段晨旭

摘 要： 近年來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及機器人技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)機器人越來越廣泛地應(yīng)用于汽車制造業(yè)中。本文以汽車制造業(yè)中柔性化程度最高的焊裝生產(chǎn)線為對象，通過研究焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計方法，希望能夠為焊裝生產(chǎn)線設(shè)計提供一些新的思路。

關(guān)鍵詞： 機器人；焊裝線；自動化

中圖分類號：TP242.2 文獻標(biāo)識碼：A

1 焊裝生產(chǎn)線簡介

焊裝生產(chǎn)線是將帶有焊槍和抓手的工業(yè)機器人、焊裝夾具、周邊管線設(shè)備、物流裝置和控制電路這幾部分集成起來所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。焊裝線上的工業(yè)機器人一般采用六軸關(guān)節(jié)式機器人，每個軸上所安裝的伺服電機能夠保證工作范圍內(nèi)任意位姿的可達(dá)性，焊裝線上的抓取、焊接、涂膠等都能交給它完成。此外，工業(yè)機器人還具有編程靈活的特點，可根據(jù)工藝流程的不同來調(diào)用合適的工藝處理程序。選擇焊裝生產(chǎn)線來代替工人手工焊接夠極大地提升生產(chǎn)線的自動化、柔性化和智能化程度，顯著提高焊接精度和質(zhì)量，同時能夠降低人工成本，縮短生產(chǎn)周期。

2 焊裝線的工藝規(guī)劃

焊裝生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃必須滿足產(chǎn)品各個部分的工藝要求，焊裝線上的工藝種類眾多，其中自動化程度和資金預(yù)期直接決定了工藝規(guī)劃的方向[1]。焊裝線工藝規(guī)劃首先需要確定產(chǎn)品各部分的上件工序，隨后進行各工序的焊點分配，同時分析各工位的生產(chǎn)節(jié)拍、核算人機工效、整線物流分析等工作，最終得到相對合理的焊裝線初步規(guī)劃。

2.1 工藝規(guī)劃的意義

工藝規(guī)劃的合理程度決定了焊裝生產(chǎn)線的可實現(xiàn)性，直接影響焊裝生產(chǎn)線的開發(fā)周期和成本。進行焊裝線工藝規(guī)劃具有如下幾點好處：

（1） 優(yōu)化焊裝生產(chǎn)線設(shè)計方案，減少投資成本。

（2） 確定工藝流程，平衡生產(chǎn)節(jié)拍，盡量避免停機等待現(xiàn)象。

（3） 縮短焊裝線設(shè)計開發(fā)周期，為仿真驗證提供參考。

2.2 焊裝線的工藝規(guī)劃流程

焊裝線工藝規(guī)劃的流程包括：明確設(shè)計條件、生產(chǎn)節(jié)拍計算、焊接流程規(guī)劃、焊點規(guī)劃、撰寫工藝規(guī)劃書、工位節(jié)拍分析、人機工效核算、物流分析這八個方面。

3仿真驗證

3.1 三維仿真驗證的意義

根據(jù)工藝規(guī)劃設(shè)計的焊裝線規(guī)劃只能從理論上實現(xiàn)焊裝線的工藝方案，不能反映焊裝線各設(shè)備的實際運行狀況，無法暴露工藝規(guī)劃方案中的問題點，存在很大弊端，因而在實際安裝前應(yīng)該進行三維仿真驗證。

三維仿真驗證是指依據(jù)工藝規(guī)劃方案，將焊裝線上所有對象（工業(yè)機器人、焊槍和抓手、焊裝夾具、圍欄、控制柜、輸送裝置、工藝設(shè)備等）的三維模型導(dǎo)入仿真軟件中，建立起焊裝線的虛擬三維數(shù)模，通過仿真軟件模擬運行焊裝線工作內(nèi)容。通過動態(tài)的數(shù)字化模擬仿真來檢查各工作對象間是否存在干涉等問題，同時優(yōu)化工藝布局方案，能夠在安裝前提前發(fā)現(xiàn)前期工藝規(guī)劃方案的問題點[2]。在多機器人協(xié)同作業(yè)工位，通過三維仿真還可得到最優(yōu)的機器人焊點分配，盡可能地避開或減少干涉區(qū)，優(yōu)化工位的生產(chǎn)節(jié)拍。通過三維仿真可反饋工藝規(guī)劃方案的問題點，規(guī)避方案設(shè)計的風(fēng)險，優(yōu)化焊裝線結(jié)構(gòu)，縮短焊裝線開發(fā)周期。

3.2 仿真驗證流程

（1）根據(jù)前期焊裝線規(guī)劃將各個仿真對象導(dǎo)入仿真軟件中，初步建立它們的相對位置關(guān)系。

（2）對機器人的作業(yè)內(nèi)容進行可達(dá)性驗證，檢查機器人作業(yè)過程中工藝設(shè)備間是否存在干涉，如干涉需要調(diào)整相對位置。

（3）根據(jù)工藝內(nèi)容規(guī)劃各個機器人的作業(yè)軌跡，對于多機器人作業(yè)工位還需要考慮如何避免干涉區(qū)出現(xiàn)，同時避免機器人等待的情況出現(xiàn)。

（4）輸出仿真驗證報告，反饋工藝規(guī)劃方案的問題點，不斷進行優(yōu)化改進，最后輸出平面布局圖。

3.3 輸出平面布局圖

平面布局圖體現(xiàn)了焊裝線仿真驗證的成果，將最終通過三維仿真驗證的三維模型投影成二維圖像便可得到最終的平面布局圖，在圖上能夠反映焊裝生產(chǎn)線上所有組成對象的相對位置關(guān)系[3]。作為現(xiàn)場架設(shè)生產(chǎn)線的依據(jù)，準(zhǔn)確合理的平面布局圖對于焊裝線工藝規(guī)劃方案的正確實施至關(guān)重要。

4焊裝生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計

焊裝生產(chǎn)線的設(shè)備數(shù)量眾多，工藝要求多樣，控制難度相對較大，一般情況下系統(tǒng)控制程序都是由PLC系統(tǒng)程序和機器人系統(tǒng)程序兩部分組成。焊裝線的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計和選擇的編程方法直接決定了系統(tǒng)調(diào)試和運行的難易程度和速度。本文采用面向?qū)ο骩4]的編程方式，把設(shè)備按照類型劃分之后，將這些控制對象分為幾個不同類型來處理。同種類型的設(shè)備工作原理大體相同，控制邏輯相似，運用面向?qū)ο蟮木幊谭椒▉沓橄蟪隹刂茖ο箢愋偷目刂七壿嬆茱@著提高編程效率，同時得到的程序可反復(fù)調(diào)用，便于程序的維護和擴展。

4.1 PLC系統(tǒng)程序設(shè)計

PLC 作為焊接生產(chǎn)線的控制核心，主要任務(wù)是生產(chǎn)線的工藝流程控制、設(shè)備運行控制、機器人運動控制及其它周邊設(shè)備的控制。主要分為以下幾個模塊：

（1）系統(tǒng)模式選擇：焊接生產(chǎn)線的系統(tǒng)一般分為單任務(wù)模式、自動模式和手動模式三類，可以由工人在外部操作生產(chǎn)線的系統(tǒng)模式。

（2）公共報警處理：有油壓不足、氣壓不足、穿越隔離光柵和機器人報警等情況都會觸發(fā)公共報警，一般通過一個報警功能塊來對這些信息進行統(tǒng)一監(jiān)控和處理。

（3）故障安全處理： 根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，需要將急停按鈕被按下、機器人急停、安全門異常開啟等信號放在安全功能塊中處理。

（4）工藝數(shù)據(jù)處理：主要是對焊裝線的工藝流程、生產(chǎn)節(jié)拍進行記錄，以確保發(fā)生故障時可以快速查找記錄。

（5）工藝設(shè)備控制：通過PLC系統(tǒng)來協(xié)調(diào)各個機器人上設(shè)備的使用和轉(zhuǎn)換。

（6）水氣單元控制：該模塊用于處理焊裝上設(shè)備的水氣供應(yīng)，把所有設(shè)備放在同一個模塊中處理，便于前期調(diào)試和后期維護。

（7）物流設(shè)備控制：將焊裝線物流設(shè)備的邏輯控制放在一個模塊中，便于設(shè)備的調(diào)試和維護。

（8）工位控制程序：用于對各個工位的操作模式、焊裝夾具和機器人進行控制。

通過模塊化的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計將復(fù)雜的焊裝線控制任務(wù)細(xì)分為多個模塊來處理，使得控制程序設(shè)計直觀明了，便于程序的調(diào)試和維護。采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒▽秆b線的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備建立通用的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，可大大提高編程效率。

4.2 機器人系統(tǒng)程序設(shè)計

工業(yè)機器人作為一個獨立的智能單元，由機器人解釋器和控制解釋器兩部分組成。機器人解釋器用于運行機器人運動程序，控制解釋器則用于運行邏輯控制程序以控制機器人的運動。在進行機器人程序設(shè)計時，可以運用面向?qū)ο蟮木幊谭绞絹黹_發(fā)各種工藝或邏輯處理庫函數(shù)，采用結(jié)構(gòu)化的編程思路來進行系統(tǒng)程序架構(gòu)設(shè)計。

運用結(jié)構(gòu)化編程方法進行機器人程序設(shè)計具有如下幾個優(yōu)點：

（1）根據(jù)不同結(jié)構(gòu)進行分段編程，便于錯誤程序診斷；

（2）以清晰易懂的方式來展示基本的控制方法；

（3）提高維護、修改和擴展程序的效率；

（4）把復(fù)雜的控制程序劃分為幾個簡單的子程序；

（5）降低編程的耗時；

（6）相同性能的程序組成部分可以互換；

（7）可單獨開發(fā)各工藝任務(wù)的庫函數(shù)，便于調(diào)用。

工業(yè)機器人大體上由主程序、后臺程序和中斷處理程序三部分組成。通過主程序的循環(huán)掃描來執(zhí)行PLC系統(tǒng)指定的工藝程序；后臺程序作為后臺并行的處理程序，可用來處理與PLC系統(tǒng)交互的一些需要實時監(jiān)控的信號，如判斷電極是否需要修磨或更換；中斷處理程序一般用于對程序運行錯誤的信號進行接收以觸發(fā)系統(tǒng)中斷。

5 總結(jié)與展望

本文對汽車焊裝生產(chǎn)線設(shè)計過程中的工藝規(guī)劃、仿真驗證和系統(tǒng)設(shè)計做了簡單的介紹，希望能夠為焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計研究提供一些參考。目前在我國，自動化生產(chǎn)線設(shè)計往往依托技術(shù)人員的經(jīng)驗，仿真技術(shù)仍非常薄弱。機器人仿真技術(shù)的應(yīng)用，是加快我國汽車自動化生產(chǎn)線革新的重要方法，也是我國工業(yè)機器人未來的發(fā)展方向。

參考文獻

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