車身鈑金件定位基準(zhǔn)優(yōu)化研究及系統(tǒng)建立

馬振海 龔海淵 邢彥鋒

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司, 上海200120；2．上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201600）

主題詞：基準(zhǔn)優(yōu)化 定位策略優(yōu)化 UG二次開發(fā) 重力變形

1 引言

在以往的零件基準(zhǔn)開發(fā)工作中是通過人工確定可選定位點池，這種方法的設(shè)計精度不能保證，開發(fā)效率也不高。通過人工確定可選定位點池的方式已經(jīng)不能滿足數(shù)字化、智能化開發(fā)和現(xiàn)代化生產(chǎn)制造的需要。

針對這個問題，本文基于VS 2013 對UG NX 進行了二次開發(fā)設(shè)計。開發(fā)了一套適用于車身鈑金件基準(zhǔn)優(yōu)化的分析方法和軟件。利用UG 中Nastran 程序計算變形，通過對重力變形數(shù)值的探測對比，獲得優(yōu)化的定位策略。

本研究還建立了數(shù)據(jù)庫存儲定位策略，通過建立Access數(shù)據(jù)庫，能夠儲存優(yōu)化后定位策略。

2 車身鈑金件定位基準(zhǔn)選擇原則

在汽車車身的裝配過程中，需要先對車身鈑金件進行定位基準(zhǔn)開發(fā)，以便后續(xù)的焊接裝配及零件檢測使用。車身鈑金件的裝夾定位，不僅要滿足精確定位的共性要求，還要充分考慮鈑金件沖壓易變形性和沖壓制造偏差較大的特征。周志強等提出對于車身鈑金件的裝夾定位，除了要限制零件剛體運動的基本功能，還必須要能夠限制零件過多的工件變形[1]。由于薄板鈑金件的這種特性，鈑金件基準(zhǔn)策略多是基于“N-2-1”定位原則。鄒景明在論文中指出為了降低車身鈑金件焊接裝夾時的重力和夾具定位點偏差對車身鈑金件焊接定位精度的影響，提高車身鈑金件定位方案的穩(wěn)健性，定位點的選擇成為鈑金件基準(zhǔn)開發(fā)尤為重要的一步[2]。本文研究的對象即為鈑金零件基準(zhǔn)“N”的位置和數(shù)量，通過研究建立一種鈑金件基準(zhǔn)選擇的優(yōu)化分析方法。

3 車身鈑金件定位基準(zhǔn)優(yōu)化系統(tǒng)建立

為了研究和分析鈑金件基準(zhǔn)策略，本研究開發(fā)了一套的軟件系統(tǒng)，其功能如下：

（1）本系統(tǒng)在UG NX 二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了零件有限元網(wǎng)格自動劃分，劃分生成的有限元網(wǎng)格節(jié)點作為可選定位點。將選取基準(zhǔn)的原則和經(jīng)驗進行了總結(jié)，并以此為基礎(chǔ)建立了基于人工經(jīng)驗的數(shù)學(xué)模型，通過角度過濾、邊界過濾、主平面過濾和稀疏過濾等方式結(jié)合，成功實現(xiàn)了非可行定位點的自動過濾。

（2）自動分析與人機交互分析并存的智能優(yōu)化系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn)人工選擇結(jié)合自動優(yōu)化方式進行定位點的優(yōu)化和選擇，顯著提高了定位優(yōu)化的效率和精度，通過將自動與工程師經(jīng)驗的交互兩種方式互為優(yōu)化基礎(chǔ)，優(yōu)化得出的定位方案的穩(wěn)健性也有所提高。

（3）利用Access 的數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析能力及數(shù)據(jù)檢索查詢功能，本研究系統(tǒng)建立了數(shù)據(jù)庫模塊，用于存儲和分析定位策略數(shù)據(jù)。用戶可以將每一次分析的定位策略進行存儲，也可以將優(yōu)化后的定位策略與先前的定位策略進行比較分析；并且這些存儲的定位策略還可以繼續(xù)進行循環(huán)優(yōu)化，直到用戶得到更滿意的優(yōu)化結(jié)果。

4 UGNX軟件的二次開發(fā)

UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software 公司出品的一個產(chǎn)品工程解決方案，在用戶進行產(chǎn)品設(shè)計和加工過程中給用戶提供數(shù)字化造型和經(jīng)驗手段。這是一個交互式計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造系統(tǒng)[3]，其中OPENAPI（UG開放應(yīng)用程序接口）是Unigraphics中一個非常重要的模塊，也是UG/OPEN二次開發(fā)軟件包中的一個開發(fā)工具。高原在論文中介紹了UG/OPENAPI 作為UG與外部應(yīng)用程序之間的接口（圖1），UG/OPEN API 是一系列函數(shù)的幾何，通過UG/OPEN API 的編程，用戶幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)所有的UG功能，開發(fā)者可以通過C 語言編程來調(diào)用這些函數(shù)，進而達到實現(xiàn)用戶化的需要[4]。

圖1 UG/OPENAPI的組成[4]

本研究基于UG NX二次開發(fā)，建立了網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理模塊，鈑金件重力變形分析模塊，基準(zhǔn)優(yōu)化分析模塊幾個功能，基準(zhǔn)智能推理模塊等功能，實現(xiàn)了鈑金件基準(zhǔn)智能優(yōu)化分析功能。

5 車身鈑金件定位基準(zhǔn)優(yōu)化研究案例分析

基準(zhǔn)優(yōu)化分析需要經(jīng)過8個步驟，如圖2所示。

圖2 鈑金件定位策略優(yōu)化過程

（1）首先需要將待分析零件CAD數(shù)模導(dǎo)入（圖3）。

圖3 汽車前蓋內(nèi)板設(shè)計數(shù)模

（2）通過開發(fā)的分析軟件，對數(shù)模進行網(wǎng)格劃分，可按照10 mm×10 mm大小劃分網(wǎng)格。

（3）根據(jù)零件設(shè)計選用的材料，在軟件中對網(wǎng)格文件設(shè)置材料屬性，主要時通過楊氏模量，密度，泊松比，材料厚度等信息進行模擬，如圖4所示。

（4）為設(shè)置測點信息，創(chuàng)建的測點用于后續(xù)輸出變形分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

（5）根據(jù)零部件設(shè)計開發(fā)期間制定的基準(zhǔn)策略，如圖5前蓋內(nèi)板基準(zhǔn)圖紙所示，根據(jù)基準(zhǔn)的位置，輸入進行重力變形分析。

（6）經(jīng)過計算，輸出計算結(jié)果如圖6所示。

（7）計算結(jié)果分析，可發(fā)現(xiàn)最大重力變形數(shù)值為-0.492 mm左右。

（8）將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)進行存儲。

經(jīng)評估這個變形量較大，不符合設(shè)計要求，基準(zhǔn)策略需要優(yōu)化。根據(jù)圖6顯示的最大變

圖4 設(shè)置材料信息

圖5 圖紙定位策略

圖6 汽車前蓋內(nèi)板優(yōu)化分析結(jié)果

圖7 汽車前蓋內(nèi)板優(yōu)化分析結(jié)果

形位置位于零件中部結(jié)構(gòu)較弱區(qū)域，可考慮在薄弱區(qū)域位置增加支撐基準(zhǔn),增加的基準(zhǔn)位置如圖7 所示。經(jīng)過再次計算分析，在中部結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域增加2個輔助支撐基準(zhǔn)，再次優(yōu)化分析重力變形，分析結(jié)果如圖8 所示。優(yōu)化后的分析結(jié)果，最大變形量為-0.23 mm，與圖7 初次分析結(jié)果對比，質(zhì)量提升了53.25%，滿足了設(shè)計要求。

圖8 汽車前蓋內(nèi)板優(yōu)化分析結(jié)果

6 定位策略智能優(yōu)化和推理

關(guān)于零部件定位策略智能優(yōu)化，本研究提出一種通過零部件相似度對比的方法，來實現(xiàn)同類型零件基準(zhǔn)策略的智能推理方法，其推理的流程如圖9。

圖9 零件基準(zhǔn)相似推理流程

當(dāng)開發(fā)新零件基準(zhǔn)體系時，可采用相似推理方法快速獲得任務(wù)零件基準(zhǔn)體系。

（1）先將新零件劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格是用于求解零件幾何尺寸信息。

（2）然后在零件庫中檢索同類型零件，將這些零件加入相似度計算候選。

（3）根據(jù)相似度計算結(jié)果，在庫中選出最接近新零件的基準(zhǔn)方案，并通過幾何比例計算，推導(dǎo)出新零件的基準(zhǔn)位置信息。其中，相似度計算公式為：

式中sim 為相似度；Pi,Pj為零件i，j；dij為2 個零件i，j之間重要屬性關(guān)系；Vik，Vjk為零件i，j的屬性，包括長寬比，比例關(guān)系等。

這2 個公式，實質(zhì)上是通過零件的幾何形狀來判斷和選擇相似度，并根據(jù)相似度在基準(zhǔn)策略庫中的選出最接近當(dāng)前待開發(fā)零件的基準(zhǔn)策略。根據(jù)幾何形狀，按照比例計算輸出新零件的基準(zhǔn)位置。

7 結(jié)束語

本研究基于VS 2013 對UG NX 軟件二次開發(fā)，實現(xiàn)了鈑金類零件定位策略優(yōu)化和智能推理工作。本研究通過UG NX二次開發(fā)，以探測零件重力變形為探測手段，實現(xiàn)了零定位策略優(yōu)劣分析工作。本研究實現(xiàn)的鈑金件定位策略優(yōu)化精度可靠，優(yōu)化方法工作效率高；在設(shè)計發(fā)布期間，通過定位策略的早期設(shè)計優(yōu)化，可提高設(shè)計發(fā)布質(zhì)量，減少設(shè)計變更成本。