曹家勇，呂文壯，唐 鼎，鄭永佳

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海201418；2.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200030；3.上海鑫燕隆汽車裝備制造有限公司，上海100083）

1 引言

汽車焊裝作為車身制造中最為重要的制造環(huán)節(jié)之一，對整車的支撐框架和白車身的成型有著很大的作用。目前，許多汽車整車廠延續(xù)著傳統(tǒng)的焊裝工藝規(guī)劃的模式，往往由焊裝工程師在以往相似車型的焊裝工藝的基礎(chǔ)上進行模仿修改，最后生成二維工藝布局圖，并加以相關(guān)文檔說明。這種模式過于依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗，數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的繼承性不好、不能直觀的表現(xiàn)焊裝生產(chǎn)線的實際情況、新車型并入時缺乏技術(shù)論證以及缺乏仿真驗證的手段。往往帶來設(shè)計周期延長、焊裝生產(chǎn)線中機器人不可達性及超載、設(shè)備干渉、生產(chǎn)線節(jié)拍不合理和運動軌跡不良等問題。

虛擬制造技術(shù)于20世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)，是科學(xué)制造發(fā)展的必然，也是在激烈的制造業(yè)競爭環(huán)境下產(chǎn)生的解決方式之一［1］。基于虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)，對產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)過程實體化建立模型，并利用計算機模擬和仿真分析產(chǎn)品的設(shè)計、裝配、檢驗等整個工藝過程。虛擬制造技術(shù)應(yīng)用在汽車焊裝生產(chǎn)線設(shè)計上，可以有效的解決傳統(tǒng)焊裝工藝規(guī)劃帶來的問題。國外較早的對汽車焊裝生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃進行了研究。文獻提出了一種基于數(shù)字化制造的汽車側(cè)板激光焊接系統(tǒng)的，利用IDEFO和UML圖分析了焊接側(cè)板裝配系統(tǒng)的物理、邏輯模式和行為，最后利用TOPSIS方法選擇最優(yōu)解［2］。文獻通過ROBCAD虛擬仿真技術(shù)分析了白車身焊接機器人和白車身焊接工作站夾具等要素，提出了白車身焊接工作站的數(shù)字化建模方法和機器人焊接路徑優(yōu)化［3］。

文獻針對機器人焊接站缺乏準(zhǔn)確可靠的可視化仿真的問題，提出了基于機器人CAD開發(fā)平臺的機器人焊接站可視化仿真系統(tǒng)，縮短白焊線工藝規(guī)劃的時間，提高車身的精度和可靠性［4］。在國內(nèi)，文獻運用ROBCAD仿真技術(shù)搭建汽車焊裝工藝規(guī)劃方案，結(jié)果表明該方案具有一定的可行性和高效性［5］。文獻人以EM-Plant仿真軟件為平臺，通過對離散事件進行仿真和控制，分析焊裝過程中出現(xiàn)的瓶頸問題，提高焊裝生產(chǎn)線生產(chǎn)效率［6］。文獻借助Plant Simulation仿真軟件搭建汽車焊裝生產(chǎn)線仿真模型，并分別對設(shè)備的利用率和故障進行分析，為生產(chǎn)的制定和任務(wù)調(diào)度提供理論依據(jù)［7］。文獻是一個綜合性數(shù)字化制造方案系統(tǒng)的仿真軟件，是汽車制造行業(yè)應(yīng)用最廣泛的仿真軟件。文中以汽車前地板焊裝生產(chǎn)線為研究對象，借助數(shù)字化工廠Tecnomatix系統(tǒng)中的Process Dsign（簡稱PD）和Process Simulation（簡稱PS）兩個模塊構(gòu)建了前地板焊裝生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃方案以及設(shè)備的動態(tài)仿真和驗證優(yōu)化。研究內(nèi)容對虛擬制造技術(shù)在汽車焊裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用和解決傳統(tǒng)焊接工藝帶來的問題以及縮減設(shè)計周期具有一定的意義。

2 前地板總成焊接任務(wù)的描述

前地板作為汽車車身的一個重要組成部分，與前艙和后地板總成連接在一起。其主要作用是將車身碰撞時產(chǎn)生的力通過橫梁或者縱梁進行分解和傳遞，避免前艙位置發(fā)生變形。圖1所示為整體式結(jié)構(gòu)的前地板總成，是由地板分總成、中通道總成、地板橫梁總成、前地板加強板、左右側(cè)座椅外圍加強板以及螺母板總成焊接而成。而地板橫梁總成則由地板橫梁和橫梁加強板焊接而成，中通道總成是由中通道本體與通道支架總成、換擋桿支架總成以及中通道前支架焊接而成。由于前地板左右兩側(cè)大部分是對稱的（除橫梁和中通道位于前地板中間位置），所以文中只對前地板左側(cè)、橫梁及中通總成位置進行仿真分析和優(yōu)化。

圖1 前地板總成組成Fig.1 Front Floor Assembly

3 前地板總成焊接生產(chǎn)線的方案規(guī)劃

在汽車白車身生產(chǎn)線中，前地板總成集成到汽車總裝工序上裝配，整體式結(jié)構(gòu)的前地板總成的焊接質(zhì)量對整個車身的制造質(zhì)量以及安裝的精度有著很大的影響。如圖2所示為前地板總成焊裝生產(chǎn)線二維布局圖。由圖可知：前地板總成焊裝生產(chǎn)線由一個區(qū)域構(gòu)成，總共有3個工位，分別為FF010工位、FF020工位和FF030工位。FF010工位是前地板橫梁總成和中央通道的集成。在焊接時，操作工將橫梁和橫梁加強板放置在左邊的夾具上，將中通道本體與通道支架總成、換擋桿支架總成以及中通道前支架放置在右邊的夾具上。夾具夾緊后，分別由位于FF010工位上的點焊機器人進行焊接。然后夾具打開，人工將橫梁總成與中央通道總成送至FF020工位上。FF020工位上的雙面轉(zhuǎn)臺上有兩序夾具，在FF020工位上左右點焊機器人完成橫梁總成、地板分總成和左右側(cè)座椅外圍加強板以及螺母板總成這第一序焊接之后，F(xiàn)F030機器人從轉(zhuǎn)臺抓起零件，中央通道總成轉(zhuǎn)進，F(xiàn)F030工位上的機器人放下零件，夾具夾緊后，機器人再次進行第二序焊接。在兩序焊接完成之后FF030機器人從轉(zhuǎn)臺抓起前地板總成，在翻面臺翻面，再到固定焊槍補焊之后將前地板總成放到料箱。

圖2 前地板焊接生產(chǎn)線二維布局圖Fig.2 Two-Dimensional Layout of Front Floor Welding Production Line

4 仿真模型的建立

4.1 焊槍的選型和驗證

焊接機器人在汽車制造業(yè)中能夠廣泛的應(yīng)用，焊槍起著重要的作用。如圖3中的圖（a）和圖（b）根據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)特點將焊槍劃分為X型和C型。X型焊槍用于車身鈑件上垂直位置的焊點，而C型焊槍用于車身鈑件上水平位置的焊點［8］。在實際焊接中，焊槍的結(jié)構(gòu)是否適合特定環(huán)境是焊槍工人選擇焊槍的最大困難。如：焊槍能否到達焊點位置；工作時焊槍是否與車身及夾具干涉；工作空間是否足夠大等。然而這些問題可以在Process Simulation中可以得到很好的解決。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)的焊槍Fig.3 Welding Torch of Two Structures

焊槍的驗證也至關(guān)重要。如圖4所示首先定義一些參數(shù)：F和G分別代表前地板的數(shù)據(jù)的集合和焊槍數(shù)據(jù)的集合。A（x，y，z）為F上的焊點坐標(biāo)之一，焊接時接觸到前地板的焊槍的工具坐標(biāo)點命名為B，也稱TCP點。K表示焊槍CLOSE時兩電極帽之間的連線。點焊時，將焊槍在A點的直線K和Z軸共線，使A和B重合，即焊槍的TCP坐標(biāo)與焊點坐標(biāo)重合。此時繞著K線旋轉(zhuǎn)焊槍，看F和G是否有相交，如果沒有角度相交，則說明焊槍與前地板沒有干涉，焊槍適合這一焊點。假使焊槍繞著K線從0°旋轉(zhuǎn)到360°，F(xiàn)和G總是存在交叉。則應(yīng)該修改槍的結(jié)構(gòu)或者更換類型。通過對焊槍的驗證，初步選擇了X型結(jié)構(gòu)的焊槍。

圖4 焊槍的檢驗Fig.4 Inspection of Welding Torch

4.2 機器人的選型及其建模

圖5 焊槍負(fù)載數(shù)據(jù)Fig.5 Load Data of Welding Torch

圖6 負(fù)載分析結(jié)果Fig.6 Load Analysis Results

Tecnomatix模型數(shù)據(jù)庫含有眾多類型的機器人模型，其中包括庫卡、法那科、ABB和安川等常見類型的機器人。根據(jù)客戶的需求，直接調(diào)用相關(guān)的機器人模型，或者去機器人相關(guān)的官網(wǎng)下載機器人模型，并將機器人模型通過格式轉(zhuǎn)換軟件CrossManager轉(zhuǎn)為PD識別的jt格式，添加到PD的資源里面。機器人的具體選型是根據(jù)所安裝焊槍的負(fù)載決定的。機器人有效載荷作用在六軸上。為了方便對機器人的選型及承載能力進行檢定，發(fā)那科公司提供負(fù)載測試軟件FANUC_Payload。可以有效精確地反映機器人的實際受力情況，避免機器人因超負(fù)荷工作對機器人的使用壽命及對電機和齒輪造成不良影響［9］。如圖3所示為焊槍負(fù)載的數(shù)據(jù)，如圖4分析結(jié)果可知機器人的四、五、六軸承受的載荷均在允許的載荷之內(nèi)。在仿真實驗中，選用的焊接機器人是發(fā)那科R-200iC/165F。

在確定機器人類型和焊槍的類型之后，需要將焊槍和機器人定義為工具，即分別定義相關(guān)的機構(gòu)并建立焊槍的法蘭盤安裝參考系和機器人的工具坐標(biāo)系和基座坐標(biāo)系，如圖7所示。保證焊槍的法蘭盤坐標(biāo)系和機器人的工具坐標(biāo)系重合，使X型焊槍安裝在機器人上。

圖7 機器人安裝X型焊槍Fig.7 Robot Mounting X-Type Welding Gun

4.3 焊點的分配

焊點的分配在焊接任務(wù)中是保證焊接質(zhì)量的起著重要的作用，在相對復(fù)雜的總成焊接時，由于設(shè)備數(shù)量、夾具占的空間以及節(jié)拍需求的原因，一個工位很難保證焊接的質(zhì)量，一般需要點定和補焊2種焊接工位才能完成。點定主要作用是利用關(guān)鍵的焊點來固定將車身鈑件之間的相對位置，補焊則是固定利用車身鈑件之間相對位置的點定焊點以外的其余焊點，加強車身鈑件之間的連接強度。在保證焊接質(zhì)量的同時，焊點的分布應(yīng)該在同一區(qū)域，這樣可以保證焊槍在焊接時，姿態(tài)變化小，機器人關(guān)節(jié)運動幅度小，可以有效的減少焊接的時間。焊點的分配滿足問題背包問題的原則，即在節(jié)拍時間內(nèi)，工位對焊點的滿意度最合適。如圖8所示為按照背包原則以及工程經(jīng)驗規(guī)劃的前地板焊點分布圖，可知定點焊點主要由A、B和C區(qū)域焊點以及它們的對稱焊點構(gòu)成，而補焊焊點也是由左右對稱焊點構(gòu)成。

圖8 前地板焊點分布Fig.8 Distribution of Solder Joints In Front Floor

5 焊接過程的分析與優(yōu)化

5.1 機器人可達性分析

在分配焊點之后需要檢查機器人對焊點是否具有可達性，而機器人的擺放的位置與機器人的可達性有著密切的聯(lián)系。根據(jù)圖（a）所示為機器人焊點可達性計算，部分顏色表示機器人無法到達此焊點，部分顏色表示機器人關(guān)節(jié)超出預(yù)定的極限值，部分顏色表示機器人在此焊點可達，如若機器人不可達，則可調(diào)節(jié)切入角的方向使其進入某色的區(qū)域。以此確定機器人對焊點的可達位置如圖（b）所示。在確保機器人對焊接工位上所分配的所有焊點都可達的情況下，可以確定機器人可達的最佳位置。

圖9 機器人可達性分析Fig.9 Robot Accessibility Analysis

5.2 機器人干涉檢查與優(yōu)化

在前地板焊裝生產(chǎn)線中，機器人執(zhí)行焊接或者搬運任務(wù)時，多臺機器人的工作空間往往存在重疊交叉區(qū)域。機器人各關(guān)節(jié)之間在運動過程中極易產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生，從而影響了汽車生產(chǎn)線的運行。而這種干涉主要涉及到機器人與夾具、安全圍欄、其他設(shè)備是否干涉以及機器人之間的運動干涉。機器人與夾具之間的靜態(tài)干涉可以通過焊槍的檢驗來進行檢查，而對于機器人之間的這種動態(tài)干涉，需要錯開焊接順序或移動機器人位置來避免機器人同時進入干涉區(qū)。如圖10所示為機器人焊接共同干涉區(qū)及優(yōu)化。機器人在B區(qū)域執(zhí)行點定焊點任務(wù)時，由于B區(qū)域焊點及其對稱焊點過于密集，導(dǎo)致FF020工位上的左右兩臺機器人產(chǎn)生干涉區(qū)域。由焊點分配圖知A區(qū)域的焊點要多于B區(qū)域焊點。左邊機器人在焊接B區(qū)域?qū)ΨQ區(qū)域時，讓右邊的機器人焊接A區(qū)域?qū)ΨQ區(qū)域的焊點，錯開機器人的焊接順序，可以有效避免焊接干涉區(qū)域。

圖10 機器人焊接共同干涉區(qū)及優(yōu)化Fig.10 Common Interference Zone and Optimization of Robot Welding

5.3 焊接機器人運動優(yōu)化

在白車身生產(chǎn)線中的焊接過程中，焊點分配到確定的焊接件位置之后，焊接的路徑可以通過這些位置構(gòu)建，但焊接路徑不是簡單的焊點位置連接。為了避免機器人與焊槍、車身以及夾具之間的干涉，會在焊點之間增加過渡點。而機器人主要通過如圖11（a）所示的Point to Point（PTP）直線運動方式來執(zhí)行焊接的路徑。通過PTP這種直線運動方式，要求機器人所有軸在同時刻開始移動，在焊點或者過渡點位置上時要保持同時刻停止。這種情況會出現(xiàn)機器人“卡頓”的現(xiàn)象，對于機器人的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。長期不良運動會造成機器人運動的不穩(wěn)定，加劇機器人的機械零件的磨損，導(dǎo)致機器人產(chǎn)生振動與沖擊。因此在焊接任務(wù)中，保持機器人運動軌跡的平滑性及穩(wěn)定性尤為重要。如圖11（b）所示通過預(yù)先設(shè)定一定的范圍，使得機器人不停留在過渡點平滑的過渡的原則稱為逼近運動。

圖11 逼近運動的原則Fig.11 Principles of Approximation Motion

機器人在焊點的位置要保持精確是為了保證焊接質(zhì)量，但是在過渡點的位置上要求并不嚴(yán)格。機器人通過上述的兩種運動方式的來執(zhí)行焊接任務(wù)。如圖12（上）所示為機器人按照PTP直線運動的部分焊點的焊接軌跡，下圖為機器人在過渡點按照逼近運動的部分焊點的焊接軌跡。由圖可看出逼近運動的焊接機器人路徑更加平滑，可以使得機器人姿態(tài)變化順暢及提高機器人運動的穩(wěn)定性和延長機器人使用的壽命。

圖12 兩種方式的焊接軌跡Fig.12 Welding Trajectories of Two Modes

在兩種運動的方式下，如圖13所示為機器人關(guān)節(jié)5的運動的速度和加速度曲線，上圖為PTP直線方式的機器關(guān)節(jié)的速度加速度曲線，下圖為逼近運動方式的機器關(guān)節(jié)的速度加速度曲線，從圖中可以看出優(yōu)化后的機器人的關(guān)節(jié)速度的函數(shù)變化更加平滑，并且總體以較低的速度運行，可以有效的降低機器人的能量損耗，保證機器人運動的穩(wěn)定性。

圖13 機器人關(guān)節(jié)5的速度加速度曲線圖Fig.13 Velocity and Acceleration Curve of Robot Joint 5

5.4 甘特圖分析與優(yōu)化

甘特圖表示焊接生產(chǎn)線所有工序執(zhí)行的時間順序。通過甘特圖對前地板焊裝生產(chǎn)線各工位所需時間進行計算并判斷是否滿足節(jié)拍要求，避免實際生產(chǎn)中出現(xiàn)瓶頸工位。PS提供了以工序之間的邏輯關(guān)系生成的時序動作仿真SOP，并輸出時間流程表，對工位進行節(jié)拍估算。仿真中機器人的控制器與實際相同時，仿真的結(jié)果與實際前地板焊裝生產(chǎn)線保持基本一致。因此仿真的節(jié)拍計算對實際前地板焊裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)有很大的參考價值，通過計算焊接工位的時間，進而評估和平衡機器人工作量，最大程度提高生產(chǎn)節(jié)拍和機器人利用率。

為進一步提高前地板的焊裝線生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)定焊接機器人的焊接準(zhǔn)備位置，即在其他設(shè)備運作時機器人提前運動到等待焊接的準(zhǔn)備位置，待其他設(shè)備運動完成時機器人再執(zhí)行焊接動作。home位置和準(zhǔn)備焊接位置不存在過渡點且運動的過程中不與工裝發(fā)生干涉，對焊接工位的三臺焊接機器人設(shè)定焊接準(zhǔn)備位置，結(jié)果優(yōu)化的時間節(jié)拍縮短了6s。按照優(yōu)化的焊接機器人的路徑和工序的優(yōu)化，仿真出的節(jié)拍時間為127s。小于方案要求的130s。如圖14所示為前地板焊接甘特圖證明原設(shè)計方案的可行性。

圖14 前地板焊接甘特圖Fig.14 Front Floor Welding Gantt Chart

6 總結(jié)

通過虛擬制造仿真軟件Tecnomatix，建立了前地板的焊裝生產(chǎn)線三個工位的仿真模型，對前地板焊裝生產(chǎn)線進行規(guī)劃、建模、仿真、優(yōu)化。解決機器人對焊點的可達性及機器人空間干涉問題，優(yōu)化了機器人焊接的運動軌跡以及機器人焊接的時間，計算出工位的生產(chǎn)節(jié)拍，驗證前地板焊裝生產(chǎn)線規(guī)劃方案的可行性，大大地減少現(xiàn)場布置時間，提高了設(shè)計效率與質(zhì)量。