應用虛擬裝配技術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聯(lián)系也非常復雜，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，直接影響到沖壓生產線按期投入生產，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果，并且在此基礎上進行各部件間的干涉檢驗及布局調整，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。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，組成結構如圖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、旋轉單元、上下料機械手、中間小車等。由于壓機結構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，根據沖壓件的不同選擇相應的模具數(shù)據文件。

（4）端拾器零件庫
吸盤及結構件等構成真空吸盤式端拾器部件。沖壓生產線其相鄰兩個壓力機的輸送單元主要有以下機構組成：

□ 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。

沖壓線的虛擬裝配

在建立沖壓線各模型類庫的基礎上，通過調用各參數(shù)文件并進行虛擬裝配，調整每個零部件模型的三維空間坐標和結構布局，并經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）。

壓機結構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，由于沖壓件根據生產計劃的要求而經常變更，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一線的技術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，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出沖壓件數(shù)據文件，并設定吸盤類型與型號。

2、軟件根據沖壓件幾何尺寸，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整。

3、軟件生成端拾器的其他結構件，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。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，從而進一步調整端拾器結構件的尺寸及空間布局。

5、操作人員保存軟件給出的、并經過調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，則端拾器裝配方案最終得到確定。

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整端拾器吸盤型號、結構件尺寸參數(shù)的控件。

虛擬沖壓線的仿真運行

1、沖壓線虛擬裝配環(huán)境構建

虛擬環(huán)境是在計算機上構建的模擬三維空間，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，其內容如圖4所示。

沖壓線模型類庫是構成虛擬環(huán)境的主要內容，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，根據其在虛擬場景的距離、視覺特性等規(guī)則，構造一組可顯示不同多面體數(shù)量的三維模型。在模型驅動時根據所制定的規(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、裝配仿真的驅動

沖壓線運動要素主要包括壓機內/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成各種運動約束，使得該子系統(tǒng)成為空間運動構件，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，最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添加command操作來驅動，內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。

結束語

本文應用虛擬裝配技術，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、提高沖壓線組裝質量、降低沖壓線組裝成本有重要的理論與現(xiàn)實意義。