CN109598012B - 基于拓扑的具有间距约束的点焊优化 - Google Patents

基于拓扑的具有间距约束的点焊优化 Download PDF

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Abstract

一种用于减少参数化工件模型中点焊的计算机实现方法包括从原始点焊设计空间(DS)产生新的设计空间(DS)。新的DS包括来自具有原始点焊DS的参数化工件模型的多个点焊位置。新的DS被优化为具有比原始DS更少数量的点焊位置。处理器识别出新的DS中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置以及剩余点焊位置中的多个相符点焊位置。处理器从处理器选择的焊接分组中去除除了一个优化扩展候选之外的所有焊接并同时增强了最小距离要求。处理器向可操作连接的输出处理器输出在多个扩展的DS的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件模型。

Description

基于拓扑的具有间距约束的点焊优化
引言
本公开涉及汽车制造中的点焊，并且更具体地，涉及基于拓扑的点焊优化。
点焊通常用于接合汽车结构中的钢板。点焊的数量和布局对于结构的性能而言很重要。减少点焊的数量在制造工艺的成本降低方面提供明显的益处，前提是在优化的产品中满足结构和空间要求。
用于焊接优化的常规方法可能需要许多工时来验证优化的设计。例如，在汽车和其他制造工艺中，由于焊接固定装置和工具的空间约束和限制，任意两个点焊在焊接之间需要最小距离(例如，20mm)。制造的汽车通常在整个产品中具有数千个单独的点焊。许多人已经尝试解决尽可能减少用于接合部处点焊的焊点单独问题，其充分地转移负载并满足其他要求。用于优化参数化的车辆焊接模型的常规方法得到过多或过少的点焊。而且，焊接减少系统的结果必须被手动地观测和分析以验证在每个焊接位置处已经满足了间距和负载转移要求。验证包括在选择的每个工件主体中分析许许多多的焊接(例如，10,000或更多)。当设想完整汽车车身所需要的焊接时，所需要焊接的数量(以及随之而来的计算)可能更多。
当前现有技术的拓扑优化技术导致点焊在车辆车身中聚集，这必须进行手动地观测和分析一验证在每个焊接位置已经满足间距要求。验证包括在工件主体的每个部分中分析许许多多的焊接。利用基于实验设计(DOE)的方法的其他方法涉及改变点焊之间的最小间距(节距)以减少焊接的总数量。该方法仅解决了用于一组特定点焊(焊接线)的合适节距而不是点焊的最优位置的问题，并且并不适用于在完整车辆车身中通常可见的大量焊接线。必须进行每次计算并且在车辆的特定区域改变之后重新进行，从而确保满足最小距离约束且焊接的工件之间的转移负载是充分的。
因此，希望能提供一种用于拓扑优化的系统，其在最大程度减小焊接的总数量的同时产生满足间距约束的点焊位置。
发明内容
在一个示范性实施例中，一种用于减少参数化工件模型中点焊的计算机实现方法包括：通过处理器从原始点焊设计空间(DS)产生新的设计空间(DS)。新的DS包括来自具有原始点焊DS的参数化工件模型的多个点焊位置。新的DS被优化为具有比原始DS更少数量的点焊位置。处理器识别出新的DS中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置以及剩余点焊位置中的多个相符点焊位置。处理器随后去除该多个冒犯点焊位置。新的DS中多个冒犯点焊位置中的每一个距离剩余点焊位置中的至少一个小于预定最小间距。处理器在冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内选择多个扩展候选，随后创建在距离新的DS中的点焊位置中任一个预定间距范围内的一组扩展候选。处理器基于候选密度因子对扩展候选分组。处理器接下来产生多个扩展的DS，其各自包括在距离新的DS中的点焊位置中任一个预定间距范围内的一组扩展候选。处理器随后从每一组中去除除了一个优化扩展候选之外的所有候选。处理器向可操作连接的输出处理器输出在多个扩展的DS的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件模型。
在另一示范性实施例中，一种用于减少参数化工件模型中点焊的系统包括处理器。该处理器配置为产生新的设计空间(DS)，该新的设计空间(DS)包括来自参数化工件模型中原始点焊DS的多个点焊位置。新的DS包括来自具有原始点焊DS的参数化工件模型的多个点焊位置。新的DS被优化为具有比原始DS更少数量的点焊位置。处理器识别出新的DS中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置以及剩余点焊位置中的多个相符点焊位置。处理器随后去除该多个冒犯点焊位置。新的DS中多个冒犯点焊位置中的每一个距离剩余点焊位置中的至少一个小于预定最小间距。处理器在冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内选择多个扩展候选，随后创建在距离新的DS中的点焊位置中任一个预定间距范围内的一组扩展候选。处理器基于候选密度因子对扩展候选分组并产生多个扩展的DS，其各自包括在距离新的DS中的点焊位置中任一个预定间距范围内的一组扩展候选。处理器随后从每一组中去除除了一个优化扩展候选之外的所有候选。处理器向可操作连接的输出处理器输出在多个扩展的设计空间(DS)的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件模型。
在另一示范性实施例中，一种用于减少参数化工件模型中点焊的计算机程序产品包括计算机可读存储介质。该存储介质包括可以由处理器执行以促使处理执行方法的程序指令。该方法包括通过处理器从原始点焊DS产生新的设计空间(DS)。新的DS包括来自具有原始点焊DS的参数化工件模型的多个点焊位置。新的DS被优化为具有比原始DS更少数量的点焊位置。处理器识别出新的DS中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置以及剩余点焊位置中的多个相符点焊位置。处理器随后去除该多个冒犯点焊位置。新的DS中多个冒犯点焊位置中的每一个距离剩余点焊位置中的至少一个小于预定最小间距。处理器在冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内选择多个扩展候选，随后创建在距离新的DS中的点焊位置中任一个预定间距范围内的一组扩展候选。处理器基于候选密度因子对扩展候选分组并产生多个扩展的DS，其各自包括在距离新的DS中的点焊位置中任一个预定间距范围内的一组扩展候选。处理器随后从每一组中去除除了一个优化扩展候选之外的所有候选。处理器向可操作连接的输出处理器输出在多个扩展的DS的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件模型。
在另一示范性实施例中，处理器通过从原始DS中去除点焊位置来由参数化工件模型产生新的DS。新的DS针对结构性能和点焊位置最少化进行优化，但是并不针对点焊之间的间距进行优化。
在另一示范性实施例中，由参数化工件模型产生新的DS包括在不考虑点焊位置间距约束的情况下去除点焊位置，该点焊位置间距约束指示新的DS中任意两个点焊位置之间的距离。
在另一示范性实施例中，选择多个扩展候选包括选择在冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内的所有去除的点焊位置。
在另一示范性实施例中，在产生分组之后，处理器基于扩展候选中每一个以及相符点焊位置的体积分数识别出每个分组中的一个扩展候选。
在另一示范性实施例中，被识别的一个扩展候选通过满足具有C1xy-x2-y2<C2形式的近似双曲型方程来识别，其中C1是拐角锐度常数，C2是体积分数常数，x是扩展候选的体积分数，且y是相符点焊位置的体积分数。
当结合附图时，通过以下详细描述，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将是显而易见的。
附图说明
在以下详细描述中其他特征、优点和细节仅通过示例的方式显现，详细描述参考了附图，其中：
图1是根据一个实施例的基于拓扑的点焊优化系统的系统图；
图2是根据一个实施例的在车辆的一部分上的点焊的示图；
图3是根据一个实施例的用于利用图1的系统进行基于拓扑的点焊优化的方法的流程图和示例性输出；以及
图4是根据一个实施例的图1的系统的优化输出。
具体实施方式
以下描述在本质上仅是示范性的，并且并不旨在限制本公开、其应用或使用。应当理解的是，在整个附图中，对应的附图标记指示相同的或对应的部件和特征。如本文所使用的，术语模块指的是处理是处理电路，其可以包括：专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或成组)以及执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能性的其他合适部件。
图1是根据示范性实施例的用于基于拓扑的点焊优化的系统100.系统100包括一个或多个用于点焊工件114的自动化工具102，该点焊工件在图1的示例中被描绘为汽车车身。在一些实施例中，系统100包括工具臂110并且受控制器106控制。控制器106包括一个或多个处理器108。
如图1中所示，自动化工具102包括一个或多个工具臂110，其被配置为在工件114的各个点焊位置112中进行点焊。自动化工具102被配置为通过一个或多个处理器(例如，处理器104)根据由处理器104执行的程序进行焊接。被执行的程序通过工具控制器106中的处理器108实例化，或者在另一可操作连接的计算机中创建并保存到自动化工具102的非易失性计算机存储器。在一些方面，由处理器104执行的程序基于工件114的参数化模型，该参数化模型包括具有各种点焊位置的设计空间。
图2示出了参数化工件模型202，其包括具有点焊位置(例如，如图1中所示的点焊位置112)的设计空间。将图1和图2一起考虑，在本公开的一个实施例中，处理器108接收图2中所示的参数化模型作为输入，通过策略性地去除一些不需要的位置优化点焊位置204中的位置，以及输出优化的点焊参数化工件模型206。优化的参数化工件模型206如今配置有用来实现工件114的设计和功能目标的最小数量的焊接位置，同时在焊接位置之间保持了间距约束。
图3是根据一个实施例的用于利用图1的系统减少参数化工件模型中点焊的计算机实现方法300a的流程图。在图3中示出了示范性输出300b，其中步骤302、304、306、308、310以及311分别对应于在一些步骤的右侧示出的示范性输出。图2和图3被同时地考虑。
总体来说，方法300a包括两个主要操作：优化点焊位置的数量以创建新的设计空间(新的DS)312的第一步骤302。为了减少点焊位置的总数量，新的DS已经利用任何数量的已知优化方法进行了优化。然而，由处理器108在步骤302处输出的新的DS 312并非考虑了间距约束的优化模型，比如例如，任意两个点焊位置之间的每个距离必须是至少20mm或者一些其他的预定约束。
两个主要操作中的第二个包括步骤304至311。在第二个操作期间，处理器108优化新的DS 312。新的DS 312是并不包括最小距离设计约束但是保持了在最终产品中所需要的工件的结构和功能方面的优化。
现在，更详细地考虑方法300a，根据一个实施例，处理器108配置为接收参数化工件模型202并产生新的设计空间(DS)，该新的设计空间包括来自参数化工件模型202的多个点焊位置。参数化工件模型202包括原始点焊DS(在图2中例示，其中每个点焊位置204被显示为参数化工件模型202上的点)。
在步骤302处，处理器108执行初步优化(没有距离约束)，其得到多个保留的点焊位置319。点焊位置319通过处理器108被配置为满足大于预定距离(例如，20mm)的间距约束。在一些方面，原始点焊位置中的一些被从原始参数化工件模型202去除。处理器108输出新的DS 312，其被优化成具有比参数化模型202中的原始DS数量更少的点焊位置。
在步骤304处，处理器108识别新的DS 312中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置。冒犯点焊位置是并不满足任意两个点焊位置319之间的预定最小间距的一个或多个点焊位置(例如，330a、330b、330c等)。在一些方面，处理器108通过从原始DS去除点焊位置来由参数化工件模型202产生新的DS 312，其中新的DS针对结构性能和点焊位置最小化进行优化，但是并不针对点焊位置319之间的间距优化。相应地，由参数化工件模型202产生新的DS 312包括在不考虑点焊位置间距约束的情况下去除点焊位置，该点焊位置间距约束指示新的DS 312中任意两个点焊位置之间的距离。
例如，如果间距约束被设置为20mm，则在两个冒犯位置330a、330b、330c、330d、330e…等等之间的一个或多个焊接被处理器108去除，直到剩余的点焊位置分别保持了两个间距约束和/或满足了其他特性。处理器108随后去除多个冒犯点焊位置330a至330e中的一个或多个，其中新的DS中的多个冒犯点焊位置中的每一个距离剩余点焊位置314、316、318以及320中的至少一个小于预定最小间距。在步骤304之后，处理器108留下新的DS 313(在步骤306之后)，该新的DS 313具有满足预定间距约束的数量减少的焊接点。
在步骤306处，处理器107选择在冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内的多个扩展候选(例如，322和324)，从而得到新的DS 315。扩展候选是在预定间距约束范围(例如，在20mm半径范围内)内的点焊位置。选择多个扩展候选包括选择在冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内的所有去除的点焊位置。例如，在步骤304中去除的冒犯点焊位置330b，在新的DS316中显示为被处理器108选择，因为它们在新的DS 313中点焊位置316的预定半径范围内。但是在步骤304中去除的冒犯点焊位置330c，在新的DS 315中显示为未被处理器108选择作为扩展候选(并且非点焊位置318的一部分)。类似地，扩展候选322被处理器108选择，因为它们在被示为冒犯点焊位置330d的一个或多个点焊位置的预定半径范围内(在新的DS 313中示出)。处理器108基于一个或多个候选密度因子选择扩展候选322和324。候选密度因子由处理器108用来确定哪些被去除的冒犯点焊位置(例如，新的DS 313中的点焊330b和330d)被添加回来在扩展的DS 315的半径范围内(例如，焊接位置322、324等)。
根据一些实施例，处理器108通过首先搜索在给定拓扑图形化焊接位置的预定半径间距(例如，20mm)范围内的拓扑焊接(例如，扩展候选322)来执行步骤306。处理器108随后利用选择的候选写出约束。例如，约束使用单独拓扑焊接的体积分数作为用于优化的设计变量。体积分数代表焊接材料在点焊中的量，零的值表示位置为空且没有材料，而1的值表示该位置完全利用焊接材料填满。在另一方面，一个被识别的扩展候选通过满足具有C1xy-x2-y2<C2形式的近似双曲型方程来识别，其中C1是双曲线的拐角(在原点附近)锐度的决定因素并且通常大于3的值，C2是体积分数常数，x是扩展候选(例如，扩展候选322中的一个)的体积分数，且y是相符点焊位置(例如，相符点焊位置314、316、320等中的一个或多个)的体积分数。
在步骤308中，处理器108生成多个扩展的DS，其各自包括在距离新的DS317中点焊位置中任一个(例如，点焊位置316)预定间距范围内的一组扩展候选(例如，以318和324成组的326)。
在步骤310处，处理器108从每个组去除除了一个优化扩展候选的所有候选(例如，处理器108在扩展的DS 326中仅留下点焊位置316，且处理器108在扩展的DS 328中仅留下点焊位置320)，从而得到新的DS 321。新的DS 321现在仅包括优化的点焊位置314、316和320。点焊位置328由处理器108通过优化过程去除。
在步骤311处，处理器108向可操作连接的输出处理器104输出在多个扩展的DS326、328等的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件(例如，模型206)。通过利用该参数化工件模型206，处理器104可以产生具有最少数量的焊接位置112的改进的工件114，同时在焊接位置之间保持了间距约束。在一些方面，输出间距约束参数化工件模型包括将点焊位置优化成在点焊之间具有预定最小间距。
结合图1考虑的图4，是根据一个实施例的图1的系统100的示范性优化输出。如图4中所示，处理器108接受间距约束参数化工件模型206，并促使自动化工具102运行焊接优化程序。工件部分404显示为具有数量减少的焊接位置。例如，在保持间距约束要求的同时可以实现减少5至1000个点焊位置。
尽管已经参考示范性实施例描述了以上公开内容，但是本领域技术人员应当理解的是，在不偏离其范围的情况下可以做出各种改变以及可以对其要素进行等同替换。此外，在不同偏离其实质范围的情况下可以做出许多修改以使特定情况或材料适应于本公开的教导。因此，本公开并不旨在被限制于所公开的特定实施例，而是应当包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于减少参数化工件模型中点焊的方法包括：
通过处理器产生新的设计空间，所述新的设计空间包括来自具有原始点焊设计空间的所述参数化工件模型的多个点焊位置；其中所述新的设计空间被优化为具有比原始设计空间更少数量的点焊位置；
通过所述处理器识别出所述新的设计空间中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置以及所述剩余点焊位置中的多个相符点焊位置，并且去除所述多个冒犯点焊位置，其中所述新的设计空间中所述多个冒犯点焊位置中的每一个距离所述剩余点焊位置中的至少一个小于预定最小间距；
通过所述处理器在所述冒犯点焊位置中的每一个的预定半径范围内选择多个扩展候选；
通过所述处理器创建在距离所述新的设计空间中的所述点焊位置中任一个预定间距范围内的成组的扩展候选，所述成组的扩展候选的分组基于候选密度因子；
通过处理器产生多个扩展的设计空间，其各自包括在距离所述新的设计空间中的所述点焊位置中任一个所述预定间距范围内的成组的扩展候选，并且从每一组中去除除了一个优化扩展候选之外的所有候选；以及
通过所述处理器向可操作连接的输出处理器输出在所述多个扩展的设计空间的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中输出所述间距约束参数化工件模型包括将所述点焊位置优化成在点焊之间具有所述预定最小间距。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述新的设计空间通过从所述原始设计空间中去除点焊位置来由所述参数化工件模型来产生；并且
其中所述新的设计空间针对结构性能和点焊位置最少化进行优化，但是并不针对所述点焊之间的间距进行优化。
4.根据权利要求3所述的方法，其中由所述参数化工件模型产生所述新的设计空间包括在不考虑点焊位置间距约束的情况下去除所述点焊位置，所述点焊位置间距约束指示所述新的设计空间中任意两个所述点焊位置之间的距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述多个扩展候选包括选择在所述冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内的所有去除的点焊位置。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在产生所述分组之后，基于所述扩展候选中每一个以及所述相符点焊位置的体积分数识别每个分组中的一个扩展候选。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述每个分组中的一个扩展候选通过满足具有C1xy-x2-y2<C2形式的近似双曲型方程来识别，
其中C1是拐角锐度常数，C2是体积分数常数，x是扩展候选的体积分数，且y是相符点焊位置的体积分数。
8.一种用于减少参数化工件模型中点焊的系统包括：
处理器，所述处理器配置为：
生成新的设计空间，所述新的设计空间包括来自具有原始点焊设计空间的所述参数化工件模型的多个点焊位置；
其中所述新的设计空间被优化为具有比原始设计空间更少数量的点焊位置；
识别出所述新的设计空间中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置以及所述剩余点焊位置中的多个相符点焊位置，并且去除所述多个冒犯点焊位置，其中所述新的设计空间中所述多个冒犯点焊位置中的每一个距离所述剩余点焊位置中的至少一个小于预定最小间距；
在所述冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内选择多个扩展候选；
创建在距离所述新的设计空间中的所述点焊位置中任一个预定间距范围内的成组的扩展候选，所述成组的扩展候选的分组基于候选密度因子；
生成多个扩展的设计空间，其各自包括在距离所述新的设计空间中的所述点焊位置中任一个所述预定间距范围内的成组的扩展候选，并且从每一组中去除除了一个优化扩展候选之外的所有候选；以及
向可操作连接的输出处理器输出在多个扩展的设计空间的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件模型。
9.一种用于减少参数化工件模型中点焊的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质具有体现在其中的程序指令，所述程序指令可以由处理器执行以促使所述处理器执行包括以下的方法：
通过处理器生成新的设计空间，所述新的设计空间包括来自具有原始点焊设计空间的所述参数化工件模型的多个点焊位置；其中所述新的设计空间被优化为具有比原始设计空间更少数量的点焊位置；
通过所述处理器识别出所述新的设计空间中剩余点焊位置中的多个冒犯点焊位置以及所述剩余点焊位置中的多个相符点焊位置，并且去除所述多个冒犯点焊位置，其中所述新的设计空间中所述多个冒犯点焊位置中的每一个距离所述剩余点焊位置中的至少一个小于预定最小间距；
通过所述处理器在所述冒犯点焊位置中每一个的预定半径范围内选择多个扩展候选；
通过所述处理器创建在距离所述新的设计空间中的所述点焊位置中任一个预定间距范围内的成组的扩展候选，所述成组的扩展候选的分组基于候选密度因子；
通过所述处理器生成多个扩展的设计空间，其各自包括在距离所述新的设计空间中的所述点焊位置中任一个所述预定间距范围内的成组的扩展候选，并且从每一组中去除除了一个优化扩展候选之外的所有候选；以及
通过所述处理器向可操作连接的输出处理器输出在所述多个扩展的设计空间的每一个中具有优化扩展候选的间距约束参数化工件模型。
10.根据权利要求9所述的计算机程序产品，其中输出所述间距约束参数化工件模型包括将所述点焊位置优化成在点焊之间具有所述预定最小间距。
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