摘?要：焊接離線編程與仿真模擬功能可以通過通用仿真軟件或與機器人配套專用軟件來實現(xiàn)。其原理就是在軟件環(huán)境將機器人、焊槍系統(tǒng)、焊接變位機、焊接夾具、輸送線等三維數(shù)模按照實際產(chǎn)線layout進(jìn)行布置，通過軟件相關(guān)指令處理最后生成機器人本體可識別的代碼。從而驅(qū)動機器人按照規(guī)劃的姿態(tài)和路徑進(jìn)行動作，并能生成三維仿真動畫。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誤而造成損失，同時也縮短焊裝工藝開發(fā)周期，實現(xiàn)汽車焊裝工藝設(shè)計的數(shù)字化。本文第一部分介紹機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)機器人相關(guān)概念的界定;第三部分分析了機器人焊接仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用優(yōu)勢;第四部分探討了機器人焊接仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用，旨在為機器人汽車焊裝實踐應(yīng)用與推廣提供一些參考。

關(guān)鍵詞：機器人;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)、計算機技術(shù)等支持下，機器人焊接離線編程與仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用開啟了汽車制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路。研究機器人焊接仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用對促進(jìn)我國汽車行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展和提升國內(nèi)汽車制造行業(yè)的國際競爭力有著重要的意義。

一、研究背景、目的及意義

在經(jīng)濟全球化背景下，汽車制造行業(yè)的競爭愈演愈烈。目前，國內(nèi)的汽車市場中國民族品牌的汽車占有率僅為50%，其余50%被國外汽車品牌、中外合資品牌搶占。近幾年，國內(nèi)中國民族品牌的汽車占有率出現(xiàn)了下降趨勢。由于國內(nèi)汽車市場及全球汽車市場的激烈競爭，現(xiàn)階段國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的市場考驗，迫切需要產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級。根據(jù)當(dāng)前汽車制造行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，未來我國汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型標(biāo)志就是實現(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。機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，能夠通過虛擬仿真分析獲得汽車焊裝工藝流程的重要信息，用于實際焊裝工藝優(yōu)化。這種基于機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、實時的檢測機器人的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)計提供了重要的依據(jù)，從而通過機器人焊接離線與仿真消除了焊裝工藝設(shè)計存在的問題。確保機器人更加精準(zhǔn)的完成汽車焊裝線的工作。因機器人焊接仿真技術(shù)能夠快速推動汽車焊裝生產(chǎn)的全自動化，汽車生產(chǎn)線數(shù)字化的轉(zhuǎn)型，而未來10年內(nèi)汽車全自動化、數(shù)字化生產(chǎn)水平的高低將成汽車制造企業(yè)競爭力重要衡量指標(biāo)。現(xiàn)階段，國內(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)型升級及國內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展提供一些意見。該課題的研究對汽車制造企業(yè)進(jìn)一步加深對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)機器人

工業(yè)機器人指具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機。工業(yè)機器人發(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)型機器人、初步智能機器人、智能機器人。示教再現(xiàn)型機器人具有記憶能力，它是目前工業(yè)中使用最為廣泛的一類機器人。因其工作質(zhì)量受操作人員技術(shù)影響較大，缺點是會存在操作質(zhì)量參差不齊的問題。初步智能機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器人.例如：弧焊機器人通過接觸傳感進(jìn)行起止點的尋位;利用電弧跟蹤、激光傳感器、視覺傳感器對焊縫實施跟蹤。相對第一代工業(yè)機器人的自動化程度更高，操作精準(zhǔn)度也更高。智能機器人現(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)，相對于第二代工業(yè)機器人，智能機器人需要改變初步智能機器人對工業(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）機器人建模與仿真

汽車焊裝生產(chǎn)線使用的機器人基本上都是關(guān)節(jié)機器人，一般是伺服電機驅(qū)動的6軸關(guān)節(jié)式操作機，它由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。仿真時可以在軟件的資源庫中直接調(diào)用機器人模型，如果資源庫中不存在實際使用的機器人型號時可以聯(lián)系機器人廠家提供模型。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)對制造流程的設(shè)計進(jìn)行驗證，從而通過仿真分析結(jié)果調(diào)整焊裝工藝，以實現(xiàn)縮短作業(yè)時間、提高工藝水平和降低制造成本的目的。Tecnomatix分為ProcessDesigner（PD）和ProcessSimulate（PS）兩個軟件模塊，汽車焊裝的生產(chǎn)工藝主要通過PD模塊的應(yīng)用完成。PS在汽車焊裝中應(yīng)用時產(chǎn)品設(shè)計、檢查驗證、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，也具有開發(fā)、仿真、優(yōu)化、驗證、離線設(shè)計多設(shè)備機器人及自動制造流程功能。它還能夠創(chuàng)建三維立體環(huán)境，并對整個制造單元和系統(tǒng)進(jìn)行完全可動的數(shù)字樣機的構(gòu)建，并為流程優(yōu)化及計算開發(fā)時間表各階段的周期時間提供一個平臺。先通過Robcad軟件進(jìn)行文件導(dǎo)入，然后用Kinematics為3D模型添加機械動作，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)入時要根據(jù)預(yù)覽圖進(jìn)行手動添加。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AutoCAD目標(biāo)文件→選擇“另存為”→更改保存類型為DXF后保存→點擊Data的CADImport選取要轉(zhuǎn)換的文件及其對應(yīng)類型→將Import轉(zhuǎn)換為co文件。

2.添加機械動作

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

3.創(chuàng)建Cell及焊接平臺

生成焊接軌跡的步驟參考如下：新建Cell文件名→導(dǎo)入項目需要的CO文件庫源，并自定義導(dǎo)入模型資料→使用PlacementEditor功能移動工作區(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)出焊接點位信息。再對點位信息通過微調(diào)后確定精準(zhǔn)的X/Y/Z/點位數(shù)據(jù)，在項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軟件中手動創(chuàng)建焊接軌跡。選擇PathEditor增加路徑，生產(chǎn)軌跡所需點位，確定并生產(chǎn)路徑。通過調(diào)整焊點方向來找位置，并生成過渡點。在Path路徑中增加過渡點。最后選擇Motion欄中機器人和焊接軌跡并電機，確定觀看焊接動作，生成焊接軌跡。

5.完成SOP流程的制作

點擊Robcad軟件菜單，下拉菜單點擊Workcell選項，再點擊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，點擊其屬性框的輸入框選擇機器人，選擇規(guī)劃好的焊接軌跡，最后點擊Accept，即可完成單個機器人焊接動作。單個SOP制定成功后，繼續(xù)制造工裝夾爪的開合動作，依次規(guī)劃動作時序就完成SOP流程的制作。

三、機器人焊接離線編程與仿真在汽車焊裝中的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）確認(rèn)及反饋機器人操作范圍與焊槍角度的優(yōu)勢

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

（二）機器人節(jié)拍計算及協(xié)調(diào)模擬的優(yōu)勢

通過仿真分析，可以取得更加精準(zhǔn)的作業(yè)節(jié)拍，并驗證機器人焊接動作的協(xié)調(diào)性。為工藝設(shè)計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。同時降低了生產(chǎn)成本，降低了風(fēng)險，提高了企業(yè)的收益。

（三）離線編程的優(yōu)勢

通常來講，機器人編程可分為示教在線編程和離線編程。示教在線編程過程煩瑣、效率低。精度完全是靠示教者的目測決定，而且對于復(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)機器人離線編程就完全不同了，能夠減少機器人的停機時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進(jìn)行編程時，機器人仍可在生產(chǎn)線上進(jìn)行工作，使工作人員遠(yuǎn)離了危險的工作環(huán)境，而且適用范圍廣，可對各種機器人進(jìn)行編程，并能方便地實現(xiàn)優(yōu)化編程。

四、機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

機器人焊接仿真應(yīng)用于汽車減振器焊接時，可選定雙機器人、雙工位型進(jìn)行焊接布局，實施交替作業(yè)。這種作業(yè)方式，雙工位實際上為三軸變位機，該機構(gòu)及系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，可靠性更高，系統(tǒng)運行更加安全。在應(yīng)用雙機器人焊接仿真分析時，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，通過建模仿真分析設(shè)計多套方案，并選擇最優(yōu)的方案及其焊接工藝。如在對T50型減震器和334型減震器吊耳焊接時，考慮到兩種減震器外筒直徑差異較大的情況下，一個工位采用銷軸定位法重構(gòu)吊耳焊接夾具，另一個工作進(jìn)行焊接作業(yè)。焊接334減震器外筒和吊耳時，一個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，另一個工作進(jìn)行焊接。雙機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。這種通過交替焊接布局與作業(yè)，兩個工作同時進(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

機器人焊接仿真應(yīng)用于車門焊接時，可以采用PS對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)選擇運動方式。通過定義焊件工具坐標(biāo)原點來實現(xiàn)對焊槍的安裝。激活焊槍后自定義機器人關(guān)節(jié)軸的活動范圍和焊槍角度。將電極頭的中心點設(shè)置為焊槍工具的坐標(biāo)原點，并根據(jù)車門車型情況調(diào)整坐標(biāo)原點的方向和位置，確定焊槍軌跡與車門車型一一對應(yīng)時，保存狀態(tài)數(shù)據(jù)。最后將焊槍工具的坐標(biāo)原點與機器人坐標(biāo)原點相接，通過“Alt+G”測試，點擊MountTool命令將焊槍和機器人連接，實現(xiàn)機器人對焊槍的控制。此時，焊槍就會隨著編程好的機器人SOP程序發(fā)生運動聯(lián)動。

（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、難度大。將機器人焊接仿真分析技術(shù)應(yīng)用于白車身裝焊生產(chǎn)時，可以通過建模、仿真分析來分析主拼夾具的結(jié)構(gòu)特點，并對白車身裝焊夾具進(jìn)行全方位的裝焊設(shè)計和焊接工藝的調(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位，通過夾具點位坐標(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網(wǎng)格式夾具形式。通過安裝在地板上的夾具上的8個定位鎖緊機構(gòu)對工業(yè)機器人夾爪的單個動作進(jìn)行制作，再制作SOP，并對機器人抓舉動作做裝配定位和鎖緊，形成緊繞白車身的剛體。工業(yè)機器人在完成自動裝配后松開夾具，并按照預(yù)先編程和優(yōu)化過的SOP流程完成各焊接點位的焊接。

結(jié)語

綜上所述，機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，實現(xiàn)汽車制造數(shù)字化。同時也是汽車焊裝技術(shù)發(fā)展的一次飛躍。相較于傳統(tǒng)的自動化焊接技術(shù)，機器人仿真焊接能夠通過汽車焊裝建模與仿真分析，增強了機器人對汽車焊裝作業(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，在保證汽車自動化焊裝效率的同時，還能有效地提升汽車焊裝質(zhì)量。未來，隨著我國機器人焊接仿真技術(shù)水平的發(fā)展，汽車焊裝的智能化水平將會得到進(jìn)一步提升。屆時，將為中國汽車制造提供更加堅實的技術(shù)保障，推動中國汽車從制造大國向制造強國發(fā)展。

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作者簡介：鄧國輝（1981—?），男，漢族，黑龍江綏化人，本科，初級，研究方向：焊接自動化、焊接應(yīng)力與變形。