秦承華,黃蜜,楊黃銳
(東風(fēng)(武漢)實(shí)業(yè)有限公司,湖北武漢 430000)
機(jī)器人焊接技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用越來越成熟,焊接機(jī)器人工作站得到了越來越廣泛的應(yīng)用。汽車零部件制造商投入的機(jī)器人工作站都向柔性化、智能化以及高效化的方向發(fā)展。汽車零部件點(diǎn)焊多以六軸機(jī)器人配焊槍應(yīng)用,其運(yùn)動(dòng)空間大,運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜,后期現(xiàn)場調(diào)試示教工作量大,環(huán)境惡劣,機(jī)器人的可焊性直接影響工作站整體規(guī)劃的可行性,因此對機(jī)器人的焊接運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析對于工作站的布局、焊接設(shè)備的選型、夾具的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。
本文作者論述了利用西門子Process Simulate 軟件對汽車零部件點(diǎn)焊工作站焊接產(chǎn)品進(jìn)行模擬仿真,對工作站的整體規(guī)劃、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍選型以及碰撞干涉等進(jìn)行虛擬三維分析并最終進(jìn)行機(jī)器人離線編程,為柔性點(diǎn)焊工作站提供高效的解決方案。
本項(xiàng)目針對目前在生產(chǎn)的小產(chǎn)能產(chǎn)品ASE-2左&右縱梁補(bǔ)丁板[如圖1(a)]、P24左&右風(fēng)窗支柱[如圖1(b)]、HZH左&右前A柱[如圖1(c)]、TX9左&右弧形里板[如圖1(d)]4種手工焊接產(chǎn)品進(jìn)行改造,共6套夾具集成于柔性點(diǎn)焊自動(dòng)工作站進(jìn)行生產(chǎn)。另外,今后小產(chǎn)量的新能源車型等新產(chǎn)品都可以集成于此工作站中。為提高車間閑置機(jī)器人的利用率,同時(shí)降低成本,項(xiàng)目利用已有FANUC2000ic210f機(jī)器人改造完成。
圖1 本文作者的研究對象
初版方案如圖2所示,F(xiàn)ANUC2000ic210f機(jī)器人以行走的方式進(jìn)行焊接。為保證工作站的柔性化,機(jī)器人配備ATC(Auto Tool Change),可攜帶X型焊槍和C型焊槍進(jìn)行焊接。X型焊槍適用于產(chǎn)品上的水平焊點(diǎn)和焊點(diǎn)法向垂直的焊點(diǎn),C型焊槍則適用于垂直焊點(diǎn)和焊點(diǎn)法向水平的焊點(diǎn)[1]。機(jī)器人在焊接不同類型產(chǎn)品時(shí),可自動(dòng)切換對應(yīng)的焊槍進(jìn)行焊接。工作站設(shè)置6個(gè)工位,可滿足多種產(chǎn)品夾具的切換。
圖2 工作站方案布局
機(jī)器人點(diǎn)焊工作站是以機(jī)器人為核心的智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng),站內(nèi)還包含行走軸、焊槍、修磨器、夾具、安全圍欄、電控柜、線槽等設(shè)備。機(jī)器人攜帶焊槍在焊接過程中運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜,速度快,空間狹小,因此必須對所有設(shè)備進(jìn)行1∶1比例建模,仿真模擬機(jī)器人實(shí)際焊接運(yùn)動(dòng)[2]。虛擬點(diǎn)焊工作站建模流程見圖3,此項(xiàng)目中運(yùn)用NX設(shè)計(jì)夾具、產(chǎn)品其他外圍設(shè)備數(shù)模等。FANUC2000ic210f機(jī)器人數(shù)模由廠家提供,初選普電X焊槍型號PWRS1DX-01308-4524-100、C焊槍型號PWRS5DC00100-3625-80,虛擬仿真工作站如圖4所示。
圖3 建模流程
圖4 虛擬工作站
2.3.1 機(jī)器人布局優(yōu)化
機(jī)器人工作站的布局是工作站設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié),一旦確定后期將無法更改。在仿真環(huán)境中,可以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)機(jī)器人的各種姿態(tài),精確驗(yàn)證每一個(gè)焊點(diǎn)的可焊性,規(guī)避后期安裝調(diào)試過程中出現(xiàn)焊點(diǎn)不可達(dá)的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人帶第七軸可進(jìn)行長距離的行走,可達(dá)范圍廣,工作站柔性化程度高。一般產(chǎn)品所有焊點(diǎn)都在機(jī)器人工作范圍內(nèi),但會(huì)有很多焊點(diǎn)在焊接過程中存在奇異姿態(tài),同時(shí)為了保證節(jié)拍,減少機(jī)器人在作業(yè)過程中停留位置以及多姿態(tài)切換情況,可以利用Process Simulate中Smart Place模塊進(jìn)行布局的分析與優(yōu)化[3]。Smart Place功能可以根據(jù)機(jī)器人作業(yè)點(diǎn)包括焊點(diǎn)、修磨點(diǎn)、工具切換點(diǎn)的位置,計(jì)算出滿足條件機(jī)器人原點(diǎn)所在位置。如圖5(a)(b)所示,在選擇P24左、右風(fēng)窗支柱焊點(diǎn)和HZH左、右A柱焊點(diǎn)以及換槍點(diǎn)后,Smart Place模塊計(jì)算出黑色點(diǎn)為滿足要求的原點(diǎn)位置,灰色點(diǎn)則是不可達(dá)位置,以此調(diào)整機(jī)器人位置來進(jìn)行布局的調(diào)整與優(yōu)化。經(jīng)過布局優(yōu)化后,機(jī)器人生產(chǎn)每一種產(chǎn)品都只需固定在一個(gè)位置進(jìn)行作業(yè),有效提高生產(chǎn)節(jié)拍,同時(shí)也提高行走軸的使用壽命。
2.3.2 仿真運(yùn)行分析
機(jī)器人焊接作業(yè)過程中,焊槍會(huì)高速進(jìn)出夾具狹小的空間,仿真技術(shù)可提前進(jìn)行干涉分析,檢查焊槍和夾具設(shè)計(jì)缺陷,及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更保證設(shè)備的可行性。Process Simulate軟件中,利用Collision功能將所需檢測的焊槍(不包含電極帽)、產(chǎn)品和夾具添加到 Collision tree中[如圖6(a)],同時(shí)設(shè)定運(yùn)動(dòng)過程中報(bào)警最小距離和碰撞檢測顏色,報(bào)警最大距離3 mm顯示淺灰色,碰撞顯示深灰色,如圖6(b)所示。Collision功能可以動(dòng)態(tài)檢測機(jī)器人所有運(yùn)動(dòng)點(diǎn)中可能存在的碰撞風(fēng)險(xiǎn),如圖7為焊槍與產(chǎn)品和夾具干涉的焊點(diǎn),干涉點(diǎn)1為焊槍與產(chǎn)品最大距離1.44 mm,需對焊槍電極桿尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);干涉點(diǎn)2與夾具銷座最大距離1.79 mm,它由夾具設(shè)計(jì)存在缺陷導(dǎo)致,可以通過優(yōu)化焊槍姿態(tài)和修改夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行解決。
圖5 利用Smart Place功能進(jìn)行布局優(yōu)化
圖6 利用Collision功能進(jìn)行碰撞檢測設(shè)置
圖7 干涉檢查
2.3.3 機(jī)器人焊接路徑優(yōu)化與離線編程
機(jī)器人在焊接過程中需要避開設(shè)備干涉進(jìn)行運(yùn)動(dòng),因此機(jī)器人的路徑規(guī)劃對生產(chǎn)節(jié)拍有重大的影響。點(diǎn)焊機(jī)器人的路徑包含焊點(diǎn)和過渡點(diǎn),焊點(diǎn)的姿態(tài)和焊接順序直接影響過渡點(diǎn)的軌跡,因此相同焊接姿態(tài)的焊點(diǎn)需排在一起焊接,如圖8所示。過渡點(diǎn)是機(jī)器人在焊接過程中從一個(gè)焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)焊點(diǎn),為了避開干涉而設(shè)置的過程點(diǎn)。在Process Simulate中,利用Path Editor功能,可在焊點(diǎn)前后添加進(jìn)槍點(diǎn)和退槍點(diǎn)如圖9所示,使焊槍以最優(yōu)姿態(tài)避干涉,優(yōu)化機(jī)器人路徑。
Process Simulate中,對優(yōu)化后的機(jī)器人路徑可以通過離線示教編程,獲得機(jī)器人離線程序。機(jī)器人離線編程技術(shù)作為焊接工作站開發(fā)的革新技術(shù),相比在線編程而言,它能夠極大縮短后期現(xiàn)場調(diào)試周期和提前預(yù)測生產(chǎn)節(jié)拍,減少現(xiàn)場調(diào)試人員安全風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失[4-5]。Process Simulate中對于已經(jīng)優(yōu)化好的機(jī)器人路徑,先選取UT為焊槍靜電極頭上坐標(biāo),選取UF為機(jī)器人的原點(diǎn)坐標(biāo)系,如圖10所示。UT和UF選定后,再對每個(gè)點(diǎn)設(shè)置焊接規(guī)范和運(yùn)動(dòng)參數(shù),包括速度、精度。焊接規(guī)范和運(yùn)動(dòng)參數(shù)是影響焊接節(jié)拍的關(guān)鍵因素[6]。參數(shù)設(shè)定完成后對機(jī)器人路徑進(jìn)行自動(dòng)示教,獲得*.ls格式的離線程序,如圖11所示,再將其轉(zhuǎn)換成機(jī)器人示教器識(shí)別的*.tp程序后,調(diào)整格式后即可下載到FANUC機(jī)器人示教器中運(yùn)行使用。在現(xiàn)場使用過程中,由于設(shè)備安裝、夾具加工制造都會(huì)產(chǎn)生誤差,會(huì)導(dǎo)致離線程序存在一定的偏差,因此在現(xiàn)場使用過程中還需進(jìn)行微量的偏移調(diào)整??偟膩碚f,利用Process Simulate的離線編程技術(shù)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),可以很有效地減少現(xiàn)場機(jī)器人調(diào)試時(shí)間,提高生產(chǎn)效率和工藝質(zhì)量。
圖8 焊接時(shí)序示意
圖9 焊接路徑中退槍點(diǎn)與進(jìn)槍點(diǎn)示意
圖10 坐標(biāo)選取
圖11 離線程序
本文作者利用Process Simulate仿真平臺(tái),在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對柔性焊接工作站的布局規(guī)劃與工藝優(yōu)化,焊槍選型和夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)保證機(jī)器人實(shí)際作業(yè)中的高效性和可行性,提前解決焊接作業(yè)過程中干涉碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。仿真分析過程中進(jìn)行機(jī)器人路徑的優(yōu)化與離線編程,指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)試,縮短項(xiàng)目周期,為汽車自動(dòng)化焊接柔性工作站的開發(fā)提供了參考。