基于Tecnomatix的氣動焊槍運動學建立

王玲，黃京，2

(1.上海通用汽車有限公司整車制造工程部，上海201201;2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240)

汽車行業日益激烈的競爭環境，對車輛的設計開發、制造技術等提出了更高的要求。不同部件的焊接技術作為車輛制造過程中的關鍵點，始終受到人們的高度關注［1］。點焊工藝因焊接面積小，外形美觀，且無附加焊材等優勢而成為各大汽車制造廠所采用的主要焊接方式［2－4］。

車身底板、四門、兩蓋、側圍等不同部位的焊接情況不同，對焊槍位置、焊槍氣缸行程等的要求也千差萬別［5］，僅僅通過試驗手段在現場進行調整工作量大，不利于保證整車質量并快速響應客戶需求，縮短新車型上市時間。因此制造工程師需要利用三維數字化資源進行大量仿真，以便在產品設計與工藝設計早期發現問題，及時整改，減少項目風險和費用。

作為當前汽車行業應用最為廣泛的制造信息化系統之一，Tecnomatix無論在規劃工作還是在仿真工作方面都有很好的表現［6－9］。文中通過對焊槍運動學原理進行分析，建立一套標準的氣動焊槍運動學模型并開發實用的函數輔助程序，為今后的焊槍可達性干涉檢查、焊槍型號選擇等工作奠定基礎。

1 氣動焊槍模型建立

氣動焊槍的三維數字模型通過*.jt文件格式導入Tecnomatix中的Process Simulate仿真軟件中，放置到焊槍資源數據庫中。

1.1 運動桿件建立

Tecnomatix(Process Simulation)中共同運動的部件集合稱為桿件，給焊槍添加運動學的時候首先將不同部件及其附加結構分割成相應桿件［10］。如圖1，氣動焊槍的工作原理為:氣缸帶動活塞桿運動，活塞桿拖動連桿，連桿帶動靜臂繞主軸轉動。由于氣動的驅動方式產生比較大的振動沖擊，一般靜臂不直接與基座相連，靜臂和基座之間往往是通過緩沖彈簧或平衡氣缸連接。

圖1 氣動焊槍的基本結構

根據以上分析，在Tecnomatix(Process Simulate)中建立6個桿件，如表1所示。其中，tip_opening是為建立獨立運動副而設置的空桿件。

表1 氣動焊槍的桿件

1.2 運動副建立

在Tecnomatix(Process Simulation)軟件中為建立的桿件添加運動副和運動學 (見圖2)，桿件設置成功后將被標示以不同的顏色，空桿件為灰色。Tecnomatix(Process Simulation)中的運動副表達的是桿件間的相對運動，箭頭由參照桿件指向運動桿件，運動桿件的 (轉動或平動)軸線始終與參照桿件的運動狀態相同。氣動焊槍共需要建立5個運動副，其中，j1指的是焊槍動臂電極帽與靜臂電極帽之間的距離，j5為由于氣動沖擊造成的靜臂繞基座的擺動，j2、j3和j4均為非獨立運動副，需要通過運動學分析定義運動函數，運動函數的大小為相對運動中平動距離或擺動角度相對于初始位置的變化量。

圖2 氣動焊槍的桿件及運動副

2 氣動焊槍的運動學分析

2.1 氣動焊槍的機構類型

X型氣動焊槍的機構類型為平面滑桿擺桿機構(見圖3)，并且在初始位置時活塞桿和連桿位置共線。

圖3 氣動焊槍的機構初始位置示意圖

2.2 氣動焊槍運動學分析

以電極帽尖端為原點 (見圖3)、垂直原理焊槍開口方向為x軸、焊槍開口最大方向為z軸建立坐標系，3個鉸鏈點的初始位置坐標分別為 P1(x1，z1)、P2(x2，z2)、P3(x3，z3)，需要求出的運動副函數表達式分別為靜臂擺動角度α、活塞桿平動位移l3和連桿相對于活塞桿的擺動角度θ。

l0、l1、l2分別為圖示桿件的長度:

α0為桿件l1與x軸夾角的初始值，β是桿件l3與x軸的夾角:

如圖4，w為焊槍開口大小，靜臂擺動的角度為:

圖4 氣動焊槍開口和靜臂擺動角度的關系

如圖5，P2運動至新位置后的坐標為:

圖5 焊槍開口大小為w時的機構位置

如圖6，桿件l3運動至新位置后的坐標為:

圖6 桿件l3移動至新位置

由P3坐標計算獲得P2的新位置坐標為:

聯立式 (9)與式 (11)，獲得二元方程組:

該方程組的解為:

3 運動函數程序開發

3.1 自定義運動副函數

Tecnomatix(Process Simulation)仿真軟件對運動函數格式有嚴格要求，D表示滑動副大小，T表示轉動副大小。由式 (7)得到j2的函數:

由式 (13)得運動副j4的函數為:

式 (15)是運動副j3移動的距離，當D(j1)＞0時，D(j3)=Δl3;當D(j1)＜0時，D(j3)=－Δl3。在Tecnomatix(Process Simulation)中規定了邏輯式的值:

將上述邏輯式經過適當改造，得D(j3)的函數為:

3.2 基于VBA的仿真函數生成程序

由于建立3D焊槍數據的過程中對于氣動焊槍運動學仿真的需求十分龐大，手動書寫公式效率低且易出錯，基于VBA開發了仿真函數生成程序［11］。部分截面如圖7所示。

圖7 基于VBA的仿真函數生成程序

程序獲取用戶輸入的機構初始位置相關坐標后，將數值代入函數原型，以字符串格式輸出至文本框，以j3的運動學函數為例，其函數原型為式 (18)，j3文本框的相應代碼如下:

其中黑正體為后臺計算的數值量，其他均為字符串格式，使用運算符＆強制疊加后輸出至界面，用戶拷貝后至相應的函數定義窗口。

4 結束語

基于Tecnomatix(Process Simulation)建立了氣動焊槍的運動學仿真，基本表達了氣動焊槍的真實運動，基于VBA開發的仿真函數生成程序界面簡潔，運行穩健可靠，節約了仿真工作時間，保證了正確率。文中研究亦可作為基于Tecnomatix(Process Simulation)的其他各類設備的運動學仿真的參考。

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