业化、提高国家工业的国际竞争力具有战略意义。中国加入世界贸易组织以后，汽车工业的自主创新也取得了令人瞩目的成绩。2006年自主品牌乘用车市场占有率由五年前的不足5%提升到近30%。自主创新带来的是民族汽车工业的显著成长，典型企业更是取得了骄人的发展。其中汽车自主品牌是进行自主创新的载体，但目前中国大多数汽车自主品牌规模小、技术含量不高、缺乏国际竞争力。中国汽车工业如果没有自主品牌做支撑，其在国际产业竞争中的地位就只能处于“低层”，甚至是依附地位。汽车产品失去品牌就失去市场，因此，要成为中国汽车大市场的主导者或有地位的竞争者，就要实施品牌优先战略，扶持自主品牌发展。随着汽车进入家庭比例的大幅度上升，汽车制造业间的竞争日益激烈，为了抢占尽可能大的市场份额，汽车生产企业在提高产量的同时，不断推出新车型来迎合广大消费者对汽车外观、价格等方面的个性化需求。美国近几年做的一个关于消费者偏好的调查显示“在以往的二十年里，绝大多数的消费者偏好的是汽车的款式而不是性能。”每年日本生产的汽车中24.3%的汽车有一个较大款式的变化。快速多变而庞大的市场需求决定了多品种小批量正在成为未来汽车的主要生产方式。生产模式的改变，车身生产线上原来的一些设备就成了降低产品开发成本、缩短开发周期的瓶颈。如何降低混线生产成本，提高生产效率和产品质量，已经成为国内汽车生产厂家亟待解决的共同问题。在汽车工业生产中，传统的门盖线的包边方式主要有压力机模压包边和车门折边机包边，机器人包边是新型的包边技术。(1) 压力机模压包边是将模压包边设备装在大型压机上，一次成形，生产效率高，可达到6090JPM，包边质量和外观均很好。对于不同的产品，模压包边可以通过更换不同模具来包边。但是，压力机模压包边的设备体积大，占地大，难于工艺调整和零件输送自动化。成本高、投资大，单个包边线约260万300万元人民币。(2) 车门折边机是采用油缸驱动杠杆翻转的预包边和包边技术，设备的体积小，布置灵活，可实现零件输送自动化，效率较高，可达5060JPM，但相对来说折边力较小，工件成形质量不是很好，且包边周期长，每台折边机都是专用的，只能生产一种产品，无法实现柔性化生产。成本很低，自行设计的单个包边线约70万人民币。(3) 新型的机器人包边技术，不仅设备的一次性投入小成本低，单个包边线约200万人民币，而且成型美观、柔性化制造、生产率高、作业面积小，最重要的是研发和制造周期短，提高了产品竞争力，适应汽车工业的快速发展，符合汽车制造业中车身柔性化生产线的发展趋势。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人的使用将变得普遍，品种可变庞大的柔性生产线将全面取代过去品种单一、限定性大的刚性生产线。随着我国制造业的迅猛发展，我国机器人的市场需求不断增加，机器人的销售量持续增长。专家预测，中国机器人到2010年拥有量将达到17300台，到2015年，市场容量将达十几万台（套）。汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、冲压、滚边等为主。我国汽车自动化装备的国产化率越来越低，平均占有率不到30%。在乘用车领域，装备的进口依赖度更高，在合资企业中，装备的国产化率一般不超过15%。我们在付出大量产品技术使用费的同时，也付出了巨额外汇购买外国装备和技术。而工业机器人焊装技术严重依赖国外的现象尤为突出，基本都是全套从国外引进。昂贵的进口设备虽然满足了部分汽车企业批量生产的需求。尤其是柔性与质量保证等方面，不利于我国机器人系统自主开发能力的提升，也不利于我国汽车行业的进步。激烈的国际竞争及我国落后的工业机器人制造及应用技术已严重制约了民族汽车工业的发展。1.2 机器人滚边技术的发展现状与趋势国外基于门盖线机器人柔性自动化岛的发展趋势主要是利用系统仿真技术、虚拟制造技术、计算机和信息技术等多种高新技术进行大型自动化生产线的设计开发、控制协调和管理，自动化生产线的在线检测及监控技术以及生产线的模块化和可重构技术也是各大汽车装备集成制造商在大力研究发展的新技术。他们的白车身门盖生产已经普遍采用机器人大型自动化生产线。此外一批具有影响力的、著名的工业机器人公司、自动化公司，如瑞典的ABB Robotics、日本的FANUC、德国的KUKA Robot、EDAG、ThyssenKrupp、意大利COMAU公司等，已经成为其所在地区的支柱性产业，它们的机器人本体制造技术稳定、先进，但其所提供集成技术解决方案才是它们真正的核心竞争力。各机器人系统集成解决方案提供商，在工业机器人系统集成技术领域正向着规范化和系列化发展，如通用、宝马、奔驰等汽车巨头，用于门盖线生产的机器人都已在万台套以上，而且这种方法基本已经成为中高档汽车门盖生产的主流。国内在汽车门盖线生产方面，汽车门盖生产主要是以压力机模压包边和车门折边机两种方式为主。对于模压包边，虽然生产率高，工件质量稳定，类似于冲压工艺但又有区别，但缺点是难以实现柔性化生产、设备维护成本高、作业面积较大。而车门折边机，虽然它的一次性投入最小，但由于折边力相对较小，工件成形质量不是很好，而且每台折边机都是专用的，只能生产一种工件，无法实现柔性化生产。随着改革开放的进行，20世纪80年代中期，我国的部分汽车生产厂家有机会了解到国外先进的门盖线机器人柔性自动化生产技术，由于当前国内的自动化装备综合技术实力还不足，不具备设计制造高水平的成套门盖线的能力。整套技术完全掌握在少数几家国外自动化公司手中，面对汽车行业的激烈竞争又不允许国内的汽车生产厂家用国产的装备进行试验，只好成套引进，使得国内汽车厂家近年来与国外水平的差距越来越大。采用机器人带动滚压机构进行包边是21世纪初国外汽车工业界的新趋势，它能够针对不同几何形状的零件，采用不同的包边路径，因此对不同零件具有柔性，大大降低了模具费用，由于可以采用同一机器人完成上下料、涂胶、包边等一系列工艺动作，因此减少了装卸时间。它既适用于产品试制阶段，也适用于大批量流水生产线使用。自上世纪九十年代以来，机器人滚压包边技术引起了汽车制造业的广泛关注。世界各大汽车公司对机器人滚压包边设备的开发都给予极大的重视。近几年，在这一领域已出现不少专利，如日本丰田汽车公司发明的机器人包边设备，使用了一种空气轴承的单个滚子滚压机构，将预包边滚子和包边滚子固定在串联机器人的机械手上，通过机械手沿工件边缘的平动，实现工件的滚压包边。一套机器人滚边系统的投资比一套进口液压机包边系统投资相对少，这使其在国内应用成为可能。机器人滚边系统只需要包边下模具，而且下模具的结构简单，模具只需要复型车门外轮廓，而且可以是分模，成本相对较低。多车型车门生产时，需要更换包边模具。由于机器人滚边下模具简单，没有上模，换模相对容易，容易实现自动化，柔性好。机器人滚边速度适中，比液压包边机包边慢，一般一个机器人滚边的纯滚边时间大约在4050s左右，基本可以满足一般中等规模生产需要。如果生产规模大、产量高，可以根据需要在滚边系统中增加13个滚边机器人，这样纯滚边时间可以大大的缩短，提高生产节拍。随着人们对机器人滚边系统的了解和我国汽车工业的发展，机器人滚边系统将会越来越受到国内汽车制造商的青睐。2 机器人滚边工艺研究2.1 门盖产品总成结构门和盖这类总成结构上都是由外板总成和内板总成组成的。内、外板总成又是由各自的小件装焊而成的。轿车内板总成往往由内板、加强板、凸焊螺母或螺柱焊接而成的。外板总成一般为冲压件，有的外板总成在外板上焊接门把手加强板或门铰链加强板而形成合件。不同车型构成内外板的零件会有所差异。但有一点是相同的，即门盖在形成内外板总成后，一般都要采用包边工艺，将内外板连成一体。要求表面平整光滑, 无坑包、压痕、变形等表面缺陷, 且车盖总成整体尺寸要求准确、稳定, 保证车盖总成在白车身装配后与周围零件保持均匀的面差及间隙, 以达到良好的互换性。车盖总成的装配、焊接及合成质量, 在一定程度上反映了汽车车身总成的制造水平。图2.1 发动机盖外板总成图2.2 发动机盖内板总成图2.3 左后门外板总成图2.4 左后门内板总成图2.5 门盖总成工艺流程2.2 包边类型包边主要用于汽车外覆盖件中的门盖类件，这些零件大都为空间曲面结构，形状复杂，但只从单个截面来分析，其包边主要的类型有5种，如图1到图5所示，图1扁平包边是目前最常用的类型，图2直接包边用于特殊无内板处包边的部位，图3突尖角包边用于内板较厚、板厚有变化的门盖件，图4凸起包边目前基本不采用，图5环形包边主要用于发动机罩上端的包边。图2.6 包边类型2.3 包边工艺过程包边是指把经过翻边的板料折叠到180，它可以提高零件的外观，保证外表面光整平滑，没有压痕、凹陷、凸包等缺陷，同时增加整体强度和刚性。一般包边的过程分为三个步骤：翻边，预包边，终包边。需要包边的外板冲压成型后, 其周边有一圈宽10mm12mm、与外板本体成90的翻折边, 这条边就是待包边。包边时, 待包边向内翻折90包实内板边缘。理论分析和试验表明, 很难做到将待包边从90一步翻折至0并包实内板边缘。因此, 我们一般将包边工艺分成两步，首先将待包边从90翻折至45, 称之为预包边; 然后再将其从45翻折至0并压实,称为终包边。根据车身装配工艺技术要求, 包边成型后的零件周边必须平滑顺畅, 没有波状起伏和明显皱褶, 内板和外板包合处必须平实服帖。同时, 为了保证整车外观美观, 内外板在包边过程中都不允许有任何变形及损伤。根据待包边和所要包曲面的形状，包边又分为平面-直边包边、平面-曲线包边、曲面-直线包边、曲面-曲线包边。图2.7 包边类型 翻边 预包边 终包边图2.8 包边步骤(1)包前状态。被包件翻边与外板法向平面的夹角通常为9O，在某些特殊要求的被包件上也会有不同，但尽量都设计在9O左右，这样有利于进行包边。(2)预包状态。因压人角和回转点的限制，包边分预包和终包两个阶段。预包角a基本按45完成，在被包边件翻边很短的区域预包角也可以设计为30。(3)终包状态。将翻边完全压贴，同时将被包件的外形面的最终状态与包边机模腔型面压至一致。也有某些特征部位需要保留翻边的地方，只允许压入30，则终包通过限位装置实现控制。2.4 传统包边工艺2.4.1 手工包边工艺及设备手工包边工艺通常适用于小批量或试制生产。该工艺主要采用简易工装胎模支撑门或盖，工人使用木榔头等工具逐点、逐段敲砸、压合成形，从而完成门盖包边工作。手工包边工艺及设备的优点是设备最简单，投入最低，占地面积最小。缺点是效率低，包边质量差，工人劳动强度大，车间噪声大，只适用于试制或小批量生产，对于各类汽车生产企业的门盖包边不推荐使用。2.4.2 压力机模具压合包边工艺及设备这种工艺方法是在大台面通用压力机上采用上、下模具压合的方式进行包边，包边质量好，效率高。若更换模具可轮番生产不同的门盖总成。轿车门盖包边一般采用公称压力为15002000kN的液压机，旅行车及载重货车车门包边一般采用公称压力为25003150kN的液压机。包边压合模具一般分为两套，即45和90包边模各一套，分别完成45和90包边。目前多采用复合包边模具在压力机上安装门盖包边复合模具，一次行程即可完成45预包边和90包边。若在压力机上配备单向或双向移动工作台，或者配置换模台车进行模具更换，就可适应不同的门盖包边。不但节省设备投资，而且易于产品更新换代。改变产品，仅需更换模具即可实现设备的改造计划，节省了设备投资。这种方式具有一定的柔性，适合各种批量、各种车型门盖的包边，并能满足产品换型要求，但模具设计与制造较复杂。门盖包边要视年产纲领大小，选用一台或多台压力机，配置复合模具，与车间其他焊接生产线按节拍均衡生产，也可通过更换模具对门盖轮番组织生产。尤其在小批量多品种生产时其优点更为突出，可以利用更换模具改变不同产品门盖的包边。缺点是在多品种轮番生产时，要求车间要有足够的门盖总成存放面积，才能与车间其他生产线配套生产，因此，轮番生产对车间的组织和管理水平要求较高。压力机模具压合包边工艺及设备适用于各种批量、各类车型、各种档次汽车门盖的包边生产，灵活性大，不仅适合于各种批量多品种生产的中小型汽车制造企业，也适合于大中型汽车制造企业。缺点是压力机本身尺寸大，国产压力机地面高度尺寸一般在5m以上，要求厂房不能太低，且维修复杂。(1)当包边质量要求不高，年产量在10万辆左右的多品种低档车门盖包边(如微型轿车、微型面包车和皮卡车等)，采用压力机模具压合包边工艺。选用3台国产四柱式液压机，配备国产复合模具，轮番组织生产各种门盖总成。(2)当包边质量要求较高，年产量在10万辆左右的多品种中档车门包边(如小型轿车、紧凑型轿车、SUV车和MPV车等)，采用3台国产框架式液压机，配套国产模具，投资许可时可配套进口模具，轮番组织生产各种门盖总成。(3)当包边质量要求很高，年产量在10万辆左右的多品种高档车门盖包边(如中型轿车、中大型轿车、豪华轿车、SUV车和MPV车等)，采用3台国产框架式液压机，加上进口模具，或成套进口包边压力机和包边模具，轮番组织生产各种门盖总成。2.4.3 门盖专用包边机门盖专用包边机是将设备和包边模块设计为一体。目前，国产专用包边机主要由主机、液压泵站和可编程控制器三大部分组成。主机由机架、气动夹紧装置、气动升降机构、45包边模块和90包边模块组成。同时主机上可设计带自动进料、自动出料等传送机构。当工件被放置在传送机构上传送到位后，气动升降机构将工件降落到主机模腔内，由气动夹紧器将工件定位夹紧，先由45液压模块动作，完成45预包边，而后再由90液压模块动作完成90包边。专用包边机只能一个门或一个盖一台专机，不能互换。专用包边机生产率高，单台设备占地面积小，生产中可与车间其他生产线节拍相吻合，实现同步化生产。因此，专用包边机适用于单一品种大批量流水生产线。国产专用包边机还有一个最大的优势是价格便宜，一台专用包边机目前价格在30万元左右，约是压力机加上复合模具价格的14。因此，国产门盖专用包边机在20世纪90年代初由江苏华宁电子集团(电子部第十四研究所)开发研制成功后，广泛用于了中小型汽车制造企业轻型载重货车、面包车、皮卡车和微型汽车门盖的包边生产。目前，南京鑫浦机电设备制造有限公司(电子部第十四研究所)正在开发研制用于中、高档轿车门盖专用包边机。随着技术的进步，国产专用包边机必将替代进口专用包边机，对降低产品成本、提高生产效率是非常有利的。专用包边机分国产专用包边机和进口专用包边机。国产专用包边机生产率高、价格便宜，常用于载重货车、皮卡车和微型汽车等门盖的包边。对门盖包边质量要求高的中、高档轿车，进口专用包边机无论从设备结构、包边质量上都优于国产专用包边机。但进口专用包边机价格高，一般为20 25万美元，约是目前国产专用包边机价格的57倍。(1)对于微型轿车、微型面包车等门盖包边，年产量在10万辆及其以上，产品较单一时，选用6台国产专用包边机，组织6条流水生产线，较为经济合理。(2)对于包边质量要求较高的中、高档轿车，年产量在10万辆及其以上，产品较单一时，可选用6台进口专用包边机，组织6条流水生产线，与车间其他焊接生产线进行同步生产。(3)对于包边质量要求很高的高档车，如中型轿车、中大型轿车等，年产量在10万辆及其以上，单一产品时，门盖包边采用6台进口专用包边机，与机器人等成套工装设备组成6条自动化生产线，其中包括外板涂胶、内、外板总成装配、包边及固化等工装设备。工位之间搬运由机器人来完成。2.5 机器人滚边工艺包边机器人的工作原理：是让位于机械臂的终端的滚筒能够沿着被包边工件的轮廓进行运动，通过滚筒所施加的力将工件在冲压过程中预留的翻边，也就是待包边在滚筒的作用下向内侧翻折，从90度到45度最后变成0度或者从90度到60度后变成30度最后变为0度，从而将外板的待包边紧紧压紧内板，使外板和内板整合成一体。机器人滚边系统主要由滚边工具系统、胎模夹具系统和机器人控制系统三部分组成，具有较高的柔性。同一机器人可以通过调用不同的程序对多个产品进行包边，大大降低生产成本，单台设备占地面积小，噪声小且设备维修简单，维护成本低。当更换胎模和夹具，修改滚轮即可，降低汽车产品的生产成本并缩短开发周期，提高产品竞争力。3 机器人滚边系统3.1 滚边工具系统滚边工具系统是整个系统中结构比较简单的部分。由换枪盘、弹性连接组件、滚边头组件三部分组成。滚边工具系统通过换枪盘上的法兰与机器人相连。由于滚边技术本身的特点，滚边过程一般分为24次顺序完成，因此滚轮通常设计有翻边轮、压实轮、水滴型轮、细轮。本设计将这些滚轮分解到2个滚轮架中，视具体情况而定，以在滚边过程中滚轮之间不产生干涉为准则。换枪盘采用NITTA的Omega4系列换枪盘，如图3.1，为气压驱动式自动工具交换装置。基本参数为承重200kg，最大力矩1500kgcm，最大转矩1500kgcm。基本上分为两部分，由机械手接头和工具接头组成。运用接头板能够安装所有机械手和工具。还备有向工具侧传输信号的电子信号针。机械手接头是的换枪盘基本组成部分。在机械手接头主体安装着传输安装状态信号的感应器。从此感应器输出夹头侧信号、非夹头侧信号及连接确认信号。工具接头是构成换枪盘的另一个基本部分，用于安装工具。在工具接头上设有锁定螺栓，与固定机械手接头用凸轮啮合。将机械手接头和工具接头相互连接起来的凸轮结构是一个特殊结构，能自动补充连接时的偏移和长期形成的磨耗。这些凸轮靠汽缸工作，即使一时超过最大荷重，凸轮也不会脱落。这样超负荷时，机械手接头和工具接头的接触面略微分离，但两个接头绝对不会脱落。还有，这些凸轮装有安全装置。即凸轮通过弹性式汽缸工作时，即使在气压急剧下降等情况下，工具接头也不会落下。图3.1 换枪盘弹性连接组件内部为花键连接，花键端部带有矩形压缩弹簧，通过调节弹簧的压缩量可以得到不同的压力值，以满足预包边与终包边不同滚边力的需求，同时弹簧对滚边工具的缓冲，可以起到对滚边工具的保护作用。如图3.2。端部的压力传感器用来检测滚边过程中滚边工具系统受到的力，以便调试机器人。图3.2 弹性连接组件滚边头组件由于与工件接触，要承受很大的压力，而且与工件有相对运动，因此对滚边头的材质要求较高，要求滚边头具有较高的屈服强度和抗拉强度，耐磨性能好。一般可以采用合金工具钢，如42CrMo、40CrMnMo等。表面要求淬火、回火，使用时滚边头表面硬度为54HRC左右。翻边轮一般为预包边轮，终包边采用压实轮，对于发舱盖的后端，则用水滴型轮进行包边，细轮则用在滚边外形曲率较大及拐角处，保证滚边工具不与板件干涉，且保证滚边质量。如图3.3图 3.3 滚边头组件3.2 滚边夹具系统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。包括门盖外板件的定位夹紧和门盖内板件的定位夹紧。外板件的定位及夹紧机构跟胎膜连接在一起，外板件优先采用孔定位。如果外板件上无定位孔，则选择外形定位，采用吸盘将外板件牢牢地贴住胎膜型面。定位块的位置及数量要布置得合理、充分，以保证在滚边过程中当部分定位块打开时外板件不会发生移动。如图3.4、3.5。内板件采用孔定位，如果内板上设计有滚边专用定位孔，则必须使用此孔定位。因为在滚边过程中，定位孔的受力是不均衡的，每个方向可能受力，普通的定位孔有产生变形的可能。内板定位好后，需要采用专门夹具对内板件夹紧。在设计夹具之前需要确定门盖内外板件的MCP及MCS。主要产品精度控制点MCP(Master Control Point)，也被称作PLP（Principal Location Point），为车身冲压和焊装工艺共同使用的基本理论定位点。MCP是指在车身产品图纸设计阶段，从产品的结构，冲压件、焊接总成件尺寸特性等级划分的角度，按产品工艺的规划顺序，根据车身精度传递原则，在冲压件、焊接分总成件和车身本体总成上逐级选定的主要产品精度控制点。MCP理论是基准统一理论的沿用，要求产品、工艺、工装等各个工艺顺序的基准重合，实现设计尺寸和工艺尺寸的高度统一，从而指导产品的设计和工艺工装的设计。车身产品MCP点的确定应是在车身各级冲压单件、分总成件和单个产品数模设计确定后，沿着整车白车身车身本体及活动件底板、侧围、顶盖大总成各级分总成冲压单件的顺序自上而下进行设计， 以产品的MCP点的设计为主线，以确定各构件的产品设计和工艺定位基准，确保车身在制造工艺上精度传递的“一致性、直接性和稳定性”。MCP三性原则的确定使白车身的各级MCP点按从下级到上级逐渐为副定位的方式相应传递和减弱，保证在白车身本体最后组焊时动力总成和底盘附件的重要装配孔位，影响整车外观平顺性的重要型面边缘作为最后工序的定位、压夹和检测点，以满足整车的外观和内在的使用要求。MCP信息确认后，通过对MCS(Master Control Section)的分析，确定各关键定位夹紧点的位置，进行夹具设计。由于滚边过程为薄板件的受力弯曲变形过程，故夹紧点应选择靠近滚边轨迹，且靠近尖角处，保证内外板件在滚边过程中与胎模完好贴合。图3.4 车门夹具图3.5 发舱盖夹具3.3 滚边胎膜设计门盖外板件放在滚边胎膜上，由于胎模型面直接与板件外板接触，其加工精度直接影响板件的外板质量和包边精度。滚边胎模采用整体铸造数控加工而成，其型面与门盖外板的型面相吻合。在包边胎模设计之前，首先应对产品数模进行综合分析，确保数模的正确性，没有自我干涉、掉面、剪裁不齐等缺陷，进而确定胎模设计的基准面。胎模的上表面与产品表面完全一致，侧面则与板件表面垂直，便于滚边，且保证滚边工具与胎模无干涉区。由于胎模内部有较大的空腔，导致胎模在滚边受力状态下的刚度和强度不足，需要在内部设计支撑架及加强筋，以保证胎模侧壁的强度。一般胎模体积较大，重量较重，则在保证胎模滚边刚度和强度的前提下，在支撑架和加强筋结构中挖出空洞，既节省材料，同时也减轻了胎模重量。方便设备的加工制造、安装调试及维护。在滚边过程中，为保证滚边质量，采用吸盘吸紧板件，当滚边夹具打开时，对板件进行固定。为防止吸盘吸力过大，导致板件变形，在胎模空腔设计有尼龙块，对板件进行支撑，同时尼龙块的选用也避免了对板件的损害。如图3.6，图3.7。胎模一般选用模具钢或轴承钢，保证其加工精度及胎模的强度。根据胎模的三维设计，对胎模进行保模设计，制作消失模，通过对消失模关键点的摄像采集，检测其加工精度。然后对胎模进行整体铸造成型，对成型后的胎模进行机加工，保证胎模上边面的精度，确保与产品外形完全一致。最后再对其进行人工检测及修磨。图3.6 发舱盖胎模图3.7 车门胎模3.4 滚边回转台为了大大地缩短纯滚边时间，提高生产节拍，本设计采用回转台的形式。当滚边机器人在工作的时候，转台另一边工人或机器人可以安放、取出门盖内外板件，这样可以减少因为板件安放和拿取的时间而造成生产节拍的延迟。另外，滚边机器人离滚边夹具和胎膜系统的距离比较近，如果没有回转台的话，滚边机器人完成滚边后工人的操作空间会非常小，并且工人的安全没有保证。滚边转台主要由六大部分组成：旋转工作台滚边夹具和胎膜等的支撑体，通过传动单元的传动，使其旋转180度后到达工作位置；动力单元依靠电机带动回转支承运动,实现转台转动的传动装置；定位单元因为齿轮之间有间隙，所以依靠电机带动不能实现精确的定位，故依靠定位锁死机构能使工作台在没有到位的情况下，依靠气缸的作用使工作台到达特定的位置，能提高转台的定位精度，保证滚边质量；底座工作台的支撑体，用螺栓等把其固定在大地等位置。如图3.8图3.8 滚边回转台3.4.1 电机选型计算根据胎膜和滚边夹具的重量和滚边过程中施加力的情况，做如下简图进行计算：图3.9 转台简图 表3.1 单排交叉滚柱式回转支承系列基本参数已知：转台的速度为10r/min，胎膜和夹具的最大重量约为3000kg，选型按照极限重量4000kg；设计中规定胎膜和夹具的重心不准超过回转中心100mm，选型按照偏差为100mm进行设计。设计转台中两齿轮之间的减速比为17:96=0.177，故求得小齿轮的转速为56r/min。转动转台需在轴承处施加力为，转矩，电机的转矩，电机的功率。根据SEW电机样本选择减速器的型号为SF77,na=56r/min，输出扭矩Ma为455Nm的减速器，根据SEW样本推荐选择功率约为3KW的型号为MSK070E-XXXX-NN-X1-UPX-NNNN的Rexroth伺服电机。3.4.2 轴承使用寿命计算表3.2 轴承参数根据已知条件对轴承进行计算表3.3 回转支承安全系数按照静态工况选型按照动态工况校核寿命图3.10轴承的承载能力曲线查看轴承113.25.710型号轴承的承载能力曲线，可以看出其承载能力远远大于按照动态工况计算的结果3.5 滚边机器人及其控制系统本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。滚边过程由机器人抓持滚边工具执行滚边程序，依次完成整个车门的滚边。滚轮运动轨迹的控制通过编程来实现，可以编制保存不同的程序，用于不同状态的冲压件及不同的成型要求来调用，灵活度高。控制系统用于控制机器人的动作，与滚边夹具、滚边工具放置架、安全光栅、安全门等系统之间进行通信，控制协调整个系统中每个单元之间的动作及顺序，并对整个系统进行故障报警监视。图3.11为本设计所用机器人KUKA KR210-2.图3.11机器人 程序是这个系统中的核心。程序的编制原则一般是在滚边轨迹的沿线每间隔一定的距离设置一个坐标点，每个坐标点之间的轨迹通过设置一条样条线来拟合，只要坐标点的位置及样条线设置的合理，轨迹完全可以满足成型设计要求。采用这种方式编制滚边程序可以大大减少编程的时间及成本。程序是在整个系统的设计过程中预先离线编制而成，并在软件中进行全程模拟好的。在现场调试阶段再根据具体冲压件的尺寸及状态，进行最终的修改完善，因此在现场需要大量的程序调试及优化工作，要求机器人调试工程师具备丰富的现场调试经验，以应对现场出现的各种问题。车门角部的处理技术在整个车门滚边中是一个难点，此处受外板冲压件翻边高度及角度的影响很大，对冲压件要求比较严格，否则容易出现外板包不住内板、堆料起皱等缺陷。整个程序编制以及调试优化得是否合理、是否完善，对车门滚边成形有着至关重要的影响。一套好的滚边程序应能保证车门滚边成形后，角部不出现尖角、堆料、褶皱，直边部分无波浪形变，外板表面无坑、包等质量缺陷，使得车门滚边整体尺寸精度合格稳定，成形美观。 4 基于DELMIA的机器人柔性滚边系统仿真验证4.1 机器人仿真技术概述机器人系统仿真是指通过计算机对实际的机器人系统进行模拟的技术。机器人系统仿真可以通过计算机对单机或多台机器人组成的工作站或生产线进行模拟。仿真可以通过交互式计算机图形技术和机器人学理论等，在计算机中生成机器人的几何图形，并对其进行三维显示，用来确定机器人的本体及工作环境的动态变化过程。通过系统仿真，可以在制造单机与生产线之前模拟出实物，缩短生产工期，可以避免不必要的返工。在使用的软件中，工作站级的仿真软件功能较全，实时性高且真实性强，可以产生近似真实的仿真画面；而微机级仿真软件实时性和真实性不高，但具有通用性强、使用方便等优点。目前机器人系统仿真所存在的主要问题是仿真造型与实际产品之间存在误差，需要进一步的研究解决。机器人仿真主要应用在两个方面：一是机器人本身的设计和研究，这里机器人本身包括机器人的机械结构以及机器人的控制系统， 它们主要包括机器人的运动学和动力学分析，各种规划和控制方法的研究等。机器人仿真系统可为这些研究提供灵活和方便的研究工具，它的用户主要是从事机器人设计和研究的部门和高等学校。机器人仿真的第二个方面的主要应用是那些以机器人为主体的自动化生产线，它包括机器人工作站的设计、机器人的选型、离线编程和碰撞检测等。机器人可为此提供既经济又安全的设计和试验的手段，它的用户主要是那些使用机器人的产业部门。机器人是一种通用机械，通过重新编程，它可以完成不同的工作任务。当机器人改变工作任务时，通常需中断机器人的当前工作，先对机器人进行示教编程，然后机器人按照新的程序执行新的工作。若借助于机器人仿真系统，就可首先在仿真系统上进行离线编程，然后将编好的程序装到机器人中，机器人便可按照新的程序执行新的工作。因此机器人可不必中断当前的工作，从而提高了生产效率，而且这种方法既经济又安全。利用机器人仿真系统进行离线编程在国外已十分普遍，它是机器人仿真系统应用最普遍和最典型的例子。4.2 国内外机器人仿真研究国外很早便认识机器人仿真在机器人研究和应用方面的重要作用，并从70年代开始进行了这方面的研究工作在许多从事机器人研究的部门都装备有功能较强的机器人仿真软件系统，它们为机器人的研究提供了灵活和方便的工具。倒如，美国Cornell大学开发了一个通用的交互式机器人图形仿真系统INEFFABELLE，它不是针对某个具体机器人，而是利用它可以很容易建立所需要的机器人及环境的模型，并且具有图形显示和运动的功能。西德Saarlandes大学开发了一个机器人仿真系统R0BSIM，它能进行机器人系统的分析、综合及离线编程，美国Maryland大学开发了一个机械手设计和分析的工具DYNAMAN，它能产生机械手的动力学模型根据需要可以自动产生F0RTRAN的仿真程序，同时也可产生符号表示的雅可比矩阵，MIT开发了一个机器人CAD软件包OPTARM，它可用于时间最优轨迹规划的研究。Michigan大学开发了一个机器人图形编程系统PR0GRESS，其特点是菜单驱动和光标控制，并能有219图形符号来仿真外界的传感器和执行部件，以使用户获得更加接近真实的编程环境。自80年代以来国外已建成了许多用于机器人工作站设计和离线编程的仿真系统，例如美国MCAUTO公司开发了机器人仿真系统PLACE，它主要用于机器人工作站的设计。通用电气公司的研究开发部对Robot-SIM 进行了改进工作。Intergraph公司也研制了一个机器人仿真系统，它更加强调机器人的动力学特性和控制系统对精度及整个性能的影响。Computervision公司开发了软件包Obographix，它具有产生机器人工作路径、仿真机器人运动及碰撞检测等多种功能。Autosimulations公司研制了两个机器人仿真软件包AutoMod和AutoGram ，AutoGram是利用GPSS仿真语言的建模软件，AutoMod是图形显示软件。Deneb公司开发了IGRIP软件，它主要用于工作站设计和离线编程。SRI国际部研制了仿真软件包RCODE，它具有几乎实时的碰撞检测功能，西德Kadsruke大学建立了机器人仿真系统ROSI和ROS2。法国LAMM开发了CARO系统，它主要强调三维数据库设计技术，快速性及能在小机器上运行是其追求的目标。以色列OSHAP公司推出了ROBCAD，它主要用于工作站设计和离线编程，并能将程序下装到系统内。国内从80年代后期起，许多单位也开始从事机器人仿真技术的研究工作。在国家高技术计划自动化领域智能机器人中，清华大学、 浙江大学、沈阳自动化所及上海交大等单位承担了机器人系统仿真的研制任务，取得了多项研究成果。哈工大、北航、国防科大等单位承担了机器人机构仿真的任务，最后也研制成功一个大型的机器人仿真软件。4.3 DELMIA介绍DELMIA解决方案涵盖汽车领域的发动机、总装和白车身（Body-in-White），航空领域的机身装配、维修维护，以及一般制造业的制造工艺。使用户利用数字实体模型完成产品生产制造工艺的全面设计和校验。DELMIA数字制造解决方案建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型（PPR）上，此模型使得在整个研发过程中可以持续不断地进行产品的工艺生成和验证。通过3D协同工作，PPR能够有效地支持设计变更，让参与制造设计的多个人的每一个人能随时随地掌握目前的产品（生产什么）、工艺与资源（如何生产）。基于PPR集成中枢的所有产品紧密无缝地集成在一起，涵盖了各种工艺的各个方面，使基于制造的专业知识能被提取出来，并让最佳的产业经验得以重复利用。DELMIA在提供给用户技术与协同工作环境两方面，不断创新进步，以更好地数字化定义产品的制造过程。随着产品的持续改善，客户通过使用DELMIA解决方案，能够大大地提高生产力、效率，在安全性和品质方面得到最大的效益，并同时降低成本。CATIA, ENOVIA 和 DELMIA 解决方案促进了企业技术的改革与创新，减少了产品开发时间，提高了产品质量，增强了产品的竞争力，维护了投资者的利益。CATIA提供产品的解决方案；DELMIA提供工艺与资源的解决方案；ENOVIA提供数据与工作流程的管理功能。三者的整合可以创建数字化产品生命周期管道，支持企业的知识和经验重用。图4.1 DELMIA界面4.4 DELMIA仿真步骤4.4.1 创建滚边工作站DELMIA和CATIA一样，均是达索公司的软件，此前在CATIA上画的三维图能直接导入DELMIA，而不需要经过中间数据格式的转换。将机器人，滚边夹具系统，滚边胎膜，回转工作台，门盖数模，滚边工具等通过Insert Resource指令作为Resource插入到PPR结构树中，通过罗盘调整它们的位置。为了方便安装到生产单元中，每个组件必须有一个装配或安装坐标，对于汽车各部件的坐标原点位于车身零点，与车身相关的夹具、抓具或其他输送设备的设计坐标均与车身坐标保持一致。在车间规划时，首先定义车间的世界坐标系，以世界坐标为参考，建立各个工作站的坐标。对于线体仿真，工作站可以参考整个车间布局来建立。以车身原点为工位原点，每个工作站按车间实际位置来进行仿真布局。对于孤立的工作站，若一台机器人同时有多个工作对象，以机器人原点为工位原点；若一个工作对象有多台机器人对其工作，则以工件原点为工位原点。在本项目中每个工作站均为单台机器人对两个工件进行滚边，故选择机器人为工位原点，以此为基础来布置工件、夹具及其他相关工位器具。机器人和回转台距离大致为2600mm。如图4.2 图4.2 滚边工作站4.4.2 创建TCPTCP FrameBASE Frame 图4.3 滚边工具坐标设定为了能更方便地控制滚边工具及机器人的姿态，在DELMIA中设置TCP（工具中心点）。每个滚轮设置四个TCP，目的是保证仿真用设备与实际设备的信息一致及滚边工艺过程中机器人的可达性及良好姿态。滚边工具需要准确设定安装中心坐标BASE Frame的位姿信息，之后通过Set Tool指令将BASE Frame和机器人法兰坐标重合。那样滚边工具就能精确地安装在机器人上了。如图4.34.4.3 设置TagKUKA机器人运动类型有三种：PTP（点到点）工具沿最近的路径运动到轨迹末点；LIN（直线）工具在规定的速度下沿直线运动；CIRC（圆）工具在规定的速度下沿圆形轨迹运动。在机器人的工具移动路径上设置Tag，使TCP经过每个Tag，这样机器人就能随TCP一起按照用户需要的路径移动。在每个Tag之间的机器人运动类型可以通过修改机器人的Motion来实现。Tag数量根据实际需要来制定，数量越多滚轮行走路径越接近预期路径，滚边效果越好，但生产节拍会因此慢下来。Tag定好后，建立机器人的Task，然后通过Add Tag指令将机器人动作和Tag连接起来，这样机器人和滚边工具一起就能沿Tag连续运动了。图4.4 滚边路径上的Tag4.4.4 夹具和转台运动建模机器人在进行滚边工作时，滚边工具会和夹具干涉相撞，因此有必要让夹具打开而避免这种情况发生。在Device Building模块中Device Building工具条有建立机械装置功能。首先选择Fixed Part，每套夹具把BRACKET和气缸缸体作为Fixed Part，然后定义约束类型，本设计采用的TUNKERS气缸已经把导杆的直线运动输出为旋转运动，故只要将ARM、CLAMP和气缸输出杆等零件作为整体绕气缸旋转轴旋转。最后加一个角度驱动就能实现夹具的开闭。转台的运动建模则需在DPMAssembly Process Simulation模块下。首先，在PPR树的Process下通过Insert Activity指令插入一个动作库，然后使用Create a Move Activity指令将转台上半部分作为对象，通过罗盘旋转180度，旋转过程中使用记录器记录转台的状态，最后通过Process Simulation指令就能看到转台上半部分的连续转动了。4.4.5 连续运动仿真之前建立的滚边、夹具和转台运动都是独立的动作，而设计输出需要一套连续的仿真结果。进入Workcell Sequencing模块，使用Insert Activity指令在PPR树的Process下建立两个动作库，因为刚插入的动作是无顺序的，需要对它们排一下先后顺序，打开PERT图表，在PERT图表里将三个动作排序，然后用Link the selected activities指令将各个动作连接起来。如图4.5图4.5 PERT图表 用Assign a product/resource将第一个和第三个动作库和机器人建立连接。最后，选择Set an Active Task指令对第一个和第三个动作指定一个Robot Task，通过Process Simulation指令就能输出连续的仿真工艺了。如图4.6,4.7,4.8.图4.6 连续运动仿真a图4.7 连续运动仿真b图4.8 连续运动仿真c结论汽车工业是基础工业部门，是国家经济自立和综合国力的核心标志，提高汽车工业的自主创新能力对加快工业化、提高国家工业的国际竞争力具有战略意义。多变的市场需求决定了小批量多品种的生产模式，而汽车生产线的原来的设备成了降低产品开发成本、缩短开发周期的瓶颈，本文针对门盖线的包边提出了机器人柔性滚边技术，达到了柔性生产的目的。本文最终完成的成果有：（1）介绍机器人柔性滚边工艺在国内外的发展现状和趋势，阐述机器人柔性滚边系统在白车身门盖柔性自动化生产线中的研究意义。（2）针对门盖的总成结构，概述包边类型，把传统包边工艺和机器人滚边工艺进行比较。（3）使用CATIA画出机器人滚边系统三维模型，并详细介绍系统的各个组成部分。（4）利用仿真软件DELMIA对机器人柔性滚边系统进行仿真验证。谢辞本文是在尊敬的林巨广教授的悉心指导下完成的。感谢林老师提供给我这么好的学习环境，我为能在巨一这个大家庭而感到荣幸。相信总有一天民族装备能超过国外装备应用在世界一流汽车生产线上。感谢师兄任玉峰，夹具科科长邱峰、程浩、蒙峰、赵琳、刘杜宇、郑亮、贺向军，仿真室张婧慧、张明东，电气室付洋洋，你们严谨的工作作风深深地影响着我，谢谢你们对我的帮助。感谢牛赵龙，谢谢你认真解答我提出的每个问题。感谢班主任张老师，谢谢您在大学四年不辞辛苦为我们奔波劳累，我们将永远不忘您的恩情，谢谢您在我们学习生活中的指导和关心。毕业论文是对大学四年知识的巩固和延伸，毕业论文的完成也证明了我们是一位合格的合肥工业大学的学生，我们将不忘合肥工业大学“厚德、笃学、崇实、尚新”的校训，在今后的生活中把合肥工业大学的优良传统发扬光大。由于时间的仓促及自身专业水平的不足，论文有不足的地方，希望各位老师同学批评指正。参考文献1濮良贵,纪名刚.机械设计M.西安：高等教育出版社，2006.387-406.2王健强，张婧慧.机器人滚边技术及应用研究J.现代制造技术与装备，2009,6.3张如飞等.车门板包边机器人六关节角运动分析J.机械设计与研究,2005,8:88-90.4蔡自兴.机器人学M.北京：清华大学出版社，2000.5Ma SAnalysis of creeping locomotion of a snake-like robotJAdvanced Robotics，2001，15(2)：205-2246何宝杰.车门包边中的质量缺陷原因和对策J.机械工人（热加工），2000，11：60-627张如飞.车身门盖件机器人包边运动规划与仿真D.上海交通大学硕士学位