許俊芳,敖銀輝

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

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ROBCAD仿真技術(shù)在車身側(cè)圍補(bǔ)焊生產(chǎn)線的應(yīng)用

許俊芳,敖銀輝

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

針對車身側(cè)圍補(bǔ)焊生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的工藝規(guī)劃困難以及在調(diào)試階段出現(xiàn)的機(jī)器人不可達(dá)性、設(shè)備干渉性問題、設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線節(jié)拍不符合要求和人工編程時(shí)間長等問題，提出了一種虛擬仿真調(diào)試的方法，運(yùn)用ROBCAD仿真工具，通過建立生產(chǎn)線的仿真模型，在虛擬的環(huán)境中就可以預(yù)見現(xiàn)場的位姿不可達(dá)性和設(shè)備干涉問題并進(jìn)行規(guī)避，從而規(guī)劃出可達(dá)無干涉的機(jī)器人加工軌跡以及設(shè)備運(yùn)行時(shí)序圖，最后采用離線編程的方式，縮短了調(diào)試時(shí)間。這有利于減少焊接生產(chǎn)線的規(guī)劃難度，使得設(shè)計(jì)的效率以及質(zhì)量得到提高。

機(jī)器人應(yīng)用；焊接；仿真 ROBCAD

0 引言

目前機(jī)器人越來越多應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中，但是由于機(jī)器人是多自由度、多連桿機(jī)構(gòu)，使用的過程中會(huì)出現(xiàn)多種問題。例如位姿不可達(dá)或者位姿奇異報(bào)警；夾具設(shè)計(jì)的不合理或者焊鉗的選型不當(dāng)使得焊接過程無法避免干涉；機(jī)器人之間的干涉以及機(jī)器人與其他設(shè)備的碰撞干涉問題；在線示教調(diào)試工作量大時(shí)間長并且具有一定危險(xiǎn)性；生產(chǎn)節(jié)拍不滿足設(shè)計(jì)要求等諸多問題[1-2]。應(yīng)用虛擬仿真和調(diào)試可以在工藝規(guī)劃階段有效解決以上問題。國外較早地對機(jī)器人工藝規(guī)劃做了研究。D S Hong 等用遺傳算法研究自動(dòng)焊接生產(chǎn)線的焊槍任務(wù)分配問題[3];在國內(nèi)，文獻(xiàn)[4]通過DELMIA仿真軟件以機(jī)器人補(bǔ)焊工作站為基礎(chǔ)，仿真分析了該機(jī)器人在電阻點(diǎn)焊中的應(yīng)用情況，確定了機(jī)器人數(shù)量選型，空間布置，以及焊槍設(shè)計(jì)等內(nèi)容。文獻(xiàn)[5]運(yùn)用ROBCAD虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了一條轎車自動(dòng)焊裝線規(guī)劃方案，結(jié)果證明了該方案的快速性、可靠性、有效性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[6]運(yùn)用ROBCAD仿真工具建立輕型卡車底板縱梁生產(chǎn)線機(jī)器人自動(dòng)化改造的仿真模型，并在生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)品質(zhì)量、車間物流、生產(chǎn)管理等方面驗(yàn)證了機(jī)器人焊接相對于人工焊接的優(yōu)越性。

本文以車身側(cè)圍補(bǔ)焊線為研究對象，基于ROBCAD對車身側(cè)圍焊裝生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，解決機(jī)器人應(yīng)用過程中的可達(dá)性與干涉問題，對機(jī)器人加工軌跡進(jìn)行規(guī)劃與優(yōu)化，通過生產(chǎn)線流程進(jìn)行了規(guī)劃和優(yōu)化并通過仿真計(jì)算出生產(chǎn)節(jié)拍，驗(yàn)證方案的設(shè)計(jì)的可行性，輸出加工離線程序，為工藝與工程人員提供必要的參考。

1 生產(chǎn)線的方案概述

車身側(cè)圍焊裝生產(chǎn)線分為左側(cè)圍線與右側(cè)圍線，呈對稱布置。如圖1所示，劃分為上料工位、焊接工位和下料工位?？紤]到產(chǎn)線的日后的擴(kuò)充與車型的改造升級，以柔性化程度高的機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用生產(chǎn)線作為上下料的輸送設(shè)備。

上料工位由搬運(yùn)機(jī)器人完成，下料由搬運(yùn)機(jī)器人與自走葫蘆配合完成。焊接工位由機(jī)器人、焊鉗、相應(yīng)的控制柜，焊裝夾具等組成。

圖1 車身側(cè)圍焊裝生產(chǎn)線簡圖

2 工位仿真模型的建立

本項(xiàng)目三維設(shè)計(jì)采用Catia來進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在需要將機(jī)器人模型，焊鉗，焊裝夾具，搬運(yùn)抓手，待料臺，安全光柵，修模器，廠房布局圖等的模型轉(zhuǎn)換成為.CO為后綴的ROBCAD專用格式[7-8]。ROBCAD具有建模Modeling與格式轉(zhuǎn)換Data模塊，分別提供建模和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。

導(dǎo)入的數(shù)模沒有任何關(guān)節(jié)約束參數(shù)，要被定義之后的設(shè)備才能按照既定的思路運(yùn)動(dòng)。參考坐標(biāo)系的設(shè)置為機(jī)器人放置，工具安裝等提供參考。

2.1 機(jī)器人選型與建模

機(jī)器人的負(fù)載和運(yùn)動(dòng)范圍是機(jī)器人選型的重要依據(jù)。根據(jù)車身側(cè)圍補(bǔ)焊線的工作要求，選擇下料機(jī)器人的型號為發(fā)那科M-900iA/400L，上料機(jī)器人的型號為發(fā)那科M-900iA/260L。焊接機(jī)器人的型號為發(fā)那科R2000iB。

焊接機(jī)器人數(shù)量需要根據(jù)焊接工位的焊接任務(wù)量來確定，該補(bǔ)焊線的焊點(diǎn)數(shù)量為54個(gè)，產(chǎn)線要求的生產(chǎn)節(jié)拍不超過65s。

式中：m—機(jī)器人數(shù)量；p—工作站需要焊接的焊點(diǎn)數(shù)；t—平均每個(gè)焊點(diǎn)所需焊接時(shí)間；T—生產(chǎn)節(jié)拍。由結(jié)果可知，單側(cè)焊裝線需使用三臺機(jī)器人共同工作。

將相應(yīng)機(jī)器人的數(shù)模導(dǎo)入仿真工位以后依次定義機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，并設(shè)置機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。構(gòu)建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的仿真模型還需要兩個(gè)參考坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系，即機(jī)器人的基座坐標(biāo)系以及工具坐標(biāo)系?；ぞ咦鴺?biāo)系作為機(jī)器人放置規(guī)劃的參考，原點(diǎn)位于機(jī)器人底座的中心，Z軸垂直與底面法蘭。工具坐標(biāo)系為焊鉗以及抓手等工具安裝提供參考作用。工具坐標(biāo)系原點(diǎn)位于法蘭盤中心，Z軸垂直于工具安裝法蘭盤。如圖2所示為定義完成以后的機(jī)器人示意圖。

圖2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型與參考坐標(biāo)系

2.2 焊鉗的選型與模型的建立

焊鉗按照結(jié)構(gòu)主要有X型焊鉗與C型焊鉗。焊鉗的參數(shù)包括焊鉗的喉深、喉寬，電極的形狀長度等外形尺寸，焊鉗法蘭安裝位置。焊鉗參數(shù)的選擇要考慮車身焊接工作區(qū)域、夾具結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)等要素，以焊接過程不發(fā)生干涉為準(zhǔn)。C 型焊鉗主要用于點(diǎn)焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊縫，而X 型焊鉗主要用于點(diǎn)焊水平及近于水平傾斜位置的焊縫[9]。

焊鉗按照控制類型還可以分為伺服焊槍與氣動(dòng)焊槍。本項(xiàng)目采用的是伺服焊槍，焊槍的運(yùn)動(dòng)定義也是類似的，這里就不再贅述。焊鉗有兩個(gè)參考坐標(biāo)系，一個(gè)作為法蘭安裝參照坐標(biāo)系，一個(gè)是工具中心坐標(biāo)系(TCPF)。TCPF原點(diǎn)位于工具(焊鉗)的尖點(diǎn)，焊鉗的TCPF位于靜臂尖點(diǎn)，Z軸與動(dòng)臂方向一致。根據(jù)焊鉗在焊接過程中的開度大小的狀態(tài)分別定義為OPEN(大開狀態(tài))，SEMIOPEN(半開狀態(tài))，CLOSE(關(guān)閉狀態(tài)) 和HOME(復(fù)位狀態(tài))。

完成了焊鉗的關(guān)節(jié)與參考坐標(biāo)系定義以后，通過Motion— Settings — Mount，將焊鉗裝載到機(jī)器人法蘭盤上，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人加載X型焊鉗

2.3 焊點(diǎn)的導(dǎo)入以及焊接坐標(biāo)的生成

該側(cè)圍補(bǔ)焊生產(chǎn)線共有54個(gè)焊點(diǎn)。部分焊點(diǎn)坐標(biāo)如圖7所示。焊點(diǎn)以車身坐標(biāo)系為基準(zhǔn)導(dǎo)入。通過Project命令產(chǎn)生焊點(diǎn)的焊接坐標(biāo)系。焊接坐標(biāo)系決定了在該焊點(diǎn)上機(jī)器人的位姿。焊接坐標(biāo)系的序列就決定了機(jī)器人的焊接加工軌跡。通過Path Editer命令初步定義出焊接路徑。焊接路徑的可行性以焊接機(jī)器人的可達(dá)性與機(jī)器人干涉問題為判斷依據(jù)。

圖4 車身側(cè)圍補(bǔ)焊線部分焊點(diǎn)分布圖

3 仿真分析與優(yōu)化

仿真過程就是對機(jī)器人的加工軌跡進(jìn)行仿真，以可達(dá)性和干渉性作為指標(biāo)，對整個(gè)過程進(jìn)行分析與優(yōu)化。ROBCAD提供了可達(dá)性與干涉的檢查模塊，Reachability命令可以計(jì)算出機(jī)器人在某示教點(diǎn)(包括焊點(diǎn)和過渡點(diǎn))是否可達(dá)。Collision命令可設(shè)置特定的兩組部件(如焊鉗與夾具)進(jìn)行干涉檢查，以高亮狀態(tài)警示干涉部分。

3.1 機(jī)器人的可達(dá)性問題分析與優(yōu)化

所謂的機(jī)器人的可達(dá)性問題是指機(jī)器人是否可以按照要求的位姿到達(dá)目標(biāo)焊點(diǎn)，即在仿真模型中機(jī)器人TCP Frame與焊點(diǎn)坐標(biāo)系是否能夠重合[10]。

機(jī)器人在焊點(diǎn)產(chǎn)生不可達(dá)的原因有：機(jī)器人處于奇異位姿，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)超限。當(dāng)機(jī)器人處于如圖4所示的奇異位姿時(shí)因?yàn)樽杂啥葴p少、關(guān)節(jié)角速度無窮大或者雅可比矩陣退化使得手部參考點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)沿任意方向的微小位移或轉(zhuǎn)動(dòng)。[11-12]

圖4 機(jī)器人處于奇異位姿

校核機(jī)器人在每個(gè)焊點(diǎn)位姿是否可達(dá)，對超過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍以及處于奇異位姿的焊點(diǎn)，可以對機(jī)器人的放置進(jìn)行優(yōu)化以及通過焊接坐標(biāo)系的方向調(diào)整使機(jī)器人焊接姿態(tài)滿足可達(dá)性。圖5、圖6是對機(jī)器人焊點(diǎn)不可達(dá)及其優(yōu)化。

圖5 奇異位姿優(yōu)化

圖6 關(guān)節(jié)超限優(yōu)化

3.2 機(jī)器人干涉問題分析與優(yōu)化

在車身焊裝工位上， 由于工位上設(shè)備分布密集，工位加工空間相對狹小，而加工焊點(diǎn)分布范圍廣，因此在整個(gè)工位上機(jī)器人焊接加工過程中，極有可能出現(xiàn)干涉現(xiàn)象[13]。干涉分為靜態(tài)干涉和動(dòng)態(tài)干涉。靜態(tài)干涉是指在沒有外加驅(qū)動(dòng)力的靜止情況下, 機(jī)器人與工件、夾具等靜態(tài)設(shè)備產(chǎn)生的干涉。與之相對而言, 動(dòng)態(tài)干涉是指夾具打開與關(guān)閉、機(jī)器人上下工件，各機(jī)器人焊接作業(yè)時(shí), 存在于相互運(yùn)動(dòng)的過程中的干涉情況。動(dòng)態(tài)干涉即存在與工位內(nèi)(如焊接工位內(nèi)機(jī)器人之間)也存在工位之間(上下料工位與焊接工位)。

對于靜態(tài)干涉，如圖7為機(jī)器人與夾具產(chǎn)生的靜態(tài)干涉。對產(chǎn)生靜態(tài)干涉的焊點(diǎn)，可以對焊點(diǎn)的位姿進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步選擇焊鉗的參數(shù)，焊鉗的開度大小，焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)類型、過渡屬性等。若靜態(tài)干涉仍然無法回避干涉，說明在夾具設(shè)計(jì)方案中存在著缺陷，對于焊鉗作業(yè)以及進(jìn)退槍沒有留有足夠的空間。

圖7 機(jī)器人與夾具產(chǎn)生的干涉

對于工位內(nèi)的動(dòng)態(tài)干涉主要是焊接機(jī)器人之間的干涉。對于這類動(dòng)態(tài)干涉可以優(yōu)化各機(jī)器人的焊接順序，使得各機(jī)器人分時(shí)進(jìn)去共同作業(yè)區(qū)來規(guī)避動(dòng)態(tài)干涉，同時(shí)在機(jī)器人干涉區(qū)域設(shè)置機(jī)器人的互鎖信號來實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)。如圖8所示為機(jī)器人之間的焊接路徑的動(dòng)態(tài)干涉及優(yōu)化。

圖8 焊接工位動(dòng)態(tài)碰撞及其優(yōu)化

3.3 工作流程(SOP)的建立與優(yōu)化

時(shí)序(Sequence of Operations，SOP) 是焊接工位所有工序執(zhí)行的時(shí)間順序。整個(gè)生產(chǎn)線是多機(jī)器人多設(shè)備配合來完成，機(jī)器人放件與取件與機(jī)器人焊接作業(yè)，夾具打開關(guān)閉有可能發(fā)生動(dòng)態(tài)干涉。因此建立SOP，確定確定各設(shè)備的工作時(shí)序，使其順利對接，同時(shí)模擬出現(xiàn)場的生產(chǎn)節(jié)拍。

按照預(yù)定方案，首先焊接夾具要打開，上料機(jī)器人完成車身的上件以后，焊接夾具關(guān)閉夾緊，3臺焊接機(jī)器人接收到夾具夾緊后才開始工作，機(jī)器人發(fā)出作業(yè)完成指令，夾具打開，下料機(jī)器人接收到焊接機(jī)器人作業(yè)完成信號并檢測到夾具打開的開關(guān)信號才被觸發(fā)。按照各設(shè)備的運(yùn)行時(shí)序，建立SOP，為PLC和機(jī)器人程序輸出以及IO信號的配置提供參考。

在建立SOP可視化仿真的過程中，為了進(jìn)一步提高工位的生產(chǎn)節(jié)拍，將夾具的打開和下料機(jī)器人的取件工程由串行改為并行，通過SOP仿真驗(yàn)證不存在干涉，通過改串行為并行的優(yōu)化使得生產(chǎn)節(jié)拍減少了2s(夾具打開的時(shí)間)。

按照優(yōu)化后機(jī)器人加工的路徑以及工序，仿真出來的生產(chǎn)線節(jié)拍為61.8s，小于方案要求的65s。如圖9所示為車身側(cè)圍補(bǔ)焊線節(jié)拍分析表證明原設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖9 車身側(cè)圍補(bǔ)焊線節(jié)拍分析表

4 離線程序的輸出

離線程序能在現(xiàn)場直接使用，避免人工示教耗時(shí)耗力且精度不高的弊端,使示教人員從繁重的示教工作中解脫出來。

仿真驗(yàn)證的結(jié)果如圖10所示。在發(fā)那科機(jī)器人離線程序工具箱中設(shè)置機(jī)器人的型號得到機(jī)器人虛擬控制器RCS (Realistic Controller Simulation)并且在ROBCAD離線編程模塊中加載，配置相應(yīng)的機(jī)器人控制器的型號RJ3，并對機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)示教離線程序輸出。

圖10 車身側(cè)圍補(bǔ)焊生產(chǎn)線仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過仿真軟件ROBCAD，建立了車身側(cè)圍焊裝生產(chǎn)線的仿真模型，對補(bǔ)焊生產(chǎn)線進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化和離線編程輸出。解決了機(jī)器人應(yīng)用的可達(dá)性以及干涉問題，規(guī)劃出機(jī)器人加工軌跡以及設(shè)備的工作時(shí)序，計(jì)算出生產(chǎn)節(jié)拍，驗(yàn)證了方案的可行性，并將仿真驗(yàn)證的結(jié)果輸出離線程序，大大地減少了調(diào)試時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

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(編輯 李秀敏)

Application of ROBCAD Simulation Technology in Welding Line of Body Side

XU Jun-fang， AO Yin-hui

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

In order to solve the problem of process planning difficulty in the design of automobile body side welding production line and the problem of robotic unreachability, equipment dryness problem, design non-conforming production line time and manual programming time in commissioning stage, Virtual simulation debugging method, using ROBCAD simulation tools, through the establishment of the simulation model of the production line, in the virtual environment can be predicted on-site pose unreachability and equipment interference issues and to avoid, to plan for up to non-interfering robot Processing trajectory and equipment operation timing diagram, and finally the use of offline programming, shorten the debugging time. Which is conducive to reducing the difficulty of planning and welding production line, making the design of the efficiency and quality are improved.

robot applications;welding;simulation ROBCAD

1001-2265(2017)06-0118-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.030

2016-10-08；

2016-11-21

許俊芳(1991—)，男，廣東佛山人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器人應(yīng)用與集成技術(shù)，(E-mail) xujunfang0757@163.com；通訊作者：敖銀輝(1973—)，男，廣東工業(yè)大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械動(dòng)力學(xué)和故障診斷、機(jī)電設(shè)備及自動(dòng)化控制系統(tǒng)，(E-mail)yinhuiok@yahoo.com。

TH16;TG65

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