机器人滚压包边质量缺陷的研究

1绪论1.1引言人们生活水平随着社会的快速开展日益提高，同时，汽车工业的迅速开展，使汽车进入小康家庭不再是人们的梦想。汽车的出现，不但可以扩大人们的日常活动范围，也加快了人们的生活节奏，使得日益冷漠的社会多了些人与人之间温暖频繁的互动。所以,汽车成为人类必不可少的交通工具是社会进步的必然趋势。从汽车的问世到开展的百余年来看，人们对汽车的要求越来越高，从最初只需实用性、可靠性已提升到现今的美观性、平安性、实用经济性等方面的要求，从最初的根本遮风挡雨要求已开展到防噪、防撞、防驾驶员疲劳以及外表美观、流线型、降风阻、轻亮化等综合性高品质的要求。这就对汽车车身的要求增加了许多条件，促使汽车外形需不断改良，进而对汽车覆盖件质量的要求就越来越高,结构要求越来越复杂，以及生产周期要求越来越短。并且覆盖件质量的好坏直接影响内外板包边的质量，而包边的质量又直接影响到车身的质量与车身的整体外观。在此情况下，各个企业加大了技术改造力度，用大规模的工业机器人来代替传统的工人操作流水线作业,用机器人滚压包边技术的本钱低，占地面积小，柔性好等优点来取代传统压力机包边模具占地多，能耗大，投资本钱高等缺点。就是为了满足随着社会的日益进步而提出的越来越“苛刻”的条件。1.2研究的背景和意义中国汽车业的迅猛开展是世人有目共睹的，迄今为止，它共经历了差不多六十年的风风雨雨。我们可以把这六十年分成四局部，即：第一局部是1953年-1984年，其中，在1953年7月15日这一天，第一汽车制造厂破土开工,并且在3年之后成功生产出第一辆解放牌4吨载货汽车。随后一段时间，还属于起步初期的中国汽车步履还是比拟平稳的；第二局部是1984年-1994年，在共和国成立35周年、改革开放6年后，汽车企业开始吸引外资，要与外国人合伙生产汽车的问题被推到了前台。接着是1994年-2000年，其中，1994年是中国汽车史，特别是轿车史上值得纪念的一年。在这一年，左右中国汽车近10年的《汽车产业开展政策》出台了。虽然用目前的眼光来看，这个产业政策还有许多局限之处，但还是解决了汽车开展中的许多问题，特别是将“汽车”和“家庭”联系到了一起！最后一个阶段是2001年至今，对于进入21世纪的中国汽车，“家庭汽车”已不再是争论的热点，取而代之的是下一个60年，中国的汽车业如何经历多年坎坷挺直腰杆，开拓其下一个历程[参考文献[]参考文献[]谈到汽车的开展史,不可防止的要提及汽车覆盖件的存在,其是指覆盖构成汽车驾驶室或车身的外表零件，也包括覆盖发动机以及底盘的某些外表零件。覆盖件可以分为外覆盖件和内覆盖件，其中，顶盖、前后车门外板、前围和后围外盖板、左右侧围外板等属于外覆盖件，是汽车车身裸露在外部人们能直接看到的部件。而被车身的其它零件所挡住的，如前后车门内板、前后围内盖板、左右侧围内板等，或被覆盖上内饰件的车身内部覆盖件叫内覆盖件。汽车覆盖件与一般的冲压件相比拟，具有材料薄、结构尺寸大、形状复杂、外表质量要求高，且多为三维的空间曲面结构等特点。就因为汽车覆盖件有外表质量、外形、刚度和工艺上的要求，就决定了其在冲压成形过程中变形的复杂性和规律性不易被人们所掌握，因此更容易出现质量方面的问题。所以，在覆盖件冲压工艺的设计、模具的设计、以及模具制造工艺上也有其独特的特点，不能简单的把汽车覆盖件像对待轴对称零件那样，算出主要工艺参数和模具参数等参数进行设计，而在实际工程实践中，还需要大量应用经验比，以及冲压变形趋向性分析的联合运用来进行模具的设计和冲压工艺的设计之所以汽车覆盖件冲压成形能成为当今冲压成形领域重要组成局部，这不仅仅是与汽车覆盖件有很高的质量要求有关，也与其本身具有的冲压成形特点和结构形状特点有关[[]《现代模具技术》编委会.汽车覆盖件模具设计与制造[M].北京:国防工业出版社,1998.]。[]《现代模具技术》编委会.汽车覆盖件模具设计与制造[M].北京:国防工业出版社,1998.外覆件内外板零件连接技术是车身制造工艺的重要组成局部。其中，把车身门盖内外板的连接起来通常使用包边工艺，所谓的包边就是把外板的边缘翻边局部沿内板向内折弯，并且最终外板把内板包裹在内的工艺。传统的门盖包边工艺通常有手工包边和压力机模具压合包边两种方式。手工包边一般不采用，而压力机包边模具那么在车身冲压件状态改变后，包边模具需不断优化，在去除或增加材料的同时，不但费时费力，也影响到了模具寿命，并且一套包边模具只适用于一种车型，柔性化生产能力差，此外，传统压力机包边模具存在占地多，能耗大，投资和维护本钱都很高等缺点。为了实现传统制造工艺低本钱，多样化的生产模式，机器人滚压包边技术正是这一开展趋势下的产物。另外，工业机器人的应用也助长了这一开展趋势，搬运、焊接、喷涂、装配等等，无论多么恶劣的环境下，机器人几乎都能完成任务。它也可以把单一的生产线变为柔性化生产，不仅节约了劳动力、缩短了生产周期，同时也提高了生产效率，所以机器人的使用变得更为普遍。虽然，我国对机器人技术的研究起步较晚，但制造业的讯速开展必然会推动市场对机器人不断需求。随着人们对汽车需求的逐渐增加，汽车制造业间的竞争也日益剧烈，在提高产量的同时，汽车外观和价格方面变得尤为重要，因此产品的开发本钱，生产效率和产品质量等问题是汽车生产企业急需解决的问题。机器人滚压包边技术的柔性化制造表达在：针对不同形状的几何零件，采用适合其的包边路径，这样就大大的降低了模具费用，即节约了本钱也缩短了研发周期。同时，对机器人滚压包边技术的柔性系统进行深入研究，掌握机器人滚边的核心技术并通过引进、消化、吸收、创新的结合，然后再应用到国内汽车生产企业，为汽车行业的开展奠定根底[[]张婧慧.机器人滚边技术及其应用研究[D].合肥工业大学.2010,04.][]张婧慧.机器人滚边技术及其应用研究[D].合肥工业大学.2010,04.1.3机器人滚压包边技术的研究现状和开展趋势机器人滚压包边技术是上世纪90年代慢慢开始开展起来的、新型的轿车白车身门盖内、外板连接的一种重要压合工艺，主要应用在车身覆盖件〔尤其是汽车左右前车门、后车门，发动机盖和行李箱盖,即称四门两盖〕的边缘处理上。1.3.1研究现状目前国内的自动化装备综合技术实力还存在许多缺乏之处，所以，到现在为止，使用机器人滚压包边技术的汽车生产厂家少之又少。面对竞争日益剧烈的汽车消费市场，假设国内汽车门盖包边生产只以压力机模和折边机两种方式包边压合为主的话，是很难与国外先进的机器人柔性自动化生产技术相抗衡的。所谓的机器人滚边压合技术的柔性化主要表达在两方面：一方面是根据车型的生命周期，可随时更换滚边压合夹具来实现产品的更新换代；另一方面，该技术可以根据实际生产节拍需要，采用一模多机或一机多模的工艺方案生产加工产品。可以看出，国内外在关于机器人滚压包边技术对汽车门盖线生产方面还有很大的一段距离，只有国内汽车企业对自主品牌的提升，以及对自动化，柔性化程度的提高等，这对缩短在机器人滚压包边技术之间的差异是很有意义。所以，国内也逐渐开始对机器人滚压包边技术进行研究分析，目前为止，大多数学者在机器人现有的滚边设备根底上，对机器人滚边在汽车工业应用中存在的问题进行了归纳总结，并提出了解决方案。还有少局部学者对包边的过程进行研究并运用相关软件进行模拟分析。上海通用汽车的王立影[[]王立影,孙志成等.机器人滚边技术与应用[[]王立影,孙志成等.机器人滚边技术与应用[J]．制造业自动化，第32卷第1期，2010.01.北京奔驰—戴姆勒·克莱斯勒汽车的宋宏伟[[]宋宏伟.机器人滚边技术在汽车制造中的应用[J].机器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.[]宋宏伟.机器人滚边技术在汽车制造中的应用[J].机器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.上海交通大学张如飞[[]张如飞等.车门板包边机器人六关节角运动分析[J[]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，2005，08：88-90．目前,使用机器人滚压包边技术是国外汽车生产业新的开展趋势，自从上世纪90年代开始开展以来，就引起了世界各大汽车生产巨头的广泛关注。而且，国外对机器人滚压包边技术这方面的研究是比拟成功的，不仅在许多核心技术领域申请了专利，也在机器人滚压包边工艺以及机器人控制方面等进行了深入的研究。国外学者在基于机器人滚压包边能实现柔性化、自动化等优点的根底上，利用现今多种工薪技术，如虚拟制造技术、计算机软件技术以及系统仿真技术等进行研究、设计、开发。JamesB.Toeniskoetter[[]JamesB[]JamesB.Toeniskoetter.Roboticrollerhemmingalignmentapparatusandmethod.US2005/0262912A1.2004-05-25.BabakSaboori和BehzadSaboori[[]BabakSaboori,BehzadSaboori,JohanS.Carlson,RikardSöderberg.IntroducingFastRobotRollerHemming[]BabakSaboori,BehzadSaboori,JohanS.Carlson,RikardSöderberg.IntroducingFastRobotRollerHemmingProcessinAutomotiveIndustry.WorldAcademyofScience,EngineeringandTechnology.2009S.Thuillier和N.LeMaout[[]S[]S．Thuillier,N．LeMaout，P．Y．Manach，D．Debois．Numericalsimulationoftherollhemmingprocess[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2008：226-233.国外对机器人滚压包边的研究比拟深入，很多国外汽车生产巨头通用、宝马、奔驰等白车身门盖普遍已经采用机器人自动化生产线，并且国外的机器人公司，掌握着象征着核心竞争力的集成技术，这就使得国内外的汽车生产水平的差距越来越大。1.3.2开展趋势纵观世界各工业兴旺国家的历史，无一例外的不是遵循通过汽车工业的开展，来带动其他相关行业开展这么一条开展规律。汽车工业的开展水平反映了一个国家经济开展和人们生活的水平，而且也反映了一个国家科技技术和文明的水平。随着现代汽车制造业的蓬勃开展，不仅对汽车的平安性和低耗油性提出了要求，也对汽车的质量和外观要求越来越苛刻。包边过程是汽车覆盖件生产的最后一道工序，所以，对汽车质量和外观有着很大的影响，其质量的好坏直接影响到汽车的装配精度和美观性。我们知道，传统的包边过程是建立在反复调试的根底上，这样自然而然的就增加了模具的生产周期，再加上包边过程远比我们想象的要复杂的多，汽车覆盖件压力机包边模设计参数的多元化，以及材料的非线性性能，导致要实现对包边过程的完全控制是很困难的。因此，对包边过程的分析研究、改良创新一直是国内外汽车生产企业着重的研究对象。当然，随着有限元数值模拟技术的开展，要实现对包边过程的模拟分析，有效控制变得更加容易。各企业在进行压力机包边模的设计生产时，可以事先对包边过程进行模拟分析，对出现的外表质量等缺陷问题，进行修改，然后再进行模拟分析等等，如此循环下去，不仅可以降低制造本钱，也可以节约包边扣合模具生产周期。从90年代到现在，机器人滚压包边技术得到了迅速的开展，机器人包边充分利用了机器人柔性化的优点，只需根据覆盖件的外形，编写离线程序来实现滚压包边。机器人滚压包边设备与压力机包边模相比，不仅投资小，而且通用性好，更换车型时，只需更换模具，最重要的是机器人滚压包边技术符合柔性化和自动化的生产趋势，为汽车业的快速开展提供了不可磨灭的功绩。1.4选题的目的和意义汽车覆盖件包边工艺作为覆盖件冲压成形的最后一个步骤，其成形质量对覆盖件边缘的外观质量以及整个覆盖件乃至整个车身的外形尺寸精度有着重要的影响。在使用传统压力机包边模具进行包边时，由于外板的包边轮廓随车身外形的变化而变化，沿整个轮廓包边的角度也不同，对于曲率变化大、翻边角度过大的区域，包边都会非常困难。并且如上面提到的传统压力机包边模具占地多，本钱高，柔性差，所以需要引进新型内外板连接技术----机器人滚压包边技术，来逐渐应用于车身生产中。他不仅具有本钱低，占地面积小，更换容易等优点，并且成型美观，能实现柔性化制造，调试周期也短，最重要的是与传统的压力机包边模具相比，其研发和制造周期短，提高了产品的竞争力。同时，机器人滚压包边工艺采用电动系统，无液压油和废水等环境污染问题。这些优点使得机器人滚压包边技术适应汽车工业的蓬勃开展，符合汽车制造业中车身柔性化生产线的开展趋势。随着人们对汽车需求的逐渐增加，汽车制造业间的竞争也日益剧烈，在提高产量的同时，汽车外观和价格方面变得尤为重要，因此产品的开发本钱，生产效率和产品质量等问题是汽车生产企业急需解决的问题。机器人滚压包边技术的柔性化制造表达在：针对不同形状的几何零件，采用适合其的包边路径，这样就大大的降低了模具费用，即节约了本钱也缩短了研发周期。同时，对机器人滚压包边技术的柔性系统进行深入研究，掌握机器人滚边的核心技术并通过引进、消化、吸收、创新的结合，然后再应用到国内汽车生产企业，为汽车行业的开展奠定根底。1.5本文研究内容本文先介绍了模具包边等各种覆盖件内外板的包边方式，以及其类型和优缺点等，进而引出机器人滚压包边技术与其各方面的比照，说明使用机器人滚压包边技术的优越性。接着着重对机器人滚压包边系统的三大组成局部进行了详细阐述。然后借助于有限元ls-dyna软件分析平台，首先对机器人滚压包边过程进行数值模拟。此数值模拟分析来源于：在实际的覆盖件包边扣合生产过程中，产生的质量缺陷对汽车的装配和整体车型外观有着不容无视的影响。包括在扣合过程中覆盖件经常会出现的直边波浪变形，堆料起皱等质量缺陷。引起这些质量的因素有：滚边步数、滚边压力、滚轮直径以及覆盖件的外形尺寸等。要想确定哪类因素对滚压包边质量影响最大，并解决此类因素带来的质量缺陷问题，就需要逐一进行数值模拟分析，做出比拟并得出结论。另外，进行数值模拟的机器人滚压包边过程中用于包边扣合的内外板，在分析软件中定义的都是理想材料，没有实际生产过程中材料所存在的缺陷问题，所以，导致分析所得到的结果与实际生产过程中滚压包边得到的产品有误差。针对此类问题，可以在进行机器人滚压包边时，对板材进行缺陷模拟，是否能通过改变滚边速度，滚子与板材接触摩擦系数，滚边压力等因素来减小板材存在的缺陷对滚边质量的影响。1.6本章小结本章节较详细的分析了机器人滚压包边的研究现状及其开展趋势，机器人滚压包边技术的优点使其适应汽车工业的蓬勃开展，符合汽车制造业中车身柔性化生产线的开展趋势。最后对本文研究的目的和意义进行了说明。2机器人滚压包边技术2.1包边工艺轿车白车身的重要外表覆盖件，我们可以称为四门两盖即汽车左右前车门、后车门，发动机盖和行李箱盖。随着人们对汽车外观以及整体车型的要求越来越高，在一般情况下，四门两盖都采用扣合包边工艺来连接汽车内外板，包边就是把外板的边缘翻边局部沿内板向内折弯，同时，外板翻边局部发生塑性变形，并且最终外板把内板包裹在内的工艺压合过程[[]陈勇．机器人滚轮包边工艺及应用[[]陈勇．机器人滚轮包边工艺及应用[J]．汽车工艺与材料，2011，08：53-58.包边不仅能保证零件外外表的光整平滑，即没有波状起伏，明显皱褶、压痕等缺陷，同时，也增加了整体强度和刚性。一般包边过程分为三个步骤：翻边，预包边，终包边如图2.1所示。翻边〔待包边〕450预包边300、600预包边终包边图2.1包边工艺过程Fig.2.1Hemmingprocessa、翻边〔待包边〕：需要包边的门盖外板经冲压成型后，其周边应留有一圈7～12mm的待包边，一般翻边角度与外板本体成900角，如图2.1〔a〕所示。假设门盖件曲率变化较大时，翻边角度可以大于900，但一般不超过1150，否那么不利于保证包边的质量。b、预包边：理论分析以及相关的实验说明，想要将待包边从90°一步翻折至0°，并包实内板边缘是很难实现的。因此，一般把包边工艺分为两步：首先，将待包边局部从90°翻折至45°，我们把此过程称为预包边；接着将已翻折至45°的预包边再翻折到0°，并压实内板边缘，如图2.1〔b〕、〔d〕所示。也可以首先把门盖待包边局部从90°翻折至60°，然后再从60°翻折至30°，最后再将其从30°翻折到0°，并和上面压实内板边缘，如图2.1〔c〕、〔d〕所示。C、终包边：如前所述，就是把门盖外板已处于预包边阶段的边缘，使其完全翻折至0°，压实内板边缘，使内板和外板包边压合处必须平实服帖；车门周边也要保持平滑，没有明显的皱褶和波状起伏现象；以及门盖外板外外表没有因包边而造成的凹凸不平、皱褶、压痕等缺陷[[]邬华辉等．汽车外覆盖件包边尺寸要求及外表质量分析[[]邬华辉等．汽车外覆盖件包边尺寸要求及外表质量分析[J]．制造业自动化，第34卷第7期，2012，07：32-36.门盖内外板的包边，对外板压实扣合内板边缘局部有一些尺寸的要求[[]张云．浅谈车身包边零件的根本要求[[]张云．浅谈车身包边零件的根本要求[J]．汽车工艺与材料，2012，04：39-41.即：t总=t1+t2+t3+f；式中：t1一一外板厚度单位mm；t2一一内板厚度单位mm；t3一一粘合剂厚度单位mm；f一一允许误差±0.2mm。另外，还需计算内外板包边后的重叠宽度D1，以及最小压实定位面D，一般根据经验值，最小压实定位面为如图2.2所示的D2再加上1mm的距离；外板的内角半径R那么为内板厚度的一半在加上0.2mm的余度，即R=t2/2+0.2。图2.2包边尺寸示意图Fig.2.2Hemmingsize2.2包边类型2.2.1根据包边零件轮廓断面分类根据门盖包边总成零件轮廓断面的不同来分析，可以把包边分为四种类型，即水滴包边(drop-shapedhem)、普通包边(standardhem)、楔边包边(wedge—shapedhem)以及特殊包边(specialhem)，如图2.3所示。其中，普通包边是目前应用最为广泛的、最常用的类型，比方说：顶盖边缘，翼子板等覆盖件包边；水滴型包边主要用于发动机盖局部轮廓的包边，主要是考虑汽车在发生碰撞时，可以尽量的减少伤害。并且水滴包边，外板的弯曲角度需要大于1800，而且弯曲半径要普通包边大[[]Haydar[]HaydarLivatyi.Computeraidedprocessdesingofselectedsheetmetalbendingprocess-flanging&hemming[D].USA:TheOhioStateUniversity,1998.a、水滴包边b、普通包边C、楔边包边d、特殊包边图2.3包边类型Fig.2.3Hemmingtype2.2.2根据包边几何形状及轮廓边缘分类根据门盖包边零件的几何形状及包边轮廓，我们又可以把包边分为以下4种类型[[]ZhangGuohua[]ZhangGuohua.ANALYSISANDOPTITIMATIONONSHEETMETALFLANGINGANDHEMMINGPROCESSES[D]．TheUniversityofMichigan，2001．图2.4根据包边几何形状及轮廓边缘分类[[][]GuosongLin,JingLi,S.jackHu,WayneCai.Acomputationalresponsesurfacestudyofcurved-surface-curved-edgealuminumhemmingusingsolid-to-shellmapping.ProceedingsoftheInternationalConferenceonManufacturingScienceandEngineering[C].ProceedingsoftheInternationalConferenceonManufacturingScienceandEngineering,2006.Fig.2.4Hemmingareclassifiedbygeometricshapeandcontouredge如图2.5，把汽车车门包边总成零件作为例如，给出了在不同位置时包边成形的类型。图2.5汽车车门包边不同位置的成形类型Fig.2.5Formingtypeofhemminginthecardoordifferentlocations2.3汽车行业几种常用的包边工艺简介汽车门盖内、外板的包边压合作为各类汽车门盖生产中的重要工序。所以，门盖包边质量好坏与否,直接关系着整车外形质量与汽车整体造型的美观性，以及车身装配质量和精度。通常把门盖包边工艺划分为三种形式,即手工包边工艺、压力机模具压合包边工艺、以及机器人滚压包边工艺。其中,手工包边工艺由于费事、费力、生产效率差等缺点，一般考虑不采用。而压力机模具压合包边工艺，根据其使用设备不同可以分为两种,一种是采用大台面的通用压力机，对包边模具进行门盖包边,另一种是专用包边机，其特点是把包边模块和设备设计为一体。机器人滚压包边工艺是刚刚开展起来的一种新型的包边技术，目前，该技术主要集中使用在国外的汽车生产企业[[]李新超．车门包边工艺与专用设备[J]．现代零部件，201[]李新超．车门包边工艺与专用设备[J]．现代零部件，2011，08：38-40.[]林海,苏传庆．浅谈车身开闭件包边[J]．机械与电子，2011，09：121-122.[]陈代枝．汽车门盖包边工艺及设备选用[J]．现代零件,2005,05:66-69.2.3.1手工包边工艺手工包边工艺对汽车生产企业通常是不会采用的，因为它使工人的劳动强度大，要使用木榔头等工具逐点逐段来敲砸压合成形,并且手工包边工艺用来支撑门或盖的工装胎模是比拟简易的，这样不仅使得到的工件质量差，效率也低，而且在敲砸过程中产生很大的噪音。所以，此类工艺，只是用于小批量或试制生产过程。此外，手工包边工艺相较于其他包边工艺，也具有投入资金少，占地面积最等优点的。2.3.2压力机模具压合包边工艺压力机模具压合包边工艺是在大台面通用压力机上采用上、下模具包边压合，来实现车门内、外板总成的包边方式。此包边工艺通过更换模具，来满足不同的门盖总成的需要。一般采用公称压力为1500-2000KN的液压机来实现轿车门盖包边,而要实现卡车车门及旅行车门盖的包边需要的公称压力比轿车的要稍微大些，一般采用为2500-3150KN的液压机。把门盖包边复合模具安装在压力机上,一次行程可以实现450的预包边和900包边。根本原理是：首先，通过压力机滑块的运动，带动模具以及斜楔驱动块，利用模具型面，将门盖已翻边的外板翻折至450以下，接着上下模移动使外板与内板实现牢固压合。在整个包边过程中，液压机滑块只需下降一次就可以实现。门盖包边压合完成后，液压机滑块带动上模使其提升，来脱离包边件。再通过人工取件或自动输送系统将板件送出，这就完成了整个包边工艺过程。图2.6压力机模具压合包边Fig.2.6hemmingfordie我们可以根据压力机包边模正压刀形式的不同，把此类包边模分为两种形式，一种是竖直正包边，另一种是斜楔正包边，如图2.7所示。其中，这两种包边模形式的选择，与φ角大小有关。假设φ角小于700，为竖直正包边；假设φ角大于等于700，为斜楔正包边。竖直正包边斜楔正包边图2.7正包边形式示意图Fig.2.7Theformofuprighthemming如果在压力机上安装有单向或双向的移开工作台，或者配有置换模具的台车，那么此压力机包边模就可以适应于各种车型的门盖包边，这种方式就使其具有一定的柔性。并且适用于各种批量生产的同时，不仅生产效率高，而且包边质量和生产稳定性也好等优点。压力机包边模具与机器人滚压包边工艺相比，其折边力更大，所以，适用于对高强度材料进行包边。然而，压力机模具压合包边工艺也有许多缺点：虽然压力机包边模具使用寿命长，但是其模具一次性投资本钱大，模具生产周期也比拟长；压力机模具尺寸较大，所以占地面积比拟广，特别是想生产多品种的门盖总成时，需要有足够的车间来存放门盖总成零件；压力机包边模具具有一个较大的缺点，就是对门盖外板的翻边角度要求较高，在保证包边质量的同时，一般要求翻边角度不能超过105度，最大不能超过110度，否那么就需要2副包边模具来实现包边，一个用来预包边，一个用来正常包边，这无疑给产品质量的调试带来了困难。2.3.3专用包边机包边工艺随着人们对汽车要求的越来越高，汽车门盖质量的要求也随之增加，从而导致了制造难道随之加大，显然，现有的包边模具所存在的包边质量较差，结构不满足要求，尤其不能满足高档车门盖包边形状复杂等要求的缺点，使其已显得力不从心。并且，现有包边模具在进行包边时，只是通过包边模块和固定底模将待包边门盖翻折部位向内压平，来完成包边。这种包边方式使包边处的内外表产生褶皱现象，并且拐角处不仅不平整，而且不严实，外沿也不平顺等质量缺陷。为了克服现有技术的缺乏，就提出了专用包边机技术。中国的第一台专机包边于1989年在中国南京汽车制造厂创造生产完成的，目前，国内许多生产厂家已陆续开始使用。它不仅改变了传统包边工艺工件质量差、残次品率高以及生产效率低等缺点，也为我国汽车行业的做出了突出的奉献。专机包边适用于各类汽车的车门、散热器面罩框以及发动机罩等汽车门盖包边总成成型工艺，当然，也适用于其它薄板的包边成型。专机包边设备采用气动加紧、气动升降工作、PLC程序控制和液压包边来完成成型工艺过程。专用包边机把设备和模具设计为一体，其设备构成主要有三局部构成，包括：主机、液压站以及电气控制柜。其中主机由机架、气动夹紧装置、气动升降机构、45度包边模块和90度包边模块组成。并且可以把主机设计为带有自动进料和自动出料等传送机构。把工件放置在自动传送机构上，传送到位后,接着，气动升降机构就将工件降落到主机的模腔内,再由气动夹紧装置将工件定位夹紧,45度液压包边模块以程序设定的角度先动作,来完成45预包边。在预包边模块开始运动的同时，终包边模块也开始往下运动，并且，在预包边模块完成包边后，终包边模块继续往下运动。随后，预包边模块退回，再由90度终包边模块动作，完成900终包边。整个专机包边模块动作过程如下[[]李新超．车门包边工艺与专用设备[[]李新超．车门包边工艺与专用设备[J]．现代零部件，2011，08：38-40.〔a〕450预包边模块以程序设定的角度开始运动，〔b〕450预包边模块完成预包边，同时，此时，900终包边模块从初始位置开始下降。900终包边模块继续下降。〔c〕450预包边模块退回，随后，900终包边模块完成终包边。图2.8专机包边模块动作过程Fig.2.8Theprocessofspecialhemmingdie专用包边机的优点就是：不仅生产稳定性好而且生产率也高，但对开闭件单件质量要求不高，设备占地面积也小，也可以在生产中与车间其他生产线节拍相吻合,来实现同步化生产。因此,专用包边机可适用于单一品种的、大批量流水生产线。专用包边机也有其缺点：比方：折边力与包边模具相比拟小，首批费用投入以及需要产品更新时投资较大，也就是说：一套包边机只适用于一种门盖包边,不能互换，在柔性受到了限制的同时，专机包边的通用件、控制系统、气路系统等可重复使用。2.3.4机器人滚压包边工艺机器人滚压包边技术是近年来才产生,并得到迅速开展的一项新的门盖内外板连接技术，它与传统的压力机模具压合包边技术以及专机压合包边技术相比有：柔性大，一次性投入小，维护本钱低等特点。因此，这项新技术受到众多汽车生产厂家的青睐，但是，机器人滚压包边技术一直由国外公司垄断。目前，我国使用机器人滚压包边技术的汽车生产厂家少之又少，但我国首套机器人自动化滚边系统已研制成功，如图2.9所示，打破了外国公司的垄断，填补了国内空白，使其柔性化生产技术，成为轿车产品开发的首选应用技术[[]JonkersB.SimulationoftheRobotRollerhemmingprocess[J].2006.][[]JonkersB.SimulationoftheRobotRollerhemmingprocess[J].2006.[]朱爱平,万锋.汽车白车身机器人滚边质量研究[J]．中国商界，2010，04：333-335.图2.9我国研制的首套机器人自动化滚边系统Fig.2.9DevelopedthefirstsetofrobotautomationhemmingsysteminChina机器人滚压包边是通过把滚轮系统安装在机器人的机械臂上，在滚边胎模的支撑作用下，滚轮系统上的滚轮沿外板的翻边局部进行屡次反复滚压，最终使其包住内板的连接技术，滚压包边过程如图2.10所示。其属于包边的一种，所以包边过程与传统的包边形式相同，即：翻边〔待包边〕、预包边、终包边。在滚边的过程中，滚轮与工件接触，一般滚边工具上有多个滚轮，而且形状也不相同，可以通过机器臂运动轨迹的规划来实现对不同门盖板零件的包边，也可以根据需要来转换滚轮的使用。a、翻边b、第一道预滚边c、第一道预滚边d、终滚边图2.10滚压包边过程Fig.2.10Theprocessofhemming根据门盖板的材料以及其内外部几何结构的不同，再把生产节拍考虑进去，机器人滚边需要采用一次或屡次预包边，每次的翻折角度为30°或45°。另外，值得一提的是，滚边工艺路径的设置是采用正反交叉式，也就是说上一次滚边的终点，作为下一次滚边的起点，如图2.11所示，这样做的目的是：以防止误差累积。上一次下一次图2.11机器人滚边路径顺序Fig.2.11Theorderofrobotichemmingpath机器人滚边压合技术，现在已被应用到轿车白车身关键部件的包边制造中，主要部件有顶盖天窗、发动机罩盖、行李厢盖、车门、翼子板以及轮罩的包边。如果机器人包边相对应的产品需要改型，一般来说，只需要更换机器人滚边压合的底模还和压料板，就可以实现产品转型。所以，机器人滚压包边技术与其他包边方式相比具有制造本钱低、模具占地面积小、包边质量好、允许最大翻边角度较大〔可到达140度〕、柔性化程度高等优点。同时，机器人滚压包边也有缺点，即：生产效率较低、折边压力较小、对使用人员技能要求高等。表2.1是对手工包边、压力机模具压合包边、专用包边机包边以及机器人滚压包边的优缺点进行了总结。表2.1各种包边工艺比照[[]林海,苏传庆．浅谈车身开闭件包边[J[]林海,苏传庆．浅谈车身开闭件包边[J]．机械与电子，2011，09：121-122.[]张婧慧.机器人滚边技术及其应用研究[D].合肥工业大学.2010,04.Comparisonofvarioushemmingprocess包边工艺特点手工包边压力机模具压合包边专用包边机包边机器人滚压包边折边力折边力小折边压力大折边力小折边压力小生产效率生产效率最低生产效率高生产效率高生产效率较低占地面积占地面积小占地面积较大占地面积小占地面积小生产批量小批量生产适用于大批量生产适用于大批量生产适用于小批量生产包边质量包边质量差包边质量好包边质量较好包边质量好生产稳定性生产稳定性差生产稳定性好生产稳定性好生产稳定性较好系统柔性无柔性专用模具柔性差定制专机设备柔性差机器人适用于多种门盖包边，柔性高制造本钱投入本钱最少一次性投入本钱高首批费用投入及产品更新时投资较高投资相对较低维护本钱维护本钱最低如定期维护本钱较低维护本钱相对较低不仅维护简单，维护本钱也低2.4本章小结本章首先对一般包边过程中的翻边，预包边，终包边三个步骤进行了简单说明，然后介绍了四种包边类型，即水滴包边、普通包边、楔边包边以及特殊包边的包边方式。最后总结了手工包边、压力机模具压合包边、专用包边机包边、机器人滚压包边等四种包边工艺的优缺点，并详细介绍了各自的工作原理和工作过程。3机器人滚压包边系统机器人滚压包边系统主要由三大局部组成：滚边夹具系统、滚轮系统、机器人及其控制系统[[]宋宏伟.机器人滚边技术在汽车制造中的应用[J].机器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.[]宋宏伟.机器人滚边技术在汽车制造中的应用[J].机器人〔冷加工〕，2007,10：25-27.[]陈勇．机器人滚轮包边工艺及应用[J]．汽车工艺与材料，2011，08：53-58.3.1滚边夹具系统滚边夹具系统是由滚边胎模和定位夹紧系统两局部组成,如图3.1所示，滚边胎模根据冲压的数字化定义及外板的型面形状，可以采用镶块拼装式和整体铸造式两种。镶块拼装式的优点是：单块体积小，热处理变形小，以及易于加工制造的等优点；而整体铸造式的底模那么具有稳定性好，装配调试方便，强度好等优点。目前，机器人滚边压合模主要采用整体铸造式底模作为主要结构形式。夹具系统滚边胎模夹具系统滚边胎模图3.1滚边胎模和定位夹具系统Fig.3.1Hemmingdieandthesystemofpositionfixture假设要保证滚压包边的稳定性、压合零件的外表质量，就要保证滚边胎模具有高的稳定性和较好的耐磨性能，现在，不管是对于镶块拼装式胎模，还是整体铸造式底模，所使用的材料根本上为风冷钢和球铁两类。因为都可以对这两种材料进行外表淬火处理，来满足滚边胎模的耐磨性能要求，并且在热处理过程中不仅具有较高的稳定性，而且变形较小。由于制造滚边胎模的材料较贵，并且滚边胎模一般都很重，因此，保证足够强度和稳定性的前提下，应尽可能降低重量，所以，滚边胎模都做成镂空结构。滚边压合中的滚边胎模，其主要作用是在滚边过程中，作为内板和外板总成的支撑，它的外型面与零件外板的型面完全吻合。并且滚边胎模的加工尺寸精度对滚边零件压合成型后的尺寸精度有着直接影响；另外，胎模的相对位置误差对滚边压合的调试带来困难，可能会出现难以调试的结果；而且，假设胎模存在加工制造过程中存在外表误差，这将给滚边压合后的内外板总成零件带来外表缺陷。所以，在滚边胎模的设计中，必须综合考虑材料的耐磨性、稳定性、胎模的加工精度和热处理工艺的可行性等要求。定位夹紧系统对放置在滚边胎模上的待滚边零件有准确定位和稳定夹紧的作用，其中，定位夹紧局部包括对车门外板件的定位夹紧和车门内板件的定位夹紧。并且在机器人滚压包边设备中，滚边夹具系统是实现柔性化生产的中心区域，也是保证滚边零件质量的重要组成局部，其直接影响着车门的装配和质量精度。根据定位的方式不同，可以分为外形定位和基准孔定位两种，对外板件的定位，由于夹紧机构和胎模是连接在一起的，外板件包边优先选用基准孔定位，如果外板上没有定位孔，那么可以选择外形定位。值得注意的是，在选择外形定位时，定位机构的位置、数量要布置的准确合理，使滚边机器人在对工件进行滚边压合的时候，既不阻碍机器人的运动，也能保证在整个滚边过程中工件不发生窜动。内板定位采用孔定位，假设内板上设计有门盖包边专用定位孔，那么一定要优先使用此孔。因为在门盖滚边过程中，定位孔的每个方向可能都要受力，受力也可能不均衡，普通的定位孔设计时也可能没有考虑不到这些因素，产生变形。这种滚边的专用定位孔的形状一般是方形的，并且，孔的尺寸相对较大、刚性较强、受力状况良好不易产生变形，所以，无论是从结构上，还是在工件的位置上都能满足要求。定位机构按照类型不同，可以分为：机器人抓持式、压合式和摇臂式等机构，在选择定位机构类型时，原那么上在满足生产工艺要求的前提下，能使机器人滚边运动轨迹顺畅的，优先选择。另外，不管使用何种定位夹紧机构，设计中都要考虑其在使用中的可调性，不然在装配调试的过程中，会给工作带来不便。并且，要使得内外板件在滚边过程中，滚边部位很好的贴合，那么，就要把夹紧单元中的夹紧点，主要布置在滚边沿线的周围。3.2滚轮系统滚轮系统是机器人滚压包边技术中的另一个重要的组成局部[[]基于工业机器人控制的滚边压合技术研究[D].吉林大学.2010,09.][[]刘殿福，陈朝明.车身关键部件制造的柔性化技术――机器人滚边技术[J].汽车工艺与材料，2010，07.]。此系统与整个包边系统相比，结构相比照拟简单，它由各种不同形状的滚轮组合而成，用来负责待包边零件的折边和滚边。滚轮在滚边过程中，直接与被包边的内外连接件接触，并且，通过滚轮来直接传输压力，来保证包边外板的轮廓形状精度。因为滚轮在包边过程中直接与门盖钣金件接触工作，所以，对滚轮的外表[]基于工业机器人控制的滚边压合技术研究[D].吉林大学.2010,09.[]刘殿福，陈朝明.车身关键部件制造的柔性化技术――机器人滚边技术[J].汽车工艺与材料，2010，07.原因一，随着滚边零件产量的增加，滚轮比拟容易磨损；原因二，在滚压包边过程中，随着滚边的进行，钣金碎屑会粘附在胎模上，从而影响到滚轮，导致滚边零件的外表质量。所以，为了保证滚轮的滚边质量和使用寿命，我们必须对滚轮外表进行淬火处理，硬度要到达55HRC。由于机器人滚压包边技术本身具有的特点，以及根据滚边对象不同的情况下，一般滚边过程可以分为2～4次顺序完成，其中，应用最多的是3道次滚边。因此，通常把滚轮的形状设计为90°轮、45°轮、30°轮、成形轮以及专用特殊轮。图3.2为滚轮包边角度示意图。a、600预滚边b、300预滚边c、00终滚边d、水滴滚边图3.2滚轮包边角度示意图Fig.3.2Angleofrollerhemming图3.3是不同的滚轮与滚轮架示意图，通常把锥轮作为预包边滚轮，而终包边一般采用圆柱轮，用水滴成型轮对发舱盖的后端进行包边，而对内外板零件角部的处理，在整个零件滚边中较其他滚边部位是一个难点，此时，可以采用小圆柱滚轮进行点压，来保证滚边工具不与零件发生干预，同时，也保证了滚边质量和车身装配精度。这些滚轮可以组合安装在一个滚轮架上，也可以分解到两个滚轮架中，如图3.3〔e〕是将三个滚轮安装在一个滚轮架上。一般一个滚轮架上安装几个滚轮，根据具体情况来决定，并且以在滚边过程中，滚轮架上的所有滚轮不与其他局部发生相互干预为准那么。滚轮安装在滚轮架上以后，再通过与机器人的手臂相连接，随着机器人的动作程序来完成滚边的过程。当需要更换产品时，仅仅更改滚轮系统即可，并且弹性连接组件都是标准化的，这样就方便了维修与更换，方便快捷。a、水滴成型轮b、圆柱轮C、小圆柱轮d、锥轮d、安装上滚轮的滚轮架图3.3滚轮与滚轮架示意图Fig.3.3Rollerandrollerframe3.3机器人及其控制系统机器人及其控制系统主要包括：滚边机器人、机器人编程程序、整个电控程序以及平安电控装置[25]。3.3.1工业机器人[[]郭洪红.工业机器人技术[M].西安电子科技大学出版社,2012,03:10-17.[]郭洪红.工业机器人技术[M].西安电子科技大学出版社,2012,03:10-17.工业机器人属于机器人的一种,由三大局部和6个子系统组成。3大局部是控制局部、机械局部和传感局部。6个子系统是由机器人-环境交互系统、人机交互系统、机械结构系统、感受系统、控制系统、伺服驱动系统组成，如图3.4所示。它是一种自动控制、可重复编程、仿人操作、能在三维空间完成各种各样作业的、机电一体化的自动化生产设备，尤其适合于多品种、不同批量的柔性化生产。工业机器人最早应用到汽车制造工艺，常用于喷漆、焊接、搬运和上下料工作。它对提高和稳定产品的生产效率以及产品的质量，还有改善劳动条件，产品的快速更新起着十分重要的作用。图3.4工业机器人系统组成图Fig.3.4Thesystemcomposedofindustrialrobot机器人的运动程序是整个控制系统的核心，通过PLC电控连接，再与整个滚边工作站的平安保护系统，以及人工取放工件操作的工艺要求连接在一起，成为一个完整平安的电控系统。机器人一般作为标准产品采购，由不同的供给商供给。现在机器人有很多品种，有ABB、KUKA、MOTOMAN、PUMN、FANUC等等，根据客户不同的使用要求和习惯来选择机器人。依据所确定的不同工艺方案形式，来要求机器人应有的工艺参数，进而来确定机器人的具体型号。机器人的主要参数有：机器人的自由度、机器人的承载大小、机器人的工作范围、机器人的运动加速度以及速度、机器人的运动精度等参数。1、机器人自由度〔DegreesofFreedom〕机器人自由度是指机器人不包括手爪〔末端操作器〕，所具有的独立坐轴运动数目的开合自由度。在三维空间中，要想描述一个物体的姿态和位置就需要6个自由度，当然也可能大于6个自由度。如下列图3.5所示PUMA机器人的自由度。图3.5PUMA机器人的自由度Fig.3.5PUMAroboticdegreeoffreedom无论机器人的自由度是多少，其运动形式可分为两种，即直线运动(P)和旋转运动(R),如RPRR就表示有4个运动自由度，从基座到壁端，旋转-直线-旋转-旋转为关节的运动方式。2、定位精度〔PositioningAccuracy〕工业机器人的精度是指重复定位精度和定位精度。重复定位精度指机器人重复定位其手部对于同一目标位置的能力，可以用标准偏差统计量来表示，其是衡量一列误差值的密集度〔即重复度〕。定位精度指机器人手部实际到达位置以及目标位置之间的差异,如图3.6所示。〔a〕重复定位精度的测量；〔b〕合理定位精度，良好的重复定位精度；〔c〕良好定位精度，很差重复定位精度；〔d〕很差定位精度。良好重复定位精度图3.6工业机器人重复定位精度和定位精度的典型情况Fig.3.6Industrialrobot’saccuracyofpositionandrepeatposition3、工作范围〔WorkSpace〕机器人工作范围指机器人手腕中心或手臂末端所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。因为末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为了反映真实机器人的特征参数，所以这里是指不安装末端执行器时的工作区域。机器人工作范围的形状与大小是十分重要，机器人在执行作业时，可能会因为存在执行局部不能到达的作业死区而造成不能完成任务。如下列图3.7所示是PUMA机器人的工作范围。(a)顶视图；〔b〕侧视图图3.7PUMA机器人的工作范围Fig.3.7TheworkingrangeofPUMArobot4、速度〔Speed〕和加速度速度和加速度是指说明机器人运动特性的主要指标。通常说明书提供了运动自由度的最大稳定速度，但在实际的应用中，单纯的考虑最大稳定速度是不够的。这是因为由于驱动器输出功率的限制，从启动到最大稳定速度，或从最大稳定速度大停止，都需要一定时间。5、承载能力〔Payload〕机器人的承载能力指机器人在工作范围内，任何位资上所能承载的最大质量。承载能力不仅决定于负载的重量，还与机器人运行的速度和加速度的方向和大小有关。为了平安起见，承载能力这一技术指机器人高速运动时的承载能力。通常承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端执行器的重量。机器人有效负载的大小除了受驱动器功率的限制外，还受杆件材料极限应力的限制，所以它又和环境条件〔比方地心引力〕、运动参数〔如运动速度、加速度与他们的方向〕有关。如下列图3.8所示的三菱装配机器人的承载能力。a、三菱装配机器人不带电动手爪时的承载能力b、三菱装配机器人带电动手爪时的承载能力图3.8三菱装配机器人的承载能力FigCarryingcapacityofthesanlingrobot目前，许多机器人的制造厂家对采用机器人滚压包边的工艺方法非常熟悉[[]刘殿福．机器人滚边压合技术应用[J]．汽车与配件，2011，2：28-30.]，所以，对此机器人参数的具体要求也非常了解，还制造了专用于滚压包边的机器人。因此，只需要确定机器人的工作范围和机器人的承载大小两大参数，来选择适宜的机器人。其中，机器人的工作范围：根据模拟仿真结果和不同的工艺布局来确定工作范围的大小；机器人承载大小：那么根据工艺要求，比方：机器人需要抓住多重的物体、机器人在工作过程中需要施加多大的力、以及机器人的运行速度来决定。而目前，大多数提供机器人滚边设备制造厂家，他们所采用的对机器人滚压工艺方法的要求，只需通过计算机器人的滚边压力即可。在机器人滚压包边过程中，对相同部位，预包边和终包边的滚边压合力不同，在不同部位的滚边压力也不相同。根据经验以及了解到的多家机器人滚边设备制造厂家所测试的结果说明：[]刘殿福．机器人滚边压合技术应用[J]．汽车与配件，2011，2：28-30.滚压包边的速度是机器人滚压包边的关键参数，一般情况下，机器人的滚边速度通常设置为平均200mm/s；但在滚边曲率变化较大、翻边角度也较大的区域，要求机器人的滚边速度低一些，通常在50~150mm/s；而滚边相对平直、曲率变化较小、翻边角度小的区域，滚边速度可适当增大一些，一般在200~300mm/s；对于机器人轨迹优化较好区域，滚边速度也可以到达500mm/s。3.3.2机器人位置运动学分析[[]孙富春,朱纪洪等.机器人学导论[M].电子工业出版社,2004,01:63-73.[]孙富春,朱纪洪等.机器人学导论[M].电子工业出版社,2004,01:63-73.机器人位置运动学的分析，这里我们主要研究两类根本问题：一类是正运动学问题，即当所有的关节变量时，用正运动学来确定机器人末端执行器的位姿；另一类是逆运动学问题，即如果要使机器人的末端执行器放在特定点上，并且具有特定的姿态，那么，可用逆运动学方程来计算出每一关节变量的值。1、机器人正运动学方程假设一个机器人是由任意多的连杆和关节构成，并以任意的形式组合，如图3.9所示，该图表示三个运动顺序的关节和两个连杆。这些关节可能是旋转的或滑动的，抑或两者都有。图3.9〔a〕表示三个关节，每个关节都是可以平移或旋转的。假设我们把第一个关节表示为n，第二个关节那么为n+1，那么，第三个关节以此类推为n+2，当然，这些关节前后可能还有其他的关节。我们也可以把连杆类似表示，其中，连杆n位于关节n与n+1之间，连杆n+1位于关节n+1与n+2之间。图3.9〔a〕中，把表示为在z轴上相邻两条公垂线之间的距离，角表示为绕z轴的旋转角，表示为关节偏移,即每一条公垂线的长度，角表示为关节扭转,即相邻两个z轴之间的角度。通常，只有和是关节变量。图3.9通用关节-连杆组合Fig.3.9Thecombinationofuniversaljoint-link接下来完成几个必要的运动，也就是将一个参考坐标系,变换到下一个参考坐标系。现在假设位于本地坐标系，那么,通过下面的四步标准运动,就可以到达下一个本地坐标系。①绕轴旋转角度〔如图3.9〔a〕与〔b〕所示〕，它使与相互平行，因为和都是垂直于轴的，因此,绕轴旋转使他们平行并且共面。②沿轴平移距离，使得和共线〔如图3.9〔c〕所示〕。因为和已经平行,并且垂直于，沿着平移可以使它们互相重合在一起。③沿移动an+1的距离，使得和的原点从叠〔如图3.9〔d〕和〔e〕所示〕。这时，两个参考坐标系的原点处于同一位置。④将轴绕轴旋转角度，使轴和轴对准〔如图3.9〔f〕所示〕。这时，坐标系n和n+1完全相同〔如图3.9〔g〕所示〕。至此，我们成功的从一个坐标系变换到下一个坐标系。在n+1与n+2坐标系间，严格按照同样的四个运动顺序，可以将一个坐标变换到下一个坐标系。从参考坐标系开始，我们可以将参考坐标系转换到机器人的基座上，然后转换到第一个关节，再到第二个关节……，直至末端执行器。通过右乘来表示四个运动的四个矩阵，就可以得到相应的变换矩阵A，矩阵A表示四个依次的运动。因为所有的变换都是以当前坐标系为基准，即：它们测量与执行都是相对于当前的本地坐标系，因此，所有的矩阵都是右乘。从而得到以下结果：〔3.1〕一般机器人的关节2与关节3之间变换可以简化为：〔3.2〕式中：表示，表示。在机器人的基座上，我们可以开始从第一个关节变换到第二个关节，然后是第三个关节……，再到机器手，最终到末端执行器。假设把定义为每个变换的量，那么，就可以得到许多表示变换矩阵A。下式为机器人基座与执行器之间的总变换：〔3.3〕其中n为关节数。表示坐标系H相对于坐标系R的变换。其中，6个A矩阵可表示为，一个具有六自由度的机器人。2、机器人的逆运动学解为了让机器人的末端执行器处于期望的位姿,所以，就有了逆运动学解,每个关节的值由它确定。在前面的运动学方程中，有许多角度的耦合，这就无法从矩阵中提取足够的元素，来求解单个的正弦和余弦项，以计算想要的角度。为了使角度解耦，我们可以例行的用单个RTH矩阵来右乘An-1矩阵，让方程的右边不再包括这个角度，于是，可以找到产生角度的元素的正弦值和余弦值，并可进一步求得相应的角度。机器人的最前方程表示为：〔3.4〕为了书写简便，可以将机器人的期望位资表示为：〔3.5〕式中，a为机器人末端执行局部的接近矢量，o表示首部姿态矢量，n是执行局部法向矢量，把p用来表示末端执行器的位置，其中px、py、pz表示为在基准参考坐标系中，p相对于坐标系的坐标。为了想要求解角度，从An-1开始，依次用A1-1左乘上述两个矩阵，通过整理变换，得到如下一组逆解：和〔3.6〕和〔3.7〕=〔3.8〕=〔3.9〕〔3.10〕〔3.11〕〔3.12〕〔3.13〕〔3.14〕这就是机器人逆运动学问题的6个方程，它们给出了机器人置于任何期望位姿时，所需要的关节值。虽然这种方法仅仅适用于给定的机器人，但是，也可采用类似的方法来处理其他的机器人。求解机器人逆运动问题时所建立的方程，可以直接用来驱动机器人到达一个位置。事实上，没有机器人真正用正运动方程来求解这个问题，所用到的仅是计算关节值的6个方程。换言之，对机器人进行设计时，设计者必须计算逆解并且推导出这些方程，并反过来用这些方程来驱动机器人，到达所期望的位置。这样做的原因是：计算机计算正运动方程的逆，或将值代入正运动并用高斯消去法来求解未知量〔也就是关节变量〕时，将花费大量时间。所以，机器人运动学的逆解往往比运动学正解更为重要，它是实现机器人轨迹控制和运动规划的根底。3.3.4机器人控制系统机器人控制系统主要用于在滚边过程中，控制滚轮的运动轨迹，并且与滚边夹具、滚轮架、平安光栅、平安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。对一个完整的滚压包边工位，如果想要机器人来控制实现滚边压合过程，就需要通过可编程控制器〔ProgrammableLogicController，简称PLC〕来控制机器人抓持滚轮架，执行滚边程序，依次完成车门内外板连接件的滚边。所以，滚轮的运动轨迹是通过编程来实现对其的控制，编制整个程序以及对程序调试优化的合理与完善，对整个车门滚压成形有着重要的影响。对于不同状态的冲压件，可能有不同的成形要求，那么，我们可以通过编制不同的程序并且保存起来，适时调用，显示出了其较高的灵活性。对于好的滚边程序，应能保证整个车门滚压包边成型后，不出现相对较严重的质量缺陷，比方：角部不出现尖角，堆料和褶皱，直边局部无波浪形变等，滚边车门整体尺寸精度合格稳定，外形美观。3.4本章小结本章对机器人滚压包边系统进行了详细的介绍，其主要由三大局部组成，即滚边夹具系统、滚轮系统、机器人及其控制系统，并分别对这三大局部进行了详细的论述。[1]何涛杨竟等ANSYS10.0/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程机械工业出版社2007.15-13[2]XiWang，JianCao，MingLi．WrinklingAnalysisinShrinkFlanging．JournalofManufacturingScienceandEngineering，2001，123：426-432[3]杨宽汽车覆盖件包边模预包边机构设计及仿真研究37[4]ZhangG,WuX,HuS.JNumericalAnalysisandOptimizationofhemmingProcesses[J].JournalofManufacturngProcessing,2003,(5):87-96.[5]彭朝阳刘渝等汽车覆盖件扣合成形翘曲现象的力学分析[J].塑性工程学报第17卷第3期2010，6，76-80[6]Haarter,R.,FrictioninSheetMetalForming,theinfluenceof(local)contactconditionsanddeformation.UniversiteitTwente,Enschede,1996.p.iv.第四章机器人滚压包边过程有限元分析理论根底与软件工具4.1有限元模拟工具简介-ansys/ls-dynals-dyna是世界上最著名的、以显式分析、结构分析、非线性动力分析为主，兼有隐式求解功能、热分析、流体结构耦合功能、静力分析功能的有限元程序。能够模拟真实世界的各种复杂几何非线性〔大转动、大位移和大应变〕、接触非线性〔50多种〕和材料非线性〔140多种材料动态模型〕问题，特别适合于求解各种二维、三维非线性结构的金属成形、高速碰撞以及爆炸等非线性动力冲击问题，同时也可以求解传热、流固耦合及流体问题。其具有以下几个主要特点[1]：强大的分析能力：ls-dyna具有很广泛的分析功能,其不仅具有非线性动力学分析功能以及多刚体动力学分析功能，还具有热分析和流体分析功能；不仅能进行结构-热耦合分析，还能对有限元-多刚体动力学耦合与多物理场耦合进行分析；不仅具有裂纹扩展分析，还具有分析失效功能等等。丰富材料模型库：目前ls-dyna拥有金属、塑料、泡沫、橡胶、编制品、合材料、近炸药、混泥土、粘性流体等150多种金属和非金属材料模型，同时还支持用户自定义材料。易用的单元库：目前ls-dyna具有体单元、梁单元、薄/厚壳单元、离散单元、焊接单元、束和索单元、SHP单元、节点质量单元等等，而且每种单元又有许多算法可以选择，比方以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法。充足的接触方式：目前ls-dyna具有50多种可以供用户选择的接触分析方式，使得其不仅可以求解各种刚体对刚体、柔体对刚体、柔体对柔体等接触问题，并且可以对接触外表的固连失效、流体与固体的界面以及静动力摩擦等问题进行分析。自适应网格剖分功能：通常薄板冲压变形模拟、薄壁结构受压屈服、三维锻压问题等大变形用自动剖分网格技术来解决，使得弯曲变形严重的区域皱纹更加清晰。强大的软硬件平台支持：几乎所有类型的操作平台和工作站都被ls-dyna支持并可平行运算，ls-dyna能针对不同的系统进行平行处理运算，包括SMP〔ShareMemoryParallel〕与MP(MassivelyParallel)。另外，ls-dyna作为典型的结构非线性分析工具，可以模拟模型尺寸大的航空航天工业、土木工程，小至DNG、IC。只要是结构力学相关的领域，几乎都有ls-dyna的应用实例，有力促进了包括航空航天、石油行业、汽车工业、制造业、建筑业等技术行业开展，影响是十分深远的。与一般的CAE辅助分析软件操作过程类似，ansys/ls-dyna分析过程也包括问题的规划、前处理、求解以及后处理四局部，如图4.1所示。图4.1LS-DYNA分析流程问题的规划在分析的开始，必须先做好问题的规划，即确定如何让有限元程序模拟实际的物理系统，如分析的目的是什么？将模拟模型中哪些细节？将选择哪种单位类型等等。好的规划常常与精度和本钱、计算的时间有着直接的联系，甚至决定着分析是否成功。前处理前处理主要包括设置Preference选项，指定分析所选用的单元类型，如果有实常数的话，还要定义相应的实常数，以及定义材料模型、创立几何实体模型后，对实体进行网格划分、定义part、定义接触信息、边界条件和载荷等。加载和求解指定分析的接触时间与各项控制求解参数，形成ls-dyna程序的标准输入文件，即关键字K文件，然后，递交给ls-dyna970求解器进行计算。结果处理与分析后处理有基于ansys和基于ls-prepost两种不同的后处理方式。既可以使用ansys通用后处理post1，来观察整体应力应变状态，使用时间历程后处理post26，来绘制时间历程曲线，也可以用ls-prepost进行应变、应力、时间历程曲线的绘制。4.2有限元模拟1、建模首先，对机器人滚压包边进行建模，实体建模有2种思路：自顶向下的构造模型和自底向上的构造模型。在此采用自底向上的思路来建模。图4.2为通过有限元软件对机器人滚压包边建立的三维模型和二维模型。结合实际情况，工艺和几何参数分别是：滚轮直径取50mm；内外板长度取200mm，并使其厚度相等，为0.7mm；取外板的宽度为32mm；翻边高度定为7mm；内板离外板翻边处的距离为2mm等主要参数。在没有特殊说明的情况下,本文后章节都是以这些参数得出结论。外板内板胎模滚轮外板内板胎模滚轮滚边夹具滚边夹具(a)机器人滚压包边三维模型滚轮胎模滚边夹具内板外板滚轮胎模滚边夹具内板外板(b)机器人滚压包边二维模型图4.2机器人滚压包边模型2、设置单元属性有限元模型建好以后，接着设置单元属性，其中，单元属性包括：单元类型〔TYPE〕、实常数〔REAL〕和材料特性〔MAT〕等。本文模型中，滚边夹具和胎模的建立，采用壳单元的原因是：对于机器人滚边的有限元模拟过程中，采用壳单元不仅能减小模型的计算规模，缩短仿真的时间，而且滚边结果的精度也略胜于实体单元[2]。而且，要分析内外板的变形属性，所以把内外板定义为变形体，把滚轮、滚边夹具以及胎模定义为刚体。在本文的有限元模拟分析中，使用的强化模型是：式中，K为强化系数，是塑性应变，n为强化系数。采用的材料是深冲钢板AKDQ〔AluminumKilledDrawQualitysteel〕，该材料的泊松比v=0.3，弹性模量E=200GPa，材料的强化特性如下列图所示。图4.3材料应力应变曲线在进行滚边过程中，内板的变形和位移很小，但是，如果将内板设置为刚体，那么会影响外板在滚边过程中的上翘，这将可能导致仿真结果出现误差。所以，为了仿真的准确性，通常也把滚边内板的材料性质考虑进去[3]。由于本文模拟计算规模较大，为了缩短计算时间，所以将内外板定义成一样的单元属性。无论采用哪种方法为所需要的实体模型指定属性，都必须事先定义所需要的单元类型、材料属性以及实常数。对模型的每个区域指定单元属性，是为了防止在网格划分的过程中，重置单元属性。3、划分网格在对模型设置完属性后，接着对其进行网格划分，在为模型划分网格时，它的属性将自动转换到单元上。网格的形状多种多样，通常情况下，使用何种网格形状，取决于所选择的单元类型。如本文模型中的内外板，该单元是正方形，那么，在划分的时候选择四面体选项。这样选择的原因是，为了防止因为单元的退化，而造成对分析结果的可靠性产生较大影响。因此，在指定单元形状时，优先考虑单元形状本身形式的使用，如果不能划分，那么再考虑退化形式。滚边内外板的网格划分如图图4.4所示，如前所述，由于在滚边过程中，内板的变形和位移较小，对仿真的结果影响也较小，所以，可以将其网格划分的稍微大一些，在减少计算时间的情况下，也对结果的影响较小。而对外板的网格划分，就比拟麻烦一些，因为外板是主要的变形区，所以网格的划分较内板就要划分的细一些。但是，假设整块外板的网格划分都很细的都话，计算规模就增大，也加大了计算时间。所以，我们只需在外板的翻边局部，还有滚轮在包边过程中，使外板可能发生翘曲的局部进行网格细化，如4.4下列图所示，这样不仅能减少计算时间，也能得到较精确的结果。图4.4滚边内外板网格划分示意图4、定义接触ls-dyna程序有50多种可以选择的接触分析方式，可以求解各种柔体对柔体、柔体对刚体、刚体对刚体等接触问题。它有三种不同的算法来处理碰撞、滑动接触界面，即动态约束法〔Kinematicconstraintmethod〕、罚函数法〔Penaltymethod〕、分布参数法〔Distributedparametermethod〕。此次模拟采用罚函数法，根本原理是：在每一个时间步里，首先检查各个从节点是否穿透主面，假设没有穿透，那么不做任何处理，如果穿透了，那么在该从节点与被穿透主面之间引入一个比拟大的界面接触力，并且，其大小的穿透深度以及主面的刚度成正比。另外，ls-dyna普通〔Normal〕、自动〔Automatic〕、刚体〔Rigid〕等接触类型。此次模拟采用自动接触类型，其与普通接触类型的区别在于：对壳单元接触力的处理方式不同，普通接触在计算接触的时候，对壳的厚度不给予考虑，而自动接触允许接触出现在壳单元的两侧。两种接触类型中的壳单元接触力，按照如图4.5所示的方法计算。在实际模拟中，滚轮与外板翻边局部接触、胎模与外板底面接触、外板与内板接触以及滚边夹具与内板接触。图4.5自动接触与普通接触壳单元接触力的计算方法在进行ls-dyna接触分析时应注意：在定义材料的特性时要注意单位的协调，因为不正确的单位将导致结构的响应异常，甚至无法计算；同时，也要确保模型中使用的材料数据是精确的，因为多数非线性的动力学问题的精度与输入材料数据质量是密切有关；并且，在相同的PART之间不要定义多重接触；防止单点接触，容易引起沙漏模式。5、施加载荷、求解在对模型完成单元、实常数、材料性质定义以及实体建模、有限元网格划分，在此次模拟中，需对滚子施加载荷，以及对板进行约束的设定。然后，一切设置完成后，就可以开始求解，但在求解之前，要对一些求解控制参数进行设置，根本内容包括计算时间控制，输出文件控制以及高级求解控制。等求解完成后，分析结果，得出结论。有限元分析结果4.3.1包边质量缺陷机器人滚压包边零件质量的好坏与否,与其它包边方式一样,将会直接影响车身装配尺寸的精度、车身覆盖件的外表质量、以及整车外观的强度和美观性。因此，机器人滚压包边质量的控制显得尤为重要。在一般包边过程中，主要三种典型的包边质量问题[4]：1、轮廓边缘内移或者外移；2、包边轮廓附近的卷曲以及包边外板件的面内翘曲；3、回弹现象。轮廓边缘内移和外移如图4.6所示，是一种尺寸精度问题，它主要影响汽车覆盖件的装配质量。例如：汽车前、后车门与车体之间间隙的不均匀如图4.7所示。图中S为边缘内移或边缘外移量C为内外板间隙图4.6轮廓边缘内移或外移间隙不均匀间隙不均匀图4.7汽车前车门与车体