新型柔性汽車玻璃夾具設計及布局優(yōu)化

秦紅斌，張吉鑫，陳國良

（武漢理工大學 機電工程學院，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，在進行定位銷安裝時，很難保證定位銷的位置精度，所以需要制造裝配夾具來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]，由此來實現(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汽車玻璃的定位銷裝配夾具—柔性汽車玻璃夾具。

通過對剛性汽車玻璃定位銷裝配夾具的研究和結合薄壁件夾具的設計經(jīng)驗，決定柔性汽車玻璃夾具應該采用多點柔性定位的方式[3-5]，且該夾具由柔性支撐吸盤定位模塊，對中機構模塊和Y向定位與夾緊模塊組成。由于柔性夾具可以在同一個夾具上完成尺寸形狀不同的汽車玻璃的定位銷安裝，但是對于不同的汽車玻璃，夾具的最優(yōu)布局是不一樣的。通過結合VB和ANSYS軟件研發(fā)出一個能夠根據(jù)輸入不同的汽車玻璃尺寸就可以快速的計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構設計

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

對汽車玻璃實行定位夾緊的目的是使玻璃在定位銷裝配時相對夾具有確定的位置以保證定位銷的裝配精度。對于汽車玻璃這種薄壁曲面件，在定位時不僅要限制工件的六個自由度，還要考慮玻璃裝夾時工件的變形對裝配精度的影響，所以在設計夾具的布局時要盡可能的減小由夾具裝夾所引起的工件變形[6-7]。通過結合剛性夾具的設計經(jīng)驗和夾具的六點定位原理，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構

柔性汽車玻璃夾具是一套可以完成某公司生產(chǎn)的所有型號汽車玻璃的夾具。該夾具的底座有X、Y兩個方向的T型槽用來安裝定位機構，夾緊機構，柔性支撐吸盤機構和對中機構，而且每個機構自身都可以在X、Y、Z方向上進行位移調(diào)節(jié)。對于任意型號的玻璃可以通過先調(diào)節(jié)各個機構在底座上的大概位置，然后精確調(diào)節(jié)機構自身的位移調(diào)節(jié)裝置使各機構在柔性夾具中最優(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 柔性支撐吸盤機構

圖3 支撐球頭和真空吸盤位置示意圖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位置關系的玻璃變形曲線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和支撐球頭的組合來完成Z向的定位和夾緊的，其真空吸盤和支撐球頭的位置關系，如圖3所示。圖3中表示在與真空吸盤中心20mm、30mm、40mm的三條直線上，支撐球頭沿著直線移動，使用ANSYS軟件仿真可以得出支撐球頭與真空吸盤位置關系的玻璃變形曲線，如圖4所示。通過觀察圖4的曲線可知，支撐球頭與吸盤距離越近則玻璃的變形越小，所以針對柔性夾具設計了一款將支撐球頭與真空吸盤組成一體的新型支撐吸盤機構，通過使用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組合時最小變形量的1/10。柔性支撐吸盤機構，如圖5所示。該機構不僅可以減小汽車玻璃的變形，還可以根據(jù)柔性支撐吸盤所接觸玻璃的位置的曲面法線來調(diào)節(jié)支撐吸盤的傾斜角度，從而提高柔性支撐吸盤與玻璃的吸附性能。

圖5 柔性支撐吸盤機構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)總體設計

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

針對柔性汽車玻璃夾具，通過使用VB軟件對ANSYS進行二次開發(fā)[8]，并對程序進行封裝，開發(fā)出一個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)只需用戶在人機界面的引導下，輸入相關的材料、結構、載荷等參數(shù)，系統(tǒng)界面即可輸出優(yōu)化結果。對于不同尺寸的汽車玻璃只需輸入玻璃的相關尺寸參數(shù)就可以計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)的總體設計圖，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)

對于汽車玻璃定位銷裝配夾具，在夾具布局優(yōu)化分析時只需考慮L個定位塊和K個夾緊塊的位置，即將n=K+L個夾具布局元件的位置作為設計變量[9-10]。由于對柔性汽車玻璃夾具進行偏差分析時，定位元件和夾緊元件對夾具精度的影響是相同的，因此在進行有限元分析時，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，其位置用設計變量Vi=（1～i）來表示。通過對柔性夾具的分析可得夾具的節(jié)點位移和承受載荷的關系式為：

式中：［K］—玻璃的整體剛度矩陣；｛q｝—玻璃的節(jié)點位移矩陣；｛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—工件實際位置與理想位置的微距增量；—接觸點處的合成反作用力。

由于汽車玻璃的夾具布局點會受到玻璃位置限制，則對于要優(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函數(shù)；li—玻璃工件的邊界線。

3.2.3 建立目標函數(shù)

在設計夾具時，需要遵守一些共同的技術原則，其中最重要的是使由夾具裝夾引起的工件的變形最小，所以需要建立一個目標函數(shù)來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個關鍵點，通過有限元計算可以得到他們的位移量，其中第i點的位移量為qi=［qixqixqix］T，由于 Z 方向的變形對工件的影響最大，所以只考慮M個點在Z向的位移量，因此工件的偏差變形量為

由于在整個優(yōu)化迭代的過程中，將N個布局點的位置參數(shù)作為設計變量，所以目標函數(shù)表示為：

式中：Vi=ui（x，y），i=1，2，…，n—第i個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)學模型為：

3.3 輸入模塊設計

參數(shù)輸入模塊是夾具布局優(yōu)化設計系統(tǒng)根據(jù)所研究對象輸入設計參數(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計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 輸出模塊設計

通過ANSYS的后臺運行，將根據(jù)所輸入的參數(shù)計算出該種型號的汽車玻璃最佳的夾持布局，整個優(yōu)化過程中設計變量，狀態(tài)變量和目標函數(shù)的變化過程，如圖8所示。使用夾具布局優(yōu)化系統(tǒng)時可以從界面上對上述變量進行實時觀察。圖8的左上方是夾具布局優(yōu)化的設計變量變化曲線圖，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)化設計的目標函數(shù)變化曲線圖，右下方是夾具布局優(yōu)化設計的優(yōu)化結果值。通過讀取優(yōu)化結果顯示界面上的優(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%。同時還可以將此次的優(yōu)化結果作為設計變量的初始值重新輸入到參數(shù)輸入界面里再一次進行優(yōu)化，經(jīng)過多次優(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)化結果顯示界面Fig.8 The Display Interface of Optimization Results

4 結論

通過對柔性汽車玻璃夾具的設計和夾具布局系統(tǒng)的研發(fā)得到下列結論：（1）結合剛性汽車玻璃夾具的設計經(jīng)驗和夾具定位原理設計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。