許俊芳,敖銀輝

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006)

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ROBCAD仿真技術在車身側圍補焊生產線的應用

許俊芳,敖銀輝

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006)

針對車身側圍補焊生產線在設計中出現的工藝規(guī)劃困難以及在調試階段出現的機器人不可達性、設備干渉性問題、設計的生產線節(jié)拍不符合要求和人工編程時間長等問題，提出了一種虛擬仿真調試的方法，運用ROBCAD仿真工具，通過建立生產線的仿真模型，在虛擬的環(huán)境中就可以預見現場的位姿不可達性和設備干涉問題并進行規(guī)避，從而規(guī)劃出可達無干涉的機器人加工軌跡以及設備運行時序圖，最后采用離線編程的方式，縮短了調試時間。這有利于減少焊接生產線的規(guī)劃難度，使得設計的效率以及質量得到提高。

機器人應用；焊接；仿真 ROBCAD

0 引言

目前機器人越來越多應用于自動化生產線中，但是由于機器人是多自由度、多連桿機構，使用的過程中會出現多種問題。例如位姿不可達或者位姿奇異報警；夾具設計的不合理或者焊鉗的選型不當使得焊接過程無法避免干涉；機器人之間的干涉以及機器人與其他設備的碰撞干涉問題；在線示教調試工作量大時間長并且具有一定危險性；生產節(jié)拍不滿足設計要求等諸多問題[1-2]。應用虛擬仿真和調試可以在工藝規(guī)劃階段有效解決以上問題。國外較早地對機器人工藝規(guī)劃做了研究。D S Hong 等用遺傳算法研究自動焊接生產線的焊槍任務分配問題[3];在國內，文獻[4]通過DELMIA仿真軟件以機器人補焊工作站為基礎，仿真分析了該機器人在電阻點焊中的應用情況，確定了機器人數量選型，空間布置，以及焊槍設計等內容。文獻[5]運用ROBCAD虛擬仿真技術構建了一條轎車自動焊裝線規(guī)劃方案，結果證明了該方案的快速性、可靠性、有效性和經濟性。文獻[6]運用ROBCAD仿真工具建立輕型卡車底板縱梁生產線機器人自動化改造的仿真模型，并在生產節(jié)拍、產品質量、車間物流、生產管理等方面驗證了機器人焊接相對于人工焊接的優(yōu)越性。

本文以車身側圍補焊線為研究對象，基于ROBCAD對車身側圍焊裝生產線進行仿真，解決機器人應用過程中的可達性與干涉問題，對機器人加工軌跡進行規(guī)劃與優(yōu)化，通過生產線流程進行了規(guī)劃和優(yōu)化并通過仿真計算出生產節(jié)拍，驗證方案的設計的可行性，輸出加工離線程序，為工藝與工程人員提供必要的參考。

1 生產線的方案概述

車身側圍焊裝生產線分為左側圍線與右側圍線，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]到產線的日后的擴充與車型的改造升級，以柔性化程度高的機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用生產線作為上下料的輸送設備。

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

圖1 車身側圍焊裝生產線簡圖

2 工位仿真模型的建立

本項目三維設計采用Catia來進行設計，因此在需要將機器人模型，焊鉗，焊裝夾具，搬運抓手，待料臺，安全光柵，修模器，廠房布局圖等的模型轉換成為.CO為后綴的ROBCAD專用格式[7-8]。ROBCAD具有建模Modeling與格式轉換Data模塊，分別提供建模和數據轉換功能。

導入的數模沒有任何關節(jié)約束參數，要被定義之后的設備才能按照既定的思路運動。參考坐標系的設置為機器人放置，工具安裝等提供參考。

2.1 機器人選型與建模

機器人的負載和運動范圍是機器人選型的重要依據。根據車身側圍補焊線的工作要求，選擇下料機器人的型號為發(fā)那科M-900iA/400L，上料機器人的型號為發(fā)那科M-900iA/260L。焊接機器人的型號為發(fā)那科R2000iB。

焊接機器人數量需要根據焊接工位的焊接任務量來確定，該補焊線的焊點數量為54個，產線要求的生產節(jié)拍不超過65s。

式中：m—機器人數量；p—工作站需要焊接的焊點數；t—平均每個焊點所需焊接時間；T—生產節(jié)拍。由結果可知，單側焊裝線需使用三臺機器人共同工作。

將相應機器人的數模導入仿真工位以后依次定義機器人的運動關節(jié)，并設置機器人各個關節(jié)的運動范圍。構建機器人運動的仿真模型還需要兩個參考坐標系作為參考坐標系，即機器人的基座坐標系以及工具坐標系。基座工具坐標系作為機器人放置規(guī)劃的參考，原點位于機器人底座的中心，Z軸垂直與底面法蘭。工具坐標系為焊鉗以及抓手等工具安裝提供參考作用。工具坐標系原點位于法蘭盤中心，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器人示意圖。

圖2 機器人運動模型與參考坐標系

2.2 焊鉗的選型與模型的建立

焊鉗按照結構主要有X型焊鉗與C型焊鉗。焊鉗的參數包括焊鉗的喉深、喉寬，電極的形狀長度等外形尺寸，焊鉗法蘭安裝位置。焊鉗參數的選擇要考慮車身焊接工作區(qū)域、夾具結構、產品的結構等要素，以焊接過程不發(fā)生干涉為準。C 型焊鉗主要用于點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焊槍。本項目采用的是伺服焊槍，焊槍的運動定義也是類似的，這里就不再贅述。焊鉗有兩個參考坐標系，一個作為法蘭安裝參照坐標系，一個是工具中心坐標系(TCPF)。TCPF原點位于工具(焊鉗)的尖點，焊鉗的TCPF位于靜臂尖點，Z軸與動臂方向一致。根據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(關閉狀態(tài)) 和HOME(復位狀態(tài))。

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

圖3 機器人加載X型焊鉗

2.3 焊點的導入以及焊接坐標的生成

該側圍補焊生產線共有54個焊點。部分焊點坐標如圖7所示。焊點以車身坐標系為基準導入。通過Project命令產生焊點的焊接坐標系。焊接坐標系決定了在該焊點上機器人的位姿。焊接坐標系的序列就決定了機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器人的可達性與機器人干涉問題為判斷依據。

圖4 車身側圍補焊線部分焊點分布圖

3 仿真分析與優(yōu)化

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

3.1 機器人的可達性問題分析與優(yōu)化

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

機器人在焊點產生不可達的原因有：機器人處于奇異位姿，機器人運動關節(jié)運動超限。當機器人處于如圖4所示的奇異位姿時因為自由度減少、關節(jié)角速度無窮大或者雅可比矩陣退化使得手部參考點不能實現沿任意方向的微小位移或轉動。[11-12]

圖4 機器人處于奇異位姿

校核機器人在每個焊點位姿是否可達，對超過機器人運動范圍以及處于奇異位姿的焊點，可以對機器人的放置進行優(yōu)化以及通過焊接坐標系的方向調整使機器人焊接姿態(tài)滿足可達性。圖5、圖6是對機器人焊點不可達及其優(yōu)化。

圖5 奇異位姿優(yōu)化

圖6 關節(jié)超限優(yōu)化

3.2 機器人干涉問題分析與優(yōu)化

在車身焊裝工位上， 由于工位上設備分布密集，工位加工空間相對狹小，而加工焊點分布范圍廣，因此在整個工位上機器人焊接加工過程中，極有可能出現干涉現象[13]。干涉分為靜態(tài)干涉和動態(tài)干涉。靜態(tài)干涉是指在沒有外加驅動力的靜止情況下, 機器人與工件、夾具等靜態(tài)設備產生的干涉。與之相對而言, 動態(tài)干涉是指夾具打開與關閉、機器人上下工件，各機器人焊接作業(yè)時, 存在于相互運動的過程中的干涉情況。動態(tài)干涉即存在與工位內(如焊接工位內機器人之間)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為機器人與夾具產生的靜態(tài)干涉。對產生靜態(tài)干涉的焊點，可以對焊點的位姿進行優(yōu)化，進一步選擇焊鉗的參數，焊鉗的開度大小，焊點運動類型、過渡屬性等。若靜態(tài)干涉仍然無法回避干涉，說明在夾具設計方案中存在著缺陷，對于焊鉗作業(yè)以及進退槍沒有留有足夠的空間。

圖7 機器人與夾具產生的干涉

對于工位內的動態(tài)干涉主要是焊接機器人之間的干涉。對于這類動態(tài)干涉可以優(yōu)化各機器人的焊接順序，使得各機器人分時進去共同作業(yè)區(qū)來規(guī)避動態(tài)干涉，同時在機器人干涉區(qū)域設置機器人的互鎖信號來實現安全作業(yè)。如圖8所示為機器人之間的焊接路徑的動態(tài)干涉及優(yōu)化。

圖8 焊接工位動態(tài)碰撞及其優(yōu)化

3.3 工作流程(SOP)的建立與優(yōu)化

時序(Sequence of Operations，SOP) 是焊接工位所有工序執(zhí)行的時間順序。整個生產線是多機器人多設備配合來完成，機器人放件與取件與機器人焊接作業(yè)，夾具打開關閉有可能發(fā)生動態(tài)干涉。因此建立SOP，確定確定各設備的工作時序，使其順利對接，同時模擬出現場的生產節(jié)拍。

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

在建立SOP可視化仿真的過程中，為了進一步提高工位的生產節(jié)拍，將夾具的打開和下料機器人的取件工程由串行改為并行，通過SOP仿真驗證不存在干涉，通過改串行為并行的優(yōu)化使得生產節(jié)拍減少了2s(夾具打開的時間)。

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

圖9 車身側圍補焊線節(jié)拍分析表

4 離線程序的輸出

離線程序能在現場直接使用，避免人工示教耗時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。

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

圖10 車身側圍補焊生產線仿真結果

5 結論

本文通過仿真軟件ROBCAD，建立了車身側圍焊裝生產線的仿真模型，對補焊生產線進行建模、仿真、優(yōu)化和離線編程輸出。解決了機器人應用的可達性以及干涉問題，規(guī)劃出機器人加工軌跡以及設備的工作時序，計算出生產節(jié)拍，驗證了方案的可行性，并將仿真驗證的結果輸出離線程序，大大地減少了調試時間，提高了設計效率與質量。

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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)大學碩士研究生，研究方向為機器人應用與集成技術，(E-mail) xujunfang0757@163.com；通訊作者：敖銀輝(1973—)，男，廣東工業(yè)大學教授，博士，研究方向為機械動力學和故障診斷、機電設備及自動化控制系統(tǒng)，(E-mail)yinhuiok@yahoo.com。

TH16;TG65

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