秦紅斌，張吉鑫，陳國(guó)良

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

汽車玻璃是汽車的重要組成部件之一，約占汽車表面積的1/3。由于汽車玻璃采用先成型后加工的工藝，且汽車玻璃具有剛度小，脆性大，易變形等特點(diǎn)，在進(jìn)行定位銷安裝時(shí)，很難保證定位銷的位置精度，所以需要制造裝配夾具來(lái)完成定位銷的裝配工作。傳統(tǒng)制造方法是將汽車玻璃固定在與玻璃有一致曲面形狀的剛性工裝上[1]，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)定位銷的定位和安裝。這種定位方式雖然滿足了定位銷的裝配，由于一種剛性工裝只能滿足一種型號(hào)的汽車玻璃的加工，大幅度降低了生產(chǎn)效率與制造柔性，增加了產(chǎn)品制造成本和研發(fā)周期[2]。研發(fā)出一種可以滿足多種型號(hào)汽車玻璃的定位銷裝配夾具—柔性汽車玻璃夾具。

通過(guò)對(duì)剛性汽車玻璃定位銷裝配夾具的研究和結(jié)合薄壁件夾具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，決定柔性汽車玻璃夾具應(yīng)該采用多點(diǎn)柔性定位的方式[3-5]，且該夾具由柔性支撐吸盤(pán)定位模塊，對(duì)中機(jī)構(gòu)模塊和Y向定位與夾緊模塊組成。由于柔性?shī)A具可以在同一個(gè)夾具上完成尺寸形狀不同的汽車玻璃的定位銷安裝，但是對(duì)于不同的汽車玻璃，夾具的最優(yōu)布局是不一樣的。通過(guò)結(jié)合VB和ANSYS軟件研發(fā)出一個(gè)能夠根據(jù)輸入不同的汽車玻璃尺寸就可以快速的計(jì)算出最佳夾具布局的柔性汽車玻璃夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)。

2 柔性汽車玻璃夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 夾具定位原理

圖1 柔性汽車玻璃夾具定位夾緊示意圖Fig.1 The Positioning and Clamping Schematic Diagram of Flexible Fixture of Automobile Glass

對(duì)汽車玻璃實(shí)行定位夾緊的目的是使玻璃在定位銷裝配時(shí)相對(duì)夾具有確定的位置以保證定位銷的裝配精度。對(duì)于汽車玻璃這種薄壁曲面件，在定位時(shí)不僅要限制工件的六個(gè)自由度，還要考慮玻璃裝夾時(shí)工件的變形對(duì)裝配精度的影響，所以在設(shè)計(jì)夾具的布局時(shí)要盡可能的減小由夾具裝夾所引起的工件變形[6-7]。通過(guò)結(jié)合剛性?shī)A具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和夾具的六點(diǎn)定位原理，得出夾具定位和夾緊方式示意圖，如圖1所示。

2.2 柔性汽車玻璃夾具結(jié)構(gòu)

柔性汽車玻璃夾具是一套可以完成某公司生產(chǎn)的所有型號(hào)汽車玻璃的夾具。該夾具的底座有X、Y兩個(gè)方向的T型槽用來(lái)安裝定位機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)，柔性支撐吸盤(pán)機(jī)構(gòu)和對(duì)中機(jī)構(gòu)，而且每個(gè)機(jī)構(gòu)自身都可以在X、Y、Z方向上進(jìn)行位移調(diào)節(jié)。對(duì)于任意型號(hào)的玻璃可以通過(guò)先調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)構(gòu)在底座上的大概位置，然后精確調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)自身的位移調(diào)節(jié)裝置使各機(jī)構(gòu)在柔性?shī)A具中最優(yōu)位置。柔性汽車玻璃夾具，如圖2所示。

圖2 柔性汽車玻璃夾具Fig.2 Flexible Fixture of Automobile Glass

2.3 柔性支撐吸盤(pán)機(jī)構(gòu)

圖3 支撐球頭和真空吸盤(pán)位置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Position of the Supporting Ball Head and the Vacuum Chuck

圖4 支撐球頭與真空吸盤(pán)位置關(guān)系的玻璃變形曲線Fig.4 The Glass Deformation Curve of Positional Relationship Between the Supporting Ball Head and the Vacuum Chuck

在剛性汽車玻璃夾具中通常是利用普通真空吸盤(pán)和支撐球頭的組合來(lái)完成Z向的定位和夾緊的，其真空吸盤(pán)和支撐球頭的位置關(guān)系，如圖3所示。圖3中表示在與真空吸盤(pán)中心20mm、30mm、40mm的三條直線上，支撐球頭沿著直線移動(dòng)，使用ANSYS軟件仿真可以得出支撐球頭與真空吸盤(pán)位置關(guān)系的玻璃變形曲線，如圖4所示。通過(guò)觀察圖4的曲線可知，支撐球頭與吸盤(pán)距離越近則玻璃的變形越小，所以針對(duì)柔性?shī)A具設(shè)計(jì)了一款將支撐球頭與真空吸盤(pán)組成一體的新型支撐吸盤(pán)機(jī)構(gòu)，通過(guò)使用ANSYS軟件仿真得出玻璃的最大變形為0.00366mm，是支撐球頭與真空吸盤(pán)組合時(shí)最小變形量的1/10。柔性支撐吸盤(pán)機(jī)構(gòu)，如圖5所示。該機(jī)構(gòu)不僅可以減小汽車玻璃的變形，還可以根據(jù)柔性支撐吸盤(pán)所接觸玻璃的位置的曲面法線來(lái)調(diào)節(jié)支撐吸盤(pán)的傾斜角度，從而提高柔性支撐吸盤(pán)與玻璃的吸附性能。

圖5 柔性支撐吸盤(pán)機(jī)構(gòu)Fig.5 Flexible Supporting Vacuum Chuck Mechanism

3 柔性汽車玻璃夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)的研發(fā)

3.1 夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖6 夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架圖Fig.6 The Overall Design Framework of Fixture Layout Optimization System

針對(duì)柔性汽車玻璃夾具，通過(guò)使用VB軟件對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)[8]，并對(duì)程序進(jìn)行封裝，開(kāi)發(fā)出一個(gè)與柔性汽車玻璃夾具配套的夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)只需用戶在人機(jī)界面的引導(dǎo)下，輸入相關(guān)的材料、結(jié)構(gòu)、載荷等參數(shù)，系統(tǒng)界面即可輸出優(yōu)化結(jié)果。對(duì)于不同尺寸的汽車玻璃只需輸入玻璃的相關(guān)尺寸參數(shù)就可以計(jì)算出該種汽車玻璃的最佳夾具布局。該夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖，如圖6所示。

3.2 夾具布局優(yōu)化模型的建立

3.2.1 建立模型函數(shù)

對(duì)于汽車玻璃定位銷裝配夾具，在夾具布局優(yōu)化分析時(shí)只需考慮L個(gè)定位塊和K個(gè)夾緊塊的位置，即將n=K+L個(gè)夾具布局元件的位置作為設(shè)計(jì)變量[9-10]。由于對(duì)柔性汽車玻璃夾具進(jìn)行偏差分析時(shí)，定位元件和夾緊元件對(duì)夾具精度的影響是相同的，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)，可將柔性汽車玻璃夾具的定位塊和夾緊塊作為固定邊界條件，其位置用設(shè)計(jì)變量Vi=（1～i）來(lái)表示。通過(guò)對(duì)柔性?shī)A具的分析可得夾具的節(jié)點(diǎn)位移和承受載荷的關(guān)系式為：

式中：［K］—玻璃的整體剛度矩陣；｛q｝—玻璃的節(jié)點(diǎn)位移矩陣；｛F｝—玻璃所承受的載荷矩陣。

3.2.2 建立約束函數(shù)

為了提高定位銷的安裝精度，汽車玻璃裝夾采取完全定位和完全夾緊的定位方式，則可得工件的約束函數(shù)為：

式中：G—（m×6）的雅可比矩陣；△q—工件實(shí)際位置與理想位置的微距增量；—接觸點(diǎn)處的合成反作用力。

由于汽車玻璃的夾具布局點(diǎn)會(huì)受到玻璃位置限制，則對(duì)于要優(yōu)化的玻璃夾具布局，可以假定它們的邊界約束方程為：

式中：ui—夾具布局的位置坐標(biāo)函數(shù)；li—玻璃工件的邊界線。

3.2.3 建立目標(biāo)函數(shù)

在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，需要遵守一些共同的技術(shù)原則，其中最重要的是使由夾具裝夾引起的工件的變形最小，所以需要建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)最小化由定位塊和夾緊塊產(chǎn)生的玻璃工件的變形量。在玻璃工件上選擇M個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)有限元計(jì)算可以得到他們的位移量，其中第i點(diǎn)的位移量為qi=［qixqixqix］T，由于 Z 方向的變形對(duì)工件的影響最大，所以只考慮M個(gè)點(diǎn)在Z向的位移量，因此工件的偏差變形量為

由于在整個(gè)優(yōu)化迭代的過(guò)程中，將N個(gè)布局點(diǎn)的位置參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，所以目標(biāo)函數(shù)表示為：

式中：Vi=ui（x，y），i=1，2，…，n—第i個(gè)夾具布局元件的位置。

綜上所述，可得到柔性汽車玻璃夾具布局優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為：

3.3 輸入模塊設(shè)計(jì)

參數(shù)輸入模塊是夾具布局優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)所研究對(duì)象輸入設(shè)計(jì)參數(shù)的入口。在夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)中，將玻璃的模型參數(shù)、所受載荷位置與大小和設(shè)計(jì)變量的范圍作為輸入內(nèi)容。夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)的輸入模塊，如圖7所示。

圖7 參數(shù)輸入模塊Fig.7 The Parameter Input Module

3.4 輸出模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)ANSYS的后臺(tái)運(yùn)行，將根據(jù)所輸入的參數(shù)計(jì)算出該種型號(hào)的汽車玻璃最佳的夾持布局，整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中設(shè)計(jì)變量，狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)的變化過(guò)程，如圖8所示。使用夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)可以從界面上對(duì)上述變量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。圖8的左上方是夾具布局優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量變化曲線圖，右上方是夾具布局優(yōu)化的狀態(tài)變量變化曲線圖，左下方是夾具布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)變化曲線圖，右下方是夾具布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果值。通過(guò)讀取優(yōu)化結(jié)果顯示界面上的優(yōu)化數(shù)據(jù)，可知優(yōu)化后夾具的工件變形量比優(yōu)化前減小17.3%。同時(shí)還可以將此次的優(yōu)化結(jié)果作為設(shè)計(jì)變量的初始值重新輸入到參數(shù)輸入界面里再一次進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化可以不斷的減小工件的變形量，從而提高夾具的定位精度。

圖8 優(yōu)化結(jié)果顯示界面Fig.8 The Display Interface of Optimization Results

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)柔性汽車玻璃夾具的設(shè)計(jì)和夾具布局系統(tǒng)的研發(fā)得到下列結(jié)論：（1）結(jié)合剛性汽車玻璃夾具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和夾具定位原理設(shè)計(jì)出一款新型柔性汽車玻璃夾具，不僅提高了汽車玻璃的生產(chǎn)效率，還減少了夾具的制造周期和降低了夾具的生產(chǎn)成本。（2）聯(lián)合VB和ANSYS軟件研發(fā)出柔性汽車玻璃夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)，可以大大的減小由于夾具的裝夾所引起的玻璃的變形，從容提高了定位銷的安裝精度。