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(diǎn)池，這種方法的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(duì)這個(gè)問題，本文基于VS 2013 對(duì)UG NX 進(jìn)行了二次開發(fā)設(shè)計(jì)。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(jì)算變形，通過對(duì)重力變形數(shù)值的探測對(duì)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(chǔ)定位策略，通過建立Access數(shù)據(jù)庫，能夠儲(chǔ)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(duì)車身鈑金件進(jìn)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(qiáng)等提出對(duì)于車身鈑金件的裝夾定位，除了要限制零件剛體運(yùn)動(dòng)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(shí)的重力和夾具定位點(diǎn)偏差對(duì)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(diǎn)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(duì)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(shí)現(xiàn)了零件有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分，劃分生成的有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為可選定位點(diǎn)。將選取基準(zhǔn)的原則和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，并以此為基礎(chǔ)建立了基于人工經(jīng)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了非可行定位點(diǎn)的自動(dòng)過濾。

（2）自動(dòng)分析與人機(jī)交互分析并存的智能優(yōu)化系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工選擇結(jié)合自動(dòng)優(yōu)化方式進(jìn)行定位點(diǎn)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(dòng)與工程師經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(chǔ)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(jìn)行存儲(chǔ)，也可以將優(yōu)化后的定位策略與先前的定位策略進(jìn)行比較分析；并且這些存儲(chǔ)的定位策略還可以繼續(xù)進(jìn)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(gè)產(chǎn)品工程解決方案，在用戶進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工過程中給用戶提供數(shù)字化造型和經(jīng)驗(yàn)手段。這是一個(gè)交互式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)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(gè)非常重要的模塊，也是UG/OPEN二次開發(fā)軟件包中的一個(gè)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(jìn)而達(dá)到實(shí)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(gè)功能，基準(zhǔn)智能推理模塊等功能，實(shí)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(gè)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(jì)數(shù)模

（2）通過開發(fā)的分析軟件，對(duì)數(shù)模進(jìn)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(jì)選用的材料，在軟件中對(duì)網(wǎng)格文件設(shè)置材料屬性，主要時(shí)通過楊氏模量，密度，泊松比，材料厚度等信息進(jìn)行模擬，如圖4所示。

（4）為設(shè)置測點(diǎn)信息，創(chuàng)建的測點(diǎn)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(jì)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(jìn)行重力變形分析。

（6）經(jīng)過計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

（7）計(jì)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(jìn)行存儲(chǔ)。

經(jīng)評(píng)估這個(gè)變形量較大，不符合設(shè)計(jì)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(jì)算分析，在中部結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域增加2個(gè)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(duì)比，質(zhì)量提升了53.25%，滿足了設(shè)計(jì)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(duì)比的方法，來實(shí)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(shí)，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(jì)算候選。

（3）根據(jù)相似度計(jì)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(jì)算，推導(dǎo)出新零件的基準(zhǔn)位置信息。其中，相似度計(jì)算公式為：

式中sim 為相似度；Pi,Pj為零件i，j；dij為2 個(gè)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(gè)公式，實(shí)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(jì)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(duì)UG NX 軟件二次開發(fā)，實(shí)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(shí)現(xiàn)了零定位策略優(yōu)劣分析工作。本研究實(shí)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(jì)發(fā)布期間，通過定位策略的早期設(shè)計(jì)優(yōu)化，可提高設(shè)計(jì)發(fā)布質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)變更成本。