李 浩， 馬文鋒， 文笑雨， 李小靜， 施偉偉

(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 河南省機械裝備智能制造重點實驗室， 河南 鄭州 450003)

當前，由于人力成本不斷升高、生產(chǎn)線設(shè)計不合理、智能化程度低、生產(chǎn)效率低，傳統(tǒng)的車間生產(chǎn)制造模式正面臨巨大挑戰(zhàn)。隨著人工智能、信息物理融合、生產(chǎn)仿真等新技術(shù)的興起，數(shù)字化和智能化逐漸成為先進制造系統(tǒng)的典型特征和發(fā)展趨勢。“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略明確提出，“智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的主攻方向”[1]。車間生產(chǎn)線是智能制造的主體，是智能制造成功實施的關(guān)鍵。針對智能焊接生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)，龐登峰等在分析低速車車架整體結(jié)構(gòu)、合理規(guī)劃焊接結(jié)構(gòu)、計算各工序生產(chǎn)節(jié)拍的基礎(chǔ)上，采用機器人與翻轉(zhuǎn)變位機等配套設(shè)備組建焊接工作站，大幅度提高了焊接生產(chǎn)線的效率[2]。曹向成等通過系統(tǒng)分析摩托車車架焊接生產(chǎn)線的總體布局、系統(tǒng)集成控制、變位機的形式及焊接夾具的組成，認為摩托車車架采用機器人焊接生產(chǎn)線進行大批量、連續(xù)生產(chǎn)是完全可行的，能夠達到優(yōu)質(zhì)、高效、低成本生產(chǎn)的預(yù)期效果[3]。SHA 為了提高焊接夾具的設(shè)計效率，提出一種基于參數(shù)化技術(shù)的快速汽車焊接夾具設(shè)計方法，并在深入研究快速設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套快速焊接夾具參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)[4]。YANG認為建立柔性多模型焊接線是實現(xiàn)柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵，并從工藝規(guī)劃、機構(gòu)切換、機器人交互仿真、自動集成控制等方面制定了實現(xiàn)多車型汽車柔性焊接線的具體措施[5]。馬思樂對某汽車焊裝車間的生產(chǎn)線進行智能化改進，通過設(shè)計智能化輸送系統(tǒng)和智能化檢測系統(tǒng)，大幅度提高了焊裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低了制造成本[6]。鐘麗慧等闡述了數(shù)字化工廠技術(shù)在產(chǎn)品概念規(guī)劃、方案規(guī)劃、詳細設(shè)計規(guī)劃及制造實施中的應(yīng)用[7]。舒送等運用Tecnomatix Process Simulate軟件對熔覆機器人進行參數(shù)設(shè)置和路徑規(guī)劃，并編制了機器人路徑離線程序[8]。常亞恩等運用Tecnomatix Process Simulate軟件，從導(dǎo)入模型和數(shù)據(jù)、規(guī)劃生產(chǎn)工藝流程、分配各類資源，到仿真模擬運行，完成了某汽車焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計規(guī)劃與仿真，并根據(jù)模擬結(jié)果對該生產(chǎn)線進行了優(yōu)化[9]。PETER等采用Process Simulate仿真平臺，對工廠生產(chǎn)線的運行條件和狀態(tài)進行仿真，規(guī)劃工廠生產(chǎn)線的未來圖景，為實現(xiàn)智能制造提供了參考[10]。

自行車的生產(chǎn)過程主要包括焊接車架、噴涂顏料和組裝三部分。雖然其噴涂工序已基本實現(xiàn)自動化作業(yè)，但是，其焊接流程自動化程度較低，且已實現(xiàn)自動化的部分并不能與前后工序有效銜接，導(dǎo)致目前自行車車架的焊接仍然依靠人工。為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提升傳統(tǒng)生產(chǎn)線的智能化水平，需對焊接工藝流程進行重新設(shè)計，提出新的設(shè)計方案。

本文對自行車后三角車架焊接工藝流程進行分析和規(guī)劃，在設(shè)計智能焊接生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，對該生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍進行計算和調(diào)整，并對其核心裝備進行設(shè)計與規(guī)劃，確定核心裝備的空間布局；同時，運用NX和Process Simulate軟件建立智能焊接生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)，并通過仿真驗證生產(chǎn)線的可行性。

1 自行車后三角車架智能焊接生產(chǎn)線設(shè)計

1.1 智能焊接生產(chǎn)線的設(shè)計要求

自行車后三角車架的組成如圖1所示。其中前三角架已經(jīng)焊接完成。本文設(shè)計的智能焊接生產(chǎn)線主要針對除前三角架外的零件焊接。焊接部位分別是上叉(左、右)與前三角架的焊縫、加強管與上叉(左、右)的焊縫、勾爪與下叉(左、右)的焊縫、下叉(左、右)與前三角架的焊縫。車架的組件均采用鋁合金制成，壁厚為2 mm左右，要求焊接表面沒有夾渣、未熔合、氣孔、焊瘤等缺陷，成形均勻，焊縫邊緣與母材融合良好。

圖1 自行車后三角車架的組成

1.2 焊接工藝方案的優(yōu)化設(shè)計

自行車制造生產(chǎn)的方式目前比較落后，在我國的大部分自行車生產(chǎn)企業(yè)中，后三角車架的焊接生產(chǎn)主要靠人工完成。工人先對自行車后三角車架點焊固定，然后再滿焊，最后對焊接好的后三角車架進行人工目檢。人工焊接的接頭部位容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在自行車運行中，車架會承受周期性交變應(yīng)力。如果焊接殘余應(yīng)力與交變應(yīng)力疊加，則會在車架焊接的某些區(qū)域達到屈服極限，出現(xiàn)塑性變形、應(yīng)力腐蝕等現(xiàn)象，進而影響車架的整體壽命，導(dǎo)致早期失效[11]。

通過分析自行車后三角車架的空間結(jié)構(gòu)可知，其大部分焊縫為曲面，且車架各零件的空間布置緊湊，焊接過程容易出現(xiàn)干涉。因此應(yīng)根據(jù)焊接的先后順序，設(shè)計多種焊接方案。不同的焊接方案對夾具的復(fù)雜程度、機器人焊接路徑的復(fù)雜程度、更換夾具的次數(shù)要求不同。在過于復(fù)雜的夾具和運動路徑下，焊接過程容易出現(xiàn)較大誤差而導(dǎo)致無法完成焊接任務(wù)。

若采用一次性固定且一次性焊接自行車車架所有管料的方案，雖然可以減少夾具的數(shù)量，但是由于焊接位置較多，且所有零件難以同時固定，則會增加夾具設(shè)計的難度。在一次性焊接所有管料的情況下，機器人焊接過程會產(chǎn)生較多干涉，從而大幅度增加焊接機器人焊接路徑設(shè)計的難度，以及焊接機器人與座式翻轉(zhuǎn)變位機協(xié)同運動的復(fù)雜程度。該方案雖然可以減少模具數(shù)量和加工時間，但是會增加總的設(shè)計成本和制造難度，甚至不能焊接出無質(zhì)量問題的成品，因此不予采用。

自行車后三角車架可采用分塊焊接方案，即先將上叉(左、右)、加強管、勾爪(左、右)5個零件焊接成一個整體(稱為工件一(見圖2))；再將下叉(左、右)與工件一焊接為一個整體；最后將其與前三角架焊接，得到圖1所示完整的自行車后三角車架。若將復(fù)雜的焊接工序拆解開來，對各子部分分別焊接，則可大大簡化機器人的焊接軌跡，降低機器人與座式翻轉(zhuǎn)變位機協(xié)同運動的難度，提高焊接過程的可靠性與焊接精準度。但若分塊過多，需要設(shè)計多套夾具，將會大大增加物料裝夾與拆卸的總時間，增大產(chǎn)品焊接生產(chǎn)的成本。因此，該方案并不適合智能焊接生產(chǎn)線。

圖2 工件一

本文采用半分散焊接方案，設(shè)計了兩套較簡單的夾具，即夾具一和夾具二。用夾具一對上叉(左、右)、加強管、勾爪(左、右)5個零件進行定位夾緊，然后，將它們焊接成工件一。用夾具二對焊接后工件一、下叉(左、右)、前三角架定位夾緊后，將它們焊接成完整的自行車后三角車架(稱為工件二)。將自行車后三角車架拆分為兩部分焊接的優(yōu)點在于：夾具設(shè)計相對簡單，減少焊接干涉和夾具數(shù)量，縮短裝夾拆卸時間，提高焊接精準度，簡化焊接過程，降低生產(chǎn)成本。

基于分為兩部分的焊接方案，本文設(shè)計了圖3所示的后三角車架焊接工藝流程。它包括：工件一物料的切圓打磨，上下料機器人上下物料，人工裝夾物料，焊接機器人焊接，并對工件一進行智能檢測(檢測焊縫質(zhì)量)和人工抽檢(檢測焊接位置和尺寸)，若出現(xiàn)焊接缺陷則將其回收，統(tǒng)一處理，若無質(zhì)量問題則工件一進入工件二的焊接流程；工件二的工藝流程與工件一一樣，且需對焊接無質(zhì)量問題的工件二進行收集、打磨和裝配。

圖3 后三角車架焊接工藝流程

1.3 智能焊接生產(chǎn)線的主要功能設(shè)計

圖4所示為智能焊接生產(chǎn)線功能結(jié)構(gòu)框架。它包括焊接、檢測、傳送3個子系統(tǒng)。焊接子系統(tǒng)主要包括焊接操作執(zhí)行裝置(焊接機器人)、裝夾裝置和變位機。裝夾裝置固定在翻轉(zhuǎn)變位機上，翻轉(zhuǎn)變位機與焊接機器人自適應(yīng)配合，完成焊接任務(wù)。檢測子系統(tǒng)主要包括X射線探傷機、平板成像系統(tǒng)、計算機成像系統(tǒng)和防護系統(tǒng)。它能夠?qū)附蛹馁|(zhì)量進行快速準確地檢測，替代目前的人工檢測。傳送子系統(tǒng)主要包括上下料機器人、傳送帶(含動力裝置)和傳感模塊。它能夠?qū)⑽锪峡焖倬珳实貍魉偷街付ㄎ恢谩?/p>

2 自行車后三角車架智能焊接生產(chǎn)線的平衡

2.1 智能焊接生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍的計算

生產(chǎn)節(jié)拍是生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃的重要指標，可根據(jù)產(chǎn)量的高低來確定[12]。

智能焊接生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為：

(1)

式中：Ta為有效生產(chǎn)時間；Td為周期量。

圖4 智能焊接生產(chǎn)線功能結(jié)構(gòu)框架

智能焊接生產(chǎn)線的有效生產(chǎn)時間為：

Ta=Tr×(M-Q1-Q2)

(2)

式中：Tr為需求周期(生產(chǎn)需求相對穩(wěn)定的時間)；M為運作模式(指一天是幾班制工作，每班的工作時間)；Q1為計劃內(nèi)停工(包括設(shè)備維護、工作人員休息、產(chǎn)量變更等)；Q2為計劃外停工(包括設(shè)備意外故障、產(chǎn)品質(zhì)量不合格、崗位變更等)。

2.2 智能焊接生產(chǎn)線的平衡設(shè)計

在設(shè)計生產(chǎn)線時，需要充分考慮其運行過程的流暢性，盡可能使每個工序的時間耗費趨近于計算的生產(chǎn)節(jié)拍，達到生產(chǎn)線的平衡。本文根據(jù)文獻[13]，從生產(chǎn)線平衡率P和生產(chǎn)線平滑性指數(shù)SI兩方面進行平衡效果評價。

生產(chǎn)線平衡率P代表生產(chǎn)線中各工序所需時間的平衡程度。其計算式為：

(3)

式中：Ti為第i個工作站作業(yè)所需的標準時間；CT為生產(chǎn)線中工序的最大標準作業(yè)時間；N為生產(chǎn)線中工序數(shù)量。

平滑性指數(shù)SI用來判別生產(chǎn)線中各工位工作時間相差的狀況。生產(chǎn)線各工位之間工作時間相差越小，平滑性指數(shù)就越小，生產(chǎn)線平衡效果就越明顯。

(4)

式中，t(i)為工序的生產(chǎn)節(jié)拍。

對當前自行車后三角車架焊接生產(chǎn)線實際調(diào)研后，計劃每條生產(chǎn)線產(chǎn)能為1.2萬輛/月，每月工作時間為22 d，生產(chǎn)線采取1班/d、每班8 h工作制。規(guī)劃該智能焊接生產(chǎn)線的有效生產(chǎn)時間和生產(chǎn)節(jié)拍時需要考慮以下情況：①需求周期為一個月(22 d)；②運作模式為1班/d、8 h/班；③計劃停工(計劃內(nèi)、外)為0.3 h/班；④計劃需求為1.2萬輛。

由式(2)可算得自行車后三角車架焊接生產(chǎn)線的有效生產(chǎn)時間，即：22×(8-0.3)=169.4(h)

由式(1)可算得自行車后三角車架焊接生產(chǎn)線的節(jié)拍，即：

依據(jù)人員數(shù)量、實際工作人員的操作熟練度和生產(chǎn)現(xiàn)場的實際狀況(設(shè)備運行情況、待焊接件的工藝要求、所需的工藝條件等)，統(tǒng)計完成每個作業(yè)所需時間，確定生產(chǎn)線中各工序的基本時間，并根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)資料情況來估算作業(yè)時間。其中，焊接作業(yè)耗時最長，存在生產(chǎn)瓶頸。因此，在焊接區(qū)域放置兩臺焊接機器人，選取的評定系數(shù)為1，寬放率(采用企業(yè)內(nèi)部標準定義)為1.1%。工序標準時間如表1所示。

表1 工序標準時間

續(xù)表1

工序名稱人員數(shù)標準工時/s單位工時/s射線探傷一14545人工抽檢一13535上料二14040裝配二14545焊接二29346.5射線探傷二14545人工抽檢二14545下料12020

依據(jù)表1中數(shù)據(jù)可算得：

P=81.1%，SI=27.3%。

2.3 智能焊接生產(chǎn)線的空間布局優(yōu)化

根據(jù)生產(chǎn)線平衡計算的結(jié)果，可對生產(chǎn)中用到的設(shè)備進行合理的空間布局。焊接生產(chǎn)線空間布局如圖5 所示。在焊接區(qū)域排布雙列焊接機器人，使整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率翻倍，同時可提高生產(chǎn)線的可靠性。經(jīng)檢測，無焊接質(zhì)量問題的工件一經(jīng)傳送帶被送到工件二的焊接區(qū)域，與其他物料進行組合后焊接，簡化了物流系統(tǒng)。

圖5 焊接生產(chǎn)線空間布局

3 自行車后三角車架智能焊接生產(chǎn)線核心裝備的設(shè)計規(guī)劃

3.1 變直徑柔性夾具設(shè)計

柔性夾具是指針對尺寸和形狀在某一范圍內(nèi)變化的工件均具備精確夾緊定位作用的夾具。變直徑柔性焊接夾具的設(shè)計是構(gòu)建智能焊接生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)之一。在設(shè)計柔性夾具時，首先應(yīng)確定正確的定位基準，以最大程度地減小定位誤差；其次，必須提高柔性夾具的自動化程度，因為它是決定產(chǎn)品批量生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的自行車后三角車架定位焊接夾具不具有自動定位與夾緊工件的功能，無法滿足現(xiàn)代化大批量生產(chǎn)的要求。本文通過分析自行車后三角車架的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化焊接工藝方案，自主設(shè)計了兩套變直徑柔性氣動夾具。

變直徑柔性氣動夾具由氣壓缸、伸縮臂、固定板、限位塊等組成。其三維模型如圖6所示。氣壓缸是夾具的執(zhí)行裝置。壓縮空氣推動氣缸活塞，控制夾具的夾緊與松開。在初步完成變直徑柔性夾具設(shè)計后，利用仿真軟件Process Simulate對機器人焊槍與夾具進行干涉和可達性模擬。結(jié)果表明，所設(shè)計的兩套變直徑柔性夾具具備結(jié)構(gòu)精巧、裝夾快捷方便、柔性好、定位精準等優(yōu)點。

3.2 上下料關(guān)鍵技術(shù)與裝備設(shè)計

在上下料過程中，機械手必須精準地到達物料的位置，并完成對物料的夾持工作。上下料機器人需配有視覺識別系統(tǒng)，以抓取形狀大小不同的物料。機器人抓取形狀、尺寸差異較大的待焊接物料非常困難，需要多次抓取才能完成焊接過程，效率很低。為解決這一問題，本文設(shè)計了專用的物料規(guī)整盒(見圖7)。

將待焊接的物料裝入規(guī)整盒內(nèi)，機器人可一次性輕松抓取焊接所需物料。根據(jù)物料盒的質(zhì)量和尺寸要求，選用瑞士ABB公司的抓取機器人，可完成上下物料工作。

(a) 工件夾具 (b) 后三角車架整體夾具圖6 變直徑柔性氣動夾具的三維模型

(a) 工件物料盒 (b) 后三角車架整體物料盒 圖7 物料規(guī)整盒

3.3 高效焊接裝備規(guī)劃

焊接是智能焊接生產(chǎn)線的關(guān)鍵和瓶頸工序，高效焊接裝備的選型與規(guī)劃直接影響整條智能生產(chǎn)線的運行。為了達到焊接質(zhì)量的要求，本文采用瑞士ABB公司IRB-1400型焊接機器人，以雙列對稱布局的方式進行生產(chǎn)，并運用Process Simulate仿真工具模擬調(diào)試機器人的最短焊接路徑，實現(xiàn)了離線編程。

3.4 焊接翻轉(zhuǎn)變位機規(guī)劃

待焊接管料接口形狀為空間曲線，且管料之間的間隙較小，容易出現(xiàn)嚴重的干涉現(xiàn)象，焊接機器人很難一次性完成焊接。針對焊接干涉問題，可采用翻轉(zhuǎn)變位機與焊接機器人協(xié)同工作的方法完成焊接。在機器人焊接一段焊縫后，翻轉(zhuǎn)變位機翻轉(zhuǎn)某一角度，避開焊接干涉，機器人再進行焊接。為了使焊接機器人的利用率最大化，縮短焊接過程中機器人的等待時間，裝夾和焊接可同時進行，這就需要采用三軸變位機。

3.5 X射線檢測系統(tǒng)選型

質(zhì)檢是保證產(chǎn)品出廠合格率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。受生產(chǎn)環(huán)境的限制及研究方法的局限，自行車生產(chǎn)領(lǐng)域的焊接質(zhì)量檢測長期采用人工目檢來觀察局部的焊接情況，并不能反映整體的焊接質(zhì)量狀況。射線探傷技術(shù)常被用于各種材料的無損檢測，焊接件的質(zhì)量也可運用射線探傷技術(shù)來檢測。

XYG-160B型X射線檢測系統(tǒng)包括：一體化X射線探傷機、平板成像系統(tǒng)、計算機圖像處理系統(tǒng)、射線防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動檢測后三角車架焊縫的內(nèi)部缺陷，儲存影像資料，收集焊縫缺陷信息。本文選用該系統(tǒng)進行焊接質(zhì)量檢測。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析，一旦出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題可及時反饋并做出調(diào)整，以避免長時間停產(chǎn)而延誤產(chǎn)品交貨期。

4 自行車后三角車架智能焊接生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)構(gòu)建

在現(xiàn)實生產(chǎn)線建設(shè)之前，對生產(chǎn)線進行仿真是非常關(guān)鍵的。通過仿真，可以清楚地看出各設(shè)備的排布位置、物流系統(tǒng)、生產(chǎn)線的運行狀態(tài)和瓶頸工序，為生產(chǎn)線建設(shè)提供直觀的參考意見。本文首先采用NX軟件創(chuàng)建機器人、翻轉(zhuǎn)變位機、檢測儀、焊裝夾具、傳送帶、檢測臺等三維模型，并將模型設(shè)置成Process Simulate專用且后綴為JT的格式文件；然后將模型導(dǎo)入Process Simulate，設(shè)定模型關(guān)節(jié)的極限運動范圍和關(guān)節(jié)之間的約束參數(shù)，使定義后模型按照實際設(shè)備運行方式動作；同時創(chuàng)建參考坐標系，為設(shè)備布局、部件安裝等提供參考。

4.1 定義機器人模型

把機器人模型導(dǎo)入仿真空間，創(chuàng)建兩個三維參考坐標系，其中一個為機器人底盤坐標系，另一個為工具坐標系。底盤坐標系原點為機器人底座中心，其創(chuàng)建目的是將機器人精確地安放到設(shè)定的空間位置。其他設(shè)備(如翻轉(zhuǎn)變位機、X射線檢測系統(tǒng)、檢測臺、傳送帶等)底盤坐標系的創(chuàng)建與機器人類似。工具坐標系原點為法蘭盤中心，創(chuàng)建的目的是將焊槍、抓手等工具精確安裝在法蘭盤上。

定義機器人關(guān)節(jié)的極限運動范圍，建立關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)的聯(lián)系。其他設(shè)備(如柔性氣動夾具、翻轉(zhuǎn)變位機等)關(guān)節(jié)的定義與機器人關(guān)節(jié)的定義類似。這里以焊接機器人為例來說明機器人模型規(guī)劃的過程。機器人模型規(guī)劃過程界面如圖8所示。

圖8 機器人模型規(guī)劃過程界面

4.2 定義焊接路徑

將待焊接物料導(dǎo)入仿真環(huán)境中，采用Continuous Process Generator命令選取需焊接在一起的兩個加工面，生成一條焊接路徑。由于自行車后三角車架空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在焊接中，焊槍容易與工件或夾具產(chǎn)生干涉，因此需對生成的焊接路徑進行修改。通常可進行分步焊接，先焊接容易焊接的部分，并保證焊接精度，剩余部分待翻轉(zhuǎn)變位機翻轉(zhuǎn)一定角度后再進行焊接。焊接路徑可行性的判斷依據(jù)為：焊接機器人焊接過程中是否會出現(xiàn)干涉或不可達性等問題。

自行車后三角車架共有14個要焊接的部位。其下叉與勾爪焊接路徑的規(guī)劃結(jié)果如圖9所示。

圖9 下叉與勾爪焊接路徑的規(guī)劃結(jié)果

4.3 定義工人

依據(jù)國內(nèi)男性的平均身高、體重及生產(chǎn)車間內(nèi)工況環(huán)境，在仿真空間內(nèi)創(chuàng)建佩戴眼鏡、穿防射線服裝的操作工人。為維持焊接生產(chǎn)線順暢運行，需要裝夾工人、監(jiān)管X射線工人和抽檢工人。這里以裝夾工人為例，裝夾工人需要完成的工作有拿取物料、裝夾物料、拆卸焊接完成物料等。對裝夾工人的行走路徑、拿取姿勢、裝夾姿勢、行走姿勢等進行規(guī)劃，以達到與現(xiàn)實中裝夾工人一致，為人機工程分析做好前期工作。

4.4 規(guī)劃三維模型

定義三維模型后，按照設(shè)計的空間布局，對三維模型中各部分逐個進行精確定位。仿真環(huán)境的空間布局如圖10所示。這條生產(chǎn)線包括：工件一物料(上叉、加強管和勾爪)存儲環(huán)節(jié)、抓取輸送環(huán)節(jié)、焊接環(huán)節(jié)、焊接內(nèi)部質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)和焊接外觀尺寸抽檢環(huán)節(jié)；整體三角架物料(上叉、加強管、勾爪、下叉和前三角架)存儲環(huán)節(jié)、抓取輸送環(huán)節(jié)、焊接環(huán)節(jié)、焊接內(nèi)部質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)、焊接外觀尺寸抽檢環(huán)節(jié)和焊接后物料存儲環(huán)節(jié)。

圖10 仿真環(huán)境的空間布局

5 自行車后三角車架智能焊接生產(chǎn)線可行性驗證

5.1 機器人可達性和干涉問題的驗證

機器人的可達性是指機器人能否按照要求的姿態(tài)到達目標焊接點，即在仿真模型中機器人TCP Frame與焊點坐標系是否能夠重合[14]。造成機器人在焊接過程出現(xiàn)不可達性的原因有：機器人自身運動范圍超限，機器人焊接姿態(tài)不合理等[15]。對于機器人自身運動范圍超限而造成的不可達性，可以在空間布局設(shè)計時進行規(guī)避。機器人設(shè)計時已有其自身的運動范圍，應(yīng)將待焊接物料放置在合適位置，保證每個焊接點都在機器人極限運動的范圍內(nèi)。焊接姿態(tài)不合理造成的不可達性表現(xiàn)在：機器人焊接相鄰兩段焊縫時，焊接姿態(tài)可能存在較大差異(見圖11)。因此，需單獨定義機器人的焊接姿態(tài)，使得機器人在完成上段焊縫焊接后，小范圍地擺動各關(guān)節(jié)即可進行下段焊縫的焊接。

(a) 前焊縫位置 (b) 后焊縫位置 圖11 機器人可達性示意圖

自行車后三角車架空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且大部分焊接路徑為圓弧形，機器人在自動焊接時極易與夾具產(chǎn)生干涉。產(chǎn)生干涉的原因有：工件上焊點坐標系方向不合適，焊接過程缺少過渡避障點。對于工件上焊點坐標系方向不合適而造成的焊接干涉，可通過優(yōu)化焊點位置來調(diào)整焊點坐標系的方向。若調(diào)整焊點坐標系方向后，焊接過程仍出現(xiàn)干涉，則可通過分析機器人與夾具的干涉情況，手動添加過渡避障點。

經(jīng)過調(diào)試運行，機器人能夠順暢地完成焊接任務(wù)，驗證了機器人可達性和干涉問題，同時，也證明夾具的設(shè)計是合理的。完成以上調(diào)試后，可采用Process Simulate軟件Robotics模塊中的Robot Program子菜單下的Program Inventory命令，創(chuàng)建機器人離線程序。針對目標程序，選擇download功能鍵，即可進行離線程序輸出。

5.2 人機工程分析

工作姿態(tài)分析系統(tǒng)OWAS(Ovako Working-posture Analyzing System)用于區(qū)分工人工作時的身體姿態(tài)，并依照該姿態(tài)對可能引發(fā)的肌肉骨骼傷害度予以評定[16-17]。OWAS系統(tǒng)適用于各種工作場景，能夠?qū)Ω鞣N操作姿勢進行人機工程分析，是一種簡單高效的分析方法，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。

OWAS主要用于分析人背部、手臂、腿部、頭部4個部位的動作幅度和每一動作的負重。它將這5類要素，采取編碼方式，遵循特定規(guī)律，以排列組合的形式展現(xiàn)出來[18]，確定各作業(yè)過程對應(yīng)的疲勞等級并提出相應(yīng)的解決方案。例如，編碼3321-1，其編碼的形式和意義如圖12所示。OWAS將工作姿態(tài)疲勞等級分為4級(見表2)。

圖12 OWAS編碼形式和意義

表2 OWAS疲勞等級

利用Process Simulat軟件中人機工程分析模塊，首先對操作工人進行參數(shù)設(shè)置，令Human>Ergonomics>Analysis Tool，設(shè)定OWAS選項及Create Report選項，然后運行所構(gòu)建的仿真模型，得到相應(yīng)的分析報告。對操作最復(fù)雜工序中的工人進行人機工程分析。分析結(jié)果顯示，工人在工作時大部分時間的疲勞等級為1～2級，屬于可以接受或輕微傷害的疲勞等級。

通過人機工程分析，為改善工作強度較大的工人工作狀態(tài)，提出了兩條建議。

(1) 采用輪崗制。由于焊接區(qū)域的工人勞動強度明顯高于檢測區(qū)域工人的勞動強度，可規(guī)定這兩個區(qū)域的工人每30 min互換一次工作崗位。

(2) 配備勞動保護用品。在現(xiàn)有工作環(huán)境中，操作工人的頸椎和腰部容易受損，建議為工人購買護頸、護腰等防護設(shè)備。

5.3 生產(chǎn)線效益分析

在仿真系統(tǒng)中搭建生產(chǎn)線平臺后，完成調(diào)試，并運行該生產(chǎn)線。生產(chǎn)一個自行車后三角車架的平均時間為95 s，每天大約生產(chǎn)303個。傳統(tǒng)的人工焊接生產(chǎn)線每天生產(chǎn)自行車后三角車架120個。與人工焊接生產(chǎn)線相比，智能焊接生產(chǎn)線日產(chǎn)量為人工焊接的2.525 倍。建造該生產(chǎn)線的設(shè)備成本約為400萬元，使用壽命約為10 a，每年維修費用約為10萬元。該生產(chǎn)線生產(chǎn)單個自行車后三角車架制造成本(包括工人工資)約為6.01元，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)成本約為15元。顯然，該智能焊接生產(chǎn)線比傳統(tǒng)生產(chǎn)成本降低了59.9%。

6 結(jié)語

本文對自行車后三角車架智能焊接生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備進行設(shè)計與選型，采用Process Simulate軟件對生產(chǎn)線進行了模擬調(diào)試運行，使生產(chǎn)線運行更加流暢，同時解決了機器人的可達性和干涉問題；通過規(guī)劃機器人加工軌跡并進行離線編程，分析工人工作過程的疲勞狀況，驗證了設(shè)計方案的可行性。該設(shè)計方案的實施能夠改善焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和工人工作強度。