汽车外覆盖件冲压自动线运动规划及仿真系统的开发与应用

摘要

汽车工业是高度技术密集型的综合性工业。冲压、焊接、涂装和总装是现代汽车生产制造的四大工艺。目前我国汽车生产制造的四大工艺除冲压外其它三大工艺设备长期大量依赖进口。但冲压自动线运动规划及虚拟仿真系统和部分配置的自动化送料设备等技术掌握在德国、日本等国外几家公司手中，与国外相比差距较大，特别是自主知识产权缺乏，不能满足要求。
　　本文依托国家大型精密复合冲压成形机床创新能力平台(项目编号:2011ZX04016-091)，围绕汽车外覆盖件冲压自动线运动规划及虚拟仿真系统开展了系统深入的研究，取得了一些具有重要应用价值的创新成果。研究成果已成功应用于比亚迪汽车有限公司单臂送料冲压自动线项目的规划设计及仿真。论文的主要研究内容和取得的成果如下:
　　通过分析汽车外覆盖件冲压线的运行环节，确定了冲压线运动规划及仿真系统的研究方法和功能模块，建立了冲压线运动规划及仿真系统的框架结构，对冲压线运动规划及仿真系统进行了功能性分解，分析了建立冲压线运动规划及仿真系统过程中的关键技术，为冲压线运动规划及仿真系统的开发提供决策支持。
　　将冗余度机器人逆运动学解法应用到JWS送料臂的典型作业求解中;建立了送料臂的运动学、动力学模型以及不同任务的环境模型，研究了JWS两冗余度送料臂的行动规划问题;基于Newton-Raphson迭代法、最优控制数值法以及组合多项式曲线参数优化法，分别对冗余度送料臂进行了行动规划并作出评价;对NR迭代法进行了改进与程序实现，结果表明改进的NR迭代法运行稳健，能够满足实用要求。
　　建立了整线运动规划问题的数学描述模型，提出了送料线整线规划的分解规划法求解思路及其基本算法;提出了整线运行模拟的体系架构，该架构具有接口规范、易于扩展等优点。
　　建立了汽车外覆盖件虚拟冲压线仿真模型，分析了整线运动仿真结果，优化了送料机构的送料路径及整线的生产节拍;实际测试了冲压线生产时送料臂及整线的性能，结果表明单臂送料规划系统合理可行、稳定可靠，已在济南二机床集团有限公司的单臂冲压线产品中得到应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 冲压线规划仿真的国内外研究现状

1．2．1 汽车外覆盖件冲压线研究现状

1．2．2 冲压线规划仿真技术研究现状

1．3 研究目标和研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 论文的体系结构

1．5 本章小结

第2章 冲压线运动规划及仿真系统的基本框架研究

2．1 虚拟产品开发技术概述

2．2 冲压线运动规划及仿真系统的功能分析

2．3 冲压线运动规划及仿真系统的框架研究

2．3．1 系统总体技术解决方案分析

2．3．2 规划和仿真的集成与验证方案

2．3．3 基于面向对象的系统建模描述

2．3．4 系统与下位机通讯接口实现

2．4 本章小结

第3章 冗余度送料臂的行动规划

3．1 送料臂行动规划概述

3．1．1 送料臂行动规划问题

3．1．2 送料臂行动规划的特点与要求

3．1．3 送料臂行动规划模块的结构

3．1．4 冗余度机器人的逆运动学解法

3．2 JWS冗余度送料臂的运动学与动力学

3．2．1 JWS两冗余度送料臂的机构构成

3．2．2 JWS两冗余度送料臂正运动学研究

3．2．3 JWS两冗余度送料臂工作空间分析及其在规划中的应用

3．2．4 JWS两冗余度送料臂动力学研究

3．3 冗余度送料臂的任务及环境模型

3．3．1 周期性送料运动模型

3．3．2 带横杆连续轨迹约束的非周期性运动模型

3．3．3 横杆位置点到点运动模型

3．3．4 送料臂环境建模

3．4 送料臂的行动规划算法

3．4．1 冗余度送料臂基于Newton-Raphson迭代的行动规划法

3．4．2 冗余度送料臂基于最优控制数值法的行动规划

3．4．3 冗余度送料臂基于组合多项式曲线参数优化的实用行动规划

3．5 行动规划算法的性能分析与评价

3．5．1 基于周期性送料运动基准算例的算法的能力对比评价

3．5．2 规划方法对不同送料机构适应性研究

3．6 本章小结

第4章 冲压线整线运动规划与运行模拟

4．1 整线运动规划与运行模拟问题

4．1．1 整线运动规划问题

4．1．2 整线运行模拟问题

4．2 整线运动规划问题研究

4．2．1 整线运动模型

4．2．2 整线运行模式

4．2．3 整线运动规划的求解技术及其结构

4．2．4 整线运动规划的干涉计算问题

4．2．5 整线运动规划的分析验证技术

4．2．6 整线协调运动规划的实际算例

4．3 整线运行模拟问题研究

4．3．1 整线运行模拟的体系结构

4．3．2 整线VR可视化建模

4．4 本章小结

第5章 基于PLS的整线运动仿真优化与现场验证

5．1 PLS仿真平台运动功能及实现

5．1．1 运动仿真技术

5．1．2 PLS仿真平台

5．1．3 PLS运动模式

5．1．4 PLS运动同步

5．1．5 PLS仿真结果分析

5．2 PLS环境下单臂冲压线建模

5．2．1 整线运动结构与坐标系统

5．2．2 冲压线运动逻辑模型建模

5．2．3 冲压线设备建模

5．2．4 冲压线工艺建模

5．3 整线运动仿真及优化

5．3．1 冲压线工艺流程

5．3．2 冲压线运动仿真结果分析方法

5．3．3 冲压线送料路径优化

5．3．4 整线运动仿真及节拍优化

5．4 比亚迪汽车有限公司项目现场验证

5．4．1 比亚迪汽车有限公司项目介绍

5．4．2 送料臂的性能测试

5．4．3 整线的性能测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文主要工作及结论

6．2 论文创新点

6．3 展望

附录

参考文献

个人简介、攻读博士学位期间发表的学术成果与奖励

致谢