摘?要：焊接離線編程與仿真模擬功能可以通過(guò)通用仿真軟件或與機(jī)器人配套專用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其原理就是在軟件環(huán)境將機(jī)器人、焊槍系統(tǒng)、焊接變位機(jī)、焊接夾具、輸送線等三維數(shù)模按照實(shí)際產(chǎn)線layout進(jìn)行布置，通過(guò)軟件相關(guān)指令處理最后生成機(jī)器人本體可識(shí)別的代碼。從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人按照規(guī)劃的姿態(tài)和路徑進(jìn)行動(dòng)作，并能生成三維仿真動(dòng)畫。以汽車焊裝為例，采用焊接仿真工具軟件既可以獲得離線程序，又可以準(zhǔn)確的評(píng)估焊裝生產(chǎn)線的節(jié)拍、焊裝夾具、焊槍結(jié)構(gòu)的合理性。為后期焊裝生產(chǎn)線工藝方案的改善和優(yōu)化提供分析數(shù)據(jù)，從而可以避免因工藝方案錯(cuò)誤而造成損失，同時(shí)也縮短焊裝工藝開(kāi)發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)汽車焊裝工藝設(shè)計(jì)的數(shù)字化。本文第一部分介紹機(jī)器人焊接仿真在汽車焊裝中應(yīng)用的研究背景、目的及意義;第二部分為汽車焊裝工業(yè)機(jī)器人相關(guān)概念的界定;第三部分分析了機(jī)器人焊接仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì);第四部分探討了機(jī)器人焊接仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用，旨在為機(jī)器人汽車焊裝實(shí)踐應(yīng)用與推廣提供一些參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;離線編程;仿真;汽車焊裝;數(shù)字化

在5G互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、AI技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等支持下，機(jī)器人焊接離線編程與仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用開(kāi)啟了汽車制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路。研究機(jī)器人焊接仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用對(duì)促進(jìn)我國(guó)汽車行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展和提升國(guó)內(nèi)汽車制造行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的意義。

一、研究背景、目的及意義

在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，汽車制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。目前，國(guó)內(nèi)的汽車市場(chǎng)中國(guó)民族品牌的汽車占有率僅為50%，其余50%被國(guó)外汽車品牌、中外合資品牌搶占。近幾年，國(guó)內(nèi)中國(guó)民族品牌的汽車占有率出現(xiàn)了下降趨勢(shì)。由于國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)及全球汽車市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的市場(chǎng)考驗(yàn)，迫切需要產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)。根據(jù)當(dāng)前汽車制造行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，未來(lái)我國(guó)汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型標(biāo)志就是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)及管理。即要求汽車制造企業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。機(jī)器人焊接離線編程與仿真技術(shù)作為智能制造技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用的代表，能夠通過(guò)虛擬仿真分析獲得汽車焊裝工藝流程的重要信息，用于實(shí)際焊裝工藝優(yōu)化。這種基于機(jī)器人焊接離線編程與仿真技術(shù)獲取的信息，能夠直觀、準(zhǔn)確、高效、實(shí)時(shí)的檢測(cè)機(jī)器人的TCP是否與待焊工件或焊接夾具干涉以及該工序生產(chǎn)節(jié)拍，為后續(xù)產(chǎn)品、焊接夾具的結(jié)構(gòu)調(diào)整和焊裝線設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)，從而通過(guò)機(jī)器人焊接離線與仿真消除了焊裝工藝設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題。確保機(jī)器人更加精準(zhǔn)的完成汽車焊裝線的工作。因機(jī)器人焊接仿真技術(shù)能夠快速推動(dòng)汽車焊裝生產(chǎn)的全自動(dòng)化，汽車生產(chǎn)線數(shù)字化的轉(zhuǎn)型，而未來(lái)10年內(nèi)汽車全自動(dòng)化、數(shù)字化生產(chǎn)水平的高低將成汽車制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力重要衡量指標(biāo)?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)民族汽車品牌企業(yè)正面臨著結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的困境。通過(guò)研究該課題，旨在為民族品牌汽車企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)及國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展提供一些意見(jiàn)。該課題的研究對(duì)汽車制造企業(yè)進(jìn)一步加深對(duì)焊接離線編程與仿真技術(shù)應(yīng)用的研究有著重要的意義。

二、概念界定

（一）工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人指具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。工業(yè)機(jī)器人發(fā)展至今，根據(jù)技術(shù)可劃分為第一代、第二代、第三代，依次為示教再現(xiàn)型機(jī)器人、初步智能機(jī)器人、智能機(jī)器人。示教再現(xiàn)型機(jī)器人具有記憶能力，它是目前工業(yè)中使用最為廣泛的一類機(jī)器人。因其工作質(zhì)量受操作人員技術(shù)影響較大，缺點(diǎn)是會(huì)存在操作質(zhì)量參差不齊的問(wèn)題。初步智能機(jī)器人能夠借助各類傳感器感知外部環(huán)境，并將感知的信息反饋給機(jī)器人.例如：弧焊機(jī)器人通過(guò)接觸傳感進(jìn)行起止點(diǎn)的尋位;利用電弧跟蹤、激光傳感器、視覺(jué)傳感器對(duì)焊縫實(shí)施跟蹤。相對(duì)第一代工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化程度更高，操作精準(zhǔn)度也更高。智能機(jī)器人現(xiàn)階段還處于初步的研究階段，并未在工業(yè)制造中進(jìn)行應(yīng)用。它也是下一階段工業(yè)制造應(yīng)用研究的目標(biāo)，相對(duì)于第二代工業(yè)機(jī)器人，智能機(jī)器人需要改變初步智能機(jī)器人對(duì)工業(yè)流水線的適應(yīng)性、學(xué)習(xí)及決策等功能，相當(dāng)于賦予了工業(yè)機(jī)器人人腦的功能。因此，它應(yīng)該具有高度的適應(yīng)性，以及自主學(xué)習(xí)、推理、決策等功能。

（二）機(jī)器人建模與仿真

汽車焊裝生產(chǎn)線使用的機(jī)器人基本上都是關(guān)節(jié)機(jī)器人，一般是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的6軸關(guān)節(jié)式操作機(jī)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。仿真時(shí)可以在軟件的資源庫(kù)中直接調(diào)用機(jī)器人模型，如果資源庫(kù)中不存在實(shí)際使用的機(jī)器人型號(hào)時(shí)可以聯(lián)系機(jī)器人廠家提供模型。以汽車焊裝為例，采用Tecnomatix數(shù)字仿真工具對(duì)汽車焊裝的工藝流程進(jìn)行建模及仿真分析，幫助汽車制造企業(yè)對(duì)制造流程的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，從而通過(guò)仿真分析結(jié)果調(diào)整焊裝工藝，以實(shí)現(xiàn)縮短作業(yè)時(shí)間、提高工藝水平和降低制造成本的目的。Tecnomatix分為ProcessDesigner（PD）和ProcessSimulate（PS）兩個(gè)軟件模塊，汽車焊裝的生產(chǎn)工藝主要通過(guò)PD模塊的應(yīng)用完成。PS在汽車焊裝中應(yīng)用時(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、檢查驗(yàn)證、調(diào)整優(yōu)化的仿真分析流程如下圖所示。

（三）焊接仿真

焊接仿真可以通過(guò)Robcad軟件完成。Robcad軟件是一款用于工作單元仿真的工具，也具有開(kāi)發(fā)、仿真、優(yōu)化、驗(yàn)證、離線設(shè)計(jì)多設(shè)備機(jī)器人及自動(dòng)制造流程功能。它還能夠創(chuàng)建三維立體環(huán)境，并對(duì)整個(gè)制造單元和系統(tǒng)進(jìn)行完全可動(dòng)的數(shù)字樣機(jī)的構(gòu)建，并為流程優(yōu)化及計(jì)算開(kāi)發(fā)時(shí)間表各階段的周期時(shí)間提供一個(gè)平臺(tái)。先通過(guò)Robcad軟件進(jìn)行文件導(dǎo)入，然后用Kinematics為3D模型添加機(jī)械動(dòng)作，再創(chuàng)建Cell文件，生成焊接軌跡，最后完成焊接標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序（SOP）流程的制作。

1.文件導(dǎo)入

Robcad軟件有ce和co兩種數(shù)據(jù)形式。文件導(dǎo)入時(shí)要根據(jù)預(yù)覽圖進(jìn)行手動(dòng)添加。ce數(shù)據(jù)只包含裝配信息，co數(shù)據(jù)包含三維數(shù)據(jù)。根據(jù)SOP流程制作的需求選擇導(dǎo)入文件的數(shù)據(jù)格式，并依次設(shè)置project文件路徑和library路徑。

Robcad文件導(dǎo)入的步驟參考如下：打開(kāi)AutoCAD目標(biāo)文件→選擇“另存為”→更改保存類型為DXF后保存→點(diǎn)擊Data的CADImport選取要轉(zhuǎn)換的文件及其對(duì)應(yīng)類型→將Import轉(zhuǎn)換為co文件。

2.添加機(jī)械動(dòng)作

通過(guò)Kinematics添加機(jī)械動(dòng)作的步驟參考如下：點(diǎn)擊Robcad→點(diǎn)擊project存放co文件的文件夾→點(diǎn)擊Robcad中的Modeling下的Files下的Open打開(kāi)轉(zhuǎn)換好的co文件→點(diǎn)擊Open下的Independent，在component欄目中選擇需要編輯的3D模型導(dǎo)入→點(diǎn)擊Kinematics下的Link部分的Creat來(lái)建立連接，連接模型固定部分→重復(fù)選擇模型的固定，連接模型動(dòng)作部分的組建（一般需要通過(guò)選擇三次來(lái)完成模型的固定。第一次選擇主體，選擇固定不動(dòng)的部分;第二次選擇上極;第三次選擇下級(jí)）→點(diǎn)擊Kinematics下的Axis及模型上動(dòng)作軸的兩側(cè)，作為Axis線的第一點(diǎn)和第二點(diǎn)，建立模型的關(guān)節(jié)軸→聯(lián)系模型固定部分、動(dòng)作部分及關(guān)節(jié)軸→點(diǎn)擊Accept完成制作→給夾爪氣缸模型設(shè)置開(kāi)合狀態(tài)。夾爪的開(kāi)合狀態(tài)包括ope、close、hone三種。

3.創(chuàng)建Cell及焊接平臺(tái)

生成焊接軌跡的步驟參考如下：新建Cell文件名→導(dǎo)入項(xiàng)目需要的CO文件庫(kù)源，并自定義導(dǎo)入模型資料→使用PlacementEditor功能移動(dòng)工作區(qū)間內(nèi)的模型位置，并按照LAYOUT布局資料將模型準(zhǔn)確放入工作空間內(nèi)→安裝焊槍→焊接平臺(tái)搭建完成。

4.生成焊接軌跡

生成焊接軌跡的方式有兩種：（1）通過(guò)外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入生成焊接軌跡。該方法以3D軟件中待焊接產(chǎn)品坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，生成焊接路徑，導(dǎo)出焊接點(diǎn)位信息。再對(duì)點(diǎn)位信息通過(guò)微調(diào)后確定精準(zhǔn)的X/Y/Z/點(diǎn)位數(shù)據(jù)，在項(xiàng)目目錄下建立文本文檔保存文件數(shù)據(jù)。將軌跡信息直接導(dǎo)入Robcad軟件專案中，生成焊接軌跡。（2）在Robcad軟件中手動(dòng)創(chuàng)建焊接軌跡。選擇PathEditor增加路徑，生產(chǎn)軌跡所需點(diǎn)位，確定并生產(chǎn)路徑。通過(guò)調(diào)整焊點(diǎn)方向來(lái)找位置，并生成過(guò)渡點(diǎn)。在Path路徑中增加過(guò)渡點(diǎn)。最后選擇Motion欄中機(jī)器人和焊接軌跡并電機(jī)，確定觀看焊接動(dòng)作，生成焊接軌跡。

5.完成SOP流程的制作

點(diǎn)擊Robcad軟件菜單，下拉菜單點(diǎn)擊Workcell選項(xiàng)，再點(diǎn)擊Sop，彈出Sequence命令后新建SOP的名稱，輸入新建名稱Operation后選擇Type類型設(shè)置Robot，點(diǎn)擊其屬性框的輸入框選擇機(jī)器人，選擇規(guī)劃好的焊接軌跡，最后點(diǎn)擊Accept，即可完成單個(gè)機(jī)器人焊接動(dòng)作。單個(gè)SOP制定成功后，繼續(xù)制造工裝夾爪的開(kāi)合動(dòng)作，依次規(guī)劃動(dòng)作時(shí)序就完成SOP流程的制作。

三、機(jī)器人焊接離線編程與仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）確認(rèn)及反饋機(jī)器人操作范圍與焊槍角度的優(yōu)勢(shì)

機(jī)器人焊接仿真分析應(yīng)用于復(fù)雜的焊接工件時(shí)，通過(guò)模型模擬及仿真分析驗(yàn)證焊接動(dòng)作，反復(fù)地確認(rèn)機(jī)器人的操作范圍及焊槍角度，并提供反饋。它的好處在于通過(guò)建模仿真分析來(lái)對(duì)機(jī)器人焊接軌跡及焊接動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，從而降低汽車焊裝線上機(jī)器人操作的失誤率。

（二）機(jī)器人節(jié)拍計(jì)算及協(xié)調(diào)模擬的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)仿真分析，可以取得更加精準(zhǔn)的作業(yè)節(jié)拍，并驗(yàn)證機(jī)器人焊接動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。為工藝設(shè)計(jì)者盡早制定明智的決策可供依據(jù)，從而提高了加工效率和加工的靈活性。同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，降低了風(fēng)險(xiǎn)，提高了企業(yè)的收益。

（三）離線編程的優(yōu)勢(shì)

通常來(lái)講，機(jī)器人編程可分為示教在線編程和離線編程。示教在線編程過(guò)程煩瑣、效率低。精度完全是靠示教者的目測(cè)決定，而且對(duì)于復(fù)雜的路徑示教在線編程難以取得令人滿意的效果。但是工業(yè)機(jī)器人離線編程就完全不同了，能夠減少機(jī)器人的停機(jī)時(shí)間，當(dāng)對(duì)下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機(jī)器人仍可在生產(chǎn)線上進(jìn)行工作，使工作人員遠(yuǎn)離了危險(xiǎn)的工作環(huán)境，而且適用范圍廣，可對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行編程，并能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編程。

四、機(jī)器人焊接仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用

（一）在汽車減震器焊接中的應(yīng)用

機(jī)器人焊接仿真應(yīng)用于汽車減振器焊接時(shí)，可選定雙機(jī)器人、雙工位型進(jìn)行焊接布局，實(shí)施交替作業(yè)。這種作業(yè)方式，雙工位實(shí)際上為三軸變位機(jī)，該機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，可靠性更高，系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。在應(yīng)用雙機(jī)器人焊接仿真分析時(shí)，需要結(jié)合顧客需求、焊縫位置、工件產(chǎn)量及質(zhì)量等進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)，通過(guò)建模仿真分析設(shè)計(jì)多套方案，并選擇最優(yōu)的方案及其焊接工藝。如在對(duì)T50型減震器和334型減震器吊耳焊接時(shí)，考慮到兩種減震器外筒直徑差異較大的情況下，一個(gè)工位采用銷軸定位法重構(gòu)吊耳焊接夾具，另一個(gè)工作進(jìn)行焊接作業(yè)。焊接334減震器外筒和吊耳時(shí)，一個(gè)工位采用變換定位桿件并調(diào)節(jié)夾緊位置和方向?qū)讣M(jìn)行夾緊處理，另一個(gè)工作進(jìn)行焊接。雙機(jī)器人雙工位的方式在外筒直徑不同的減震器焊接中的應(yīng)用可以改變依靠更換基座夾緊后再焊接的方式。這種通過(guò)交替焊接布局與作業(yè)，兩個(gè)工作同時(shí)進(jìn)行，可以有效地提高焊接的效率和精準(zhǔn)性。

（二）在車門焊接中的應(yīng)用

機(jī)器人焊接仿真應(yīng)用于車門焊接時(shí)，可以采用PS對(duì)某車型車門焊接工藝流程進(jìn)行建模及仿真分析，并制定SOP工藝流程。在焊槍的安裝和選擇上，可根據(jù)車門焊接狀態(tài)選擇運(yùn)動(dòng)方式。通過(guò)定義焊件工具坐標(biāo)原點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍的安裝。激活焊槍后自定義機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的活動(dòng)范圍和焊槍角度。將電極頭的中心點(diǎn)設(shè)置為焊槍工具的坐標(biāo)原點(diǎn)，并根據(jù)車門車型情況調(diào)整坐標(biāo)原點(diǎn)的方向和位置，確定焊槍軌跡與車門車型一一對(duì)應(yīng)時(shí)，保存狀態(tài)數(shù)據(jù)。最后將焊槍工具的坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)器人坐標(biāo)原點(diǎn)相接，通過(guò)“Alt+G”測(cè)試，點(diǎn)擊MountTool命令將焊槍和機(jī)器人連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)焊槍的控制。此時(shí)，焊槍就會(huì)隨著編程好的機(jī)器人SOP程序發(fā)生運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)。

（三）在白車身焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用

白車身焊裝生產(chǎn)的綜合性強(qiáng)、難度大。將機(jī)器人焊接仿真分析技術(shù)應(yīng)用于白車身裝焊生產(chǎn)時(shí)，可以通過(guò)建模、仿真分析來(lái)分析主拼夾具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)白車身裝焊夾具進(jìn)行全方位的裝焊設(shè)計(jì)和焊接工藝的調(diào)整和優(yōu)化。先根據(jù)車身結(jié)構(gòu)及夾具結(jié)構(gòu)仿真分析，調(diào)整和改變白車身具側(cè)圍整體的夾具形式和點(diǎn)位，通過(guò)夾具點(diǎn)位坐標(biāo)確定夾爪的范圍和夾具的角度。以B柱為界，將白車身裝焊夾具分為前后左右四個(gè)網(wǎng)格式夾具形式。通過(guò)安裝在地板上的夾具上的8個(gè)定位鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)工業(yè)機(jī)器人夾爪的單個(gè)動(dòng)作進(jìn)行制作，再制作SOP，并對(duì)機(jī)器人抓舉動(dòng)作做裝配定位和鎖緊，形成緊繞白車身的剛體。工業(yè)機(jī)器人在完成自動(dòng)裝配后松開(kāi)夾具，并按照預(yù)先編程和優(yōu)化過(guò)的SOP流程完成各焊接點(diǎn)位的焊接。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)器人焊接離線與仿真技術(shù)在汽車焊裝中的應(yīng)用，提升汽車焊裝質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)汽車制造數(shù)字化。同時(shí)也是汽車焊裝技術(shù)發(fā)展的一次飛躍。相較于傳統(tǒng)的自動(dòng)化焊接技術(shù)，機(jī)器人仿真焊接能夠通過(guò)汽車焊裝建模與仿真分析，增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)汽車焊裝作業(yè)的適應(yīng)性。隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車焊裝流水線上機(jī)器人將具備感知外界的反饋能力，具備自主學(xué)習(xí)、推理、決策等功能。因此，在保證汽車自動(dòng)化焊裝效率的同時(shí)，還能有效地提升汽車焊裝質(zhì)量。未來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)器人焊接仿真技術(shù)水平的發(fā)展，汽車焊裝的智能化水平將會(huì)得到進(jìn)一步提升。屆時(shí)，將為中國(guó)汽車制造提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障，推動(dòng)中國(guó)汽車從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：鄧國(guó)輝（1981—?），男，漢族，黑龍江綏化人，本科，初級(jí)，研究方向：焊接自動(dòng)化、焊接應(yīng)力與變形。