高建超，常楠楠

（中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

0 引言

車身覆蓋件包邊技術(shù)主要包括壓機(jī)包邊、專機(jī)包邊和機(jī)器人滾邊三種方法：壓機(jī)包邊（如圖1所示）是將模壓包邊設(shè)備裝在大型壓機(jī)上一次壓合成型，具有生產(chǎn)效率高、包邊質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)；專機(jī)包邊（如圖2所示）是使用定制的包邊專機(jī)實(shí)現(xiàn)折邊成型，具有占地面積小、生產(chǎn)效率高、設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)；機(jī)器人滾邊（如圖3所示）作為目前汽車車身制造行業(yè)越來越成熟的裝配技術(shù)，具有柔性化程度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。三種包邊技術(shù)各有優(yōu)劣，選用何種解決方案需要考慮占地面積、生產(chǎn)效率、柔性化要求、設(shè)備投資和環(huán)境噪聲要求等多方面因素。

圖1 壓機(jī)包邊

圖2 專機(jī)包邊

圖3 機(jī)器人滾邊

機(jī)器人滾邊技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，AUDI在開發(fā)鋁制車身的過程中，發(fā)現(xiàn)壓機(jī)包邊會造成鋁制板件折斷。因此，針對鋁制板件的折彎包邊開發(fā)出機(jī)器人滾邊技術(shù)。由于機(jī)器人滾邊技術(shù)具備柔性化程度高、設(shè)備復(fù)用率高、設(shè)備可調(diào)整程度高等優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)各大整車廠中，機(jī)器人滾邊裝機(jī)量已經(jīng)開始呈現(xiàn)出超越壓機(jī)包邊和專機(jī)包邊系統(tǒng)的趨勢。

Tecnomatix是西門子公司推出的綜合性數(shù)字化制造解決方案系統(tǒng)，借助該平臺可以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)流程、設(shè)備以及系統(tǒng)進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化、快速化和精益化。

本文提出借助Tecnomatix平臺對機(jī)器人滾邊制造過程進(jìn)行虛擬調(diào)試，輸出調(diào)試程序，導(dǎo)入在線滾邊系統(tǒng)中進(jìn)行在線檢驗(yàn)和修正，以提高調(diào)試效率，優(yōu)化滾邊路徑，縮短調(diào)試周期，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人滾邊制造過程的數(shù)字化和智能化。

1 機(jī)器人滾邊技術(shù)

1.1 覆蓋件包邊工藝

覆蓋件包邊工藝是通過翻折外板折彎邊壓合內(nèi)板從而將覆蓋件的內(nèi)外板裝配成一個整體的過程，圖4所示為內(nèi)外板單件示意圖，圖5為內(nèi)外板包邊前后示意圖，在外力作用下外板沿箭頭方向翻折一定角度包合內(nèi)板，從而使內(nèi)外板合裝為一個整體。

圖4 背門內(nèi)外板示意圖

圖5 內(nèi)外板包邊前后示意圖

1.2 機(jī)器人滾邊系統(tǒng)

機(jī)器人滾邊系統(tǒng)包括滾邊機(jī)器人、滾邊模夾具、滾邊頭、合裝臺、下料臺等設(shè)備，基本工藝流程為內(nèi)外板涂膠后在合裝臺實(shí)現(xiàn)合裝，合裝后轉(zhuǎn)移到滾邊模夾具上定位、壓緊，滾邊機(jī)器人持滾邊頭完成滾邊過程，滾邊后的覆蓋件轉(zhuǎn)移到下料臺，典型的機(jī)器人滾邊工作站如圖6所示。

圖6 機(jī)器人滾邊工作站

1.2.1 機(jī)器人

機(jī)器人滾邊工藝過程為機(jī)器人持滾邊頭沿外板折邊線運(yùn)動，外板折邊線為不規(guī)則的曲線，機(jī)器人需要不斷調(diào)整姿態(tài)以適應(yīng)曲線的變化，因此滾邊機(jī)器人一般選擇六關(guān)節(jié)機(jī)器人。

針對不同形式的滾邊頭，機(jī)器人系統(tǒng)所需配備的軟硬件略有不同，本文1.2.3節(jié)提及的普通剛性滾邊頭和普通彈性滾邊頭不需要機(jī)器人系統(tǒng)配置額外的軟硬件，一般應(yīng)用機(jī)器人均可滿足使用要求；氣動伺服調(diào)壓滾邊頭和電動伺服調(diào)壓滾邊頭由于其復(fù)雜的控制回路，需要機(jī)器人系統(tǒng)配備專用的管線包硬件、模擬量模塊以及專用的壓力控制軟件包。

1.2.2 滾邊模夾具

滾邊模夾具由外板定位模具和內(nèi)板定位夾具組成，其作用是保證內(nèi)外板合裝精度。按照合裝的自動化程度滾邊模夾具可分為自動合裝式滾邊模夾具和人工合裝式滾邊模夾具。自動合裝式滾邊模夾具為機(jī)器人完成內(nèi)外板的合裝、滾邊和下料，如圖7所示；人工合裝式滾邊模夾具為人工完成內(nèi)外板合裝和下料，機(jī)器人只進(jìn)行滾邊作業(yè)，如圖8所示。

圖7 自動合裝式滾邊模夾具

圖8 人工合裝式滾邊模夾具

1.2.3 滾邊頭

滾邊頭的形式大體可分為：1）普通剛性滾邊頭；2）普通彈性滾邊頭；3）氣動伺服調(diào)壓滾邊頭；4）電動伺服調(diào)壓滾邊頭。圖9為目前常見的四種滾邊頭。

普通剛性滾邊頭結(jié)構(gòu)簡單，壓力可調(diào)性差；普通彈性滾邊頭通過人為監(jiān)控壓力指針實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)整和控制，壓力可調(diào)性略好；氣動伺服調(diào)壓滾邊頭通過設(shè)置氣動壓力回路，系統(tǒng)自動監(jiān)控并調(diào)整滾邊頭終端輸出壓力，如圖10所示；電動伺服調(diào)壓滾邊頭驅(qū)動形式為伺服電機(jī)，其壓力調(diào)整方式與氣動伺服調(diào)壓滾邊頭原理類似?？烧{(diào)壓式滾邊頭工作時并非完全垂直于壓力檢測部件，調(diào)整后的壓力并非滾頭輸出給板件的壓力，進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時仍需以實(shí)際滾壓效果為調(diào)整依據(jù)。

本文使用的中國汽車工業(yè)工程有限公司自主研發(fā)的普通彈性滾邊頭，如圖11所示。

圖9 國外公司機(jī)器人滾邊頭產(chǎn)品

圖10 氣動伺服調(diào)壓滾邊頭

圖11 自主研發(fā)的機(jī)器人滾邊頭

2 機(jī)器人滾邊虛擬調(diào)試技術(shù)與應(yīng)用

2.1 Tecnomatix虛擬調(diào)試技術(shù)

Tecnomatix軟件是西門子PLM推出的綜合性數(shù)字化制造解決方案，涉及與制造工程相關(guān)的所有學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，包括工藝設(shè)計、工廠布局規(guī)劃和設(shè)計、工藝過程仿真與驗(yàn)證以及制造執(zhí)行系統(tǒng)等，通過對產(chǎn)品、流程、資源和工廠數(shù)據(jù)的綜合分析和統(tǒng)一規(guī)劃，提高了制造過程規(guī)劃的合理性、準(zhǔn)確性。

虛擬調(diào)試是基于Tecnomatix平臺進(jìn)行的不依賴于硬件設(shè)施的調(diào)試過程。虛擬調(diào)試的過程可分為兩個階段：第一階段是設(shè)備級的虛擬調(diào)試，該階段不依賴任何硬件設(shè)施，完成設(shè)備的干涉檢查、工藝邏輯驗(yàn)證和機(jī)器人程序調(diào)試與輸出；第二階段為產(chǎn)線級的虛擬調(diào)試，該階段需引入PLC硬件設(shè)備，使用真實(shí)的PLC硬件設(shè)備和虛擬的機(jī)械設(shè)備完成，其作用是在機(jī)械設(shè)備制造和安裝就緒前完成產(chǎn)線PLC和機(jī)器人程序編寫和調(diào)試，縮短調(diào)試周期，提高調(diào)試效率[1]。

2.2 用戶坐標(biāo)系識別方法

機(jī)器人虛擬調(diào)試建立在虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的完全映射基礎(chǔ)上，虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的映射精確程度決定了離線程序?qū)雽?shí)際機(jī)器人控制器后的精確程度，為實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的映射需要使用精確的用戶坐標(biāo)系識別方法，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試環(huán)境坐標(biāo)系與現(xiàn)實(shí)環(huán)境坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。各大機(jī)器人廠家均提供了間接測量用戶坐標(biāo)系的方法，其原理如圖12所示，通過得到P1、P2、P3、P4四個點(diǎn)分別在機(jī)器人坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系內(nèi)的位置坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)用戶坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系內(nèi)的位置關(guān)系，從而完成用戶坐標(biāo)系的識別。

圖12 用戶坐標(biāo)系識別

如何獲得P1、P2、P3、P4四個點(diǎn)分別在機(jī)器人坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系內(nèi)的位置坐標(biāo)成為用戶坐標(biāo)系識別的關(guān)鍵，位置坐標(biāo)的獲得有兩種方法：第一種方法是在設(shè)備上設(shè)置四個測量點(diǎn)，通過機(jī)器人的已知TCP去測量這四個點(diǎn)的位置；第二種方法是利用三維坐標(biāo)測量手段，利用三維坐標(biāo)測量儀通過測量設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)建立用戶坐標(biāo)系，在用戶坐標(biāo)系下測量機(jī)器人已知TCP的4個位置。兩種方法均可實(shí)現(xiàn)用戶坐標(biāo)系的識別，比較而言，第二種方法更加精確、快捷。

2.3 機(jī)器人滾邊虛擬調(diào)試工程應(yīng)用

機(jī)器人滾邊虛擬調(diào)試可分為連續(xù)滾邊軌跡提取及離散化、虛擬示教與調(diào)試、在線示教與調(diào)試三個步驟。

2.3.1 連續(xù)滾邊軌跡提取及離散化

機(jī)器人滾邊軌跡是沿外板折邊線提取的連續(xù)曲線，機(jī)器人軌跡為離散的點(diǎn)，因此首先提取出折邊線連續(xù)軌跡，如圖13所示。提取連續(xù)軌跡后將其離散化，轉(zhuǎn)化為可以被機(jī)器人識別的離散的點(diǎn)，離散化原則是長曲線離散點(diǎn)間隔30mm，曲率較大的曲線離散點(diǎn)間隔10mm，如圖14所示。離散點(diǎn)間隔越小越能反映折邊線的曲率變化，但是過密的離散點(diǎn)會導(dǎo)致機(jī)器人軌跡點(diǎn)數(shù)量過多，給在線調(diào)試帶來不必要的麻煩。

圖13 折邊線曲線提取

圖14 滾邊軌跡離散化

2.3.2 虛擬示教與調(diào)試

將提取完成的滾邊軌跡以數(shù)據(jù)坐標(biāo)的形式導(dǎo)入Tecnomatix Process Designer中進(jìn)行軌跡與板件的工藝映射，使用Tecnomatix Process Simulate完成軌跡的仿真，設(shè)置機(jī)器人虛擬控制器，如圖15所示。設(shè)定軌跡點(diǎn)的TCP、Base、運(yùn)行速度、動作類型、轉(zhuǎn)彎半徑等運(yùn)行參數(shù)，如圖16所示。進(jìn)行每個軌跡點(diǎn)的位置姿態(tài)示教，如圖17所示。添加必要的信號交互，導(dǎo)出示教完成的程序即完成了機(jī)器人的虛擬示教與調(diào)試。

圖15 設(shè)置機(jī)器人虛擬控制器

圖16 設(shè)定軌跡點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)

圖17 軌跡點(diǎn)位置姿態(tài)示教

2.3.3 在線示教與調(diào)試

將導(dǎo)出的機(jī)器人程序?qū)胝鎸?shí)的機(jī)器人控制器中，使用2.2節(jié)中提及的第二種方法進(jìn)行用戶坐標(biāo)系的識別，即可驗(yàn)證虛擬調(diào)試程序的準(zhǔn)確性和可靠性，以本文提及的項(xiàng)目為例：完全由人工示教一套滾邊程序?yàn)?6個小時，而利用虛擬調(diào)試程序示教一套滾邊程序?yàn)?個小時，調(diào)試效率提高了3倍，并且示教軌跡與折邊線貼合度更高，機(jī)器人位姿更合理。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于Tecnomatix的機(jī)器人滾邊虛擬調(diào)試應(yīng)用方法，經(jīng)項(xiàng)目驗(yàn)證，使用虛擬調(diào)試方法可提高調(diào)試效率3倍以上，軌跡與折邊曲線貼合度高，機(jī)器人位姿更合理，目前已在各滾邊項(xiàng)目上大力推廣實(shí)施。

圖18 在線示教與調(diào)試