陳 浩，王體金，劉 毅，唐靈聰，石 剛,2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

隨著我國智能制造水平的快速發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)的自動化程度越來越高，產(chǎn)品的也更多樣化，對產(chǎn)品線要求具備柔性化，能夠?qū)τ诓煌臋C型能夠快速換型。同時企業(yè)為了降低生產(chǎn)線改造成本，自主改造對于各主機廠也在逐步加快，自主改造周期縮減。故在項目前期設(shè)計階段采用PDPS 數(shù)字化工廠軟件對項目進行虛擬仿真，借助虛擬仿真技術(shù)對于項目規(guī)劃設(shè)計進行提前干涉驗證及機器人軌跡進行優(yōu)化，以提前避免是否存在設(shè)計隱患，縮短項目規(guī)劃周期。筆者以某發(fā)動機的生產(chǎn)線某工位為例，在虛擬環(huán)境中進行工藝規(guī)劃，分配工藝任務(wù)，待資源分配到位后，開展工藝流程驗證、設(shè)備動作及機器人軌跡進行驗證。其仿真結(jié)果為工藝規(guī)劃設(shè)計工程師評估設(shè)計方案的可行性具有重要意義。

1 仿真工位模型建立

1.1 Process Designer中創(chuàng)建項目及資源節(jié)點

創(chuàng)建新項目、項目名稱與根目錄的命名，因不同的主機廠都有不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其子目錄資源文件夾結(jié)構(gòu)不同。文中引用某主機廠仿真標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所創(chuàng)建項目及子目錄名字，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)建項目 圖2 創(chuàng)建項目資源節(jié)點

創(chuàng)建項目資源節(jié)點，一般情況下包含Libraries(庫文件)、Product(產(chǎn)品文件)、Process(工藝資源文件)、Working Folder(工作文件夾)、StudyFolder(工位數(shù)據(jù)文件夾)等基本資源節(jié)點文件夾，如圖2所示。

1.2 資源數(shù)模的導(dǎo)入

本工位以某發(fā)動機生產(chǎn)線的凸輪軸承蓋工位為例，其包含ABB機器人(1臺)、設(shè)備進、出料機動摩擦輥道系統(tǒng)(1套)、抬起定位機構(gòu)(3套)、電動打標(biāo)機(1套)、電動擰緊軸(5套)、缸蓋罩分離裝置(1套)、剔料輥道系統(tǒng)(1套)等，工件數(shù)模及設(shè)備數(shù)模在導(dǎo)入之前也需要事先進行數(shù)據(jù)處理，將其轉(zhuǎn)化為帶有*.cojt殼文件的*.jt格式文件，再針對不同的設(shè)備數(shù)據(jù)進行屬性定義，其導(dǎo)入后的工件資源也是以庫文件形式顯示，可以針對庫文件數(shù)據(jù)進行展開，如圖3所示。

圖3 資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入

1.3 創(chuàng)建工藝文件及操作庫

創(chuàng)建工藝文件是PD/PS軟件仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，工藝文件分為數(shù)據(jù)資源和工藝操作，數(shù)據(jù)資源節(jié)點用以存放仿真產(chǎn)品數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)等資源信息，工藝操作節(jié)點可以存放工藝操作信息，包含操作順序及工藝順序。工藝資源一般按照“車間”→“線體”→“區(qū)域”→“工位”層次結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)建，創(chuàng)建完成數(shù)據(jù)資源和工藝操作，進行更新同步操作。創(chuàng)建操作庫，并在操作標(biāo)準(zhǔn)庫資源節(jié)點創(chuàng)建工藝操作，比如設(shè)備夾具打開與關(guān)閉等操作，如圖4所示。

圖4 資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入

1.4 資源分配到工位

在所創(chuàng)建的StudyFolder節(jié)點，將數(shù)據(jù)資源、工藝操作文件和產(chǎn)品文件夾統(tǒng)一放置在StudyFolder資源文件中，如以上操作，PD軟件的仿真操作基本結(jié)束，如圖5所示。

圖5 資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入

2 仿真模型工藝操作

2.1 Process Simulate操作

在上述操作StudyFolder節(jié)點創(chuàng)建的工位通過“Open with Process Simulate”操作進行工位加載，就可以直接加載PD工位數(shù)據(jù)，然后根據(jù)layout布局對設(shè)備進行調(diào)整及安裝，例如創(chuàng)建參考坐標(biāo)、逐步導(dǎo)入設(shè)備(帶地腳)、 并將其移動到相應(yīng)的地腳安裝位置進行布局、導(dǎo)入設(shè)備工裝(如：機器人雄克夾具)，然后將其移動到相應(yīng)工裝上進行安裝，如圖6所示。

圖6 設(shè)備工位數(shù)模

2.1.1 工具屬性及運動學(xué)定義

對于機器人首先需要創(chuàng)建機器人工具坐標(biāo)，將工具設(shè)置為可編輯狀態(tài)，在Object Tree中的Gripper圖標(biāo)出現(xiàn)紅色標(biāo)志，則表示已經(jīng)進入編輯模式，創(chuàng)建Base frame基準(zhǔn)坐標(biāo)和TCP工作坐標(biāo)，然后選擇Tool Definition裝載機器人夾具。關(guān)于設(shè)備運動學(xué)需要了解現(xiàn)場工藝，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)關(guān)系，選擇其Base模塊，建立鏈接及相 關(guān)參數(shù)設(shè)定，重復(fù)以上操作直到所有模塊參數(shù)設(shè)定完成，例如工位設(shè)備擰緊槍機構(gòu)如圖7所示。

圖7 設(shè)備工位數(shù)模

2.1.2 創(chuàng)建機器人路徑操作

本工位機器人為抓取、搬運和放置的作用， 其具體機器人工藝過程為機器人抓取輥道上的工件，放置到凸輪軸承蓋螺栓反松設(shè)備的夾具， 機器人抓取反松完的工件，進行螺栓檢測，檢測螺栓是否存在遺漏，檢測完成后放置輥道舉升位。在PS虛擬仿真軟件中機器人工藝操作、操作路徑需要添加到路徑編輯器中。對于機器人而言，機器人夾爪手上分別創(chuàng)建Base坐標(biāo)和Tcp坐標(biāo)，機器人第六軸法蘭端面與夾爪進行裝配也需要創(chuàng)建Tool 坐標(biāo)，在仿真軟件機器人屬性設(shè)置中就可以設(shè)置Mount Tool 進行夾爪與機器人法蘭端面進行裝配，機器人夾爪裝載完成后就可以設(shè)置機器人夾取與放置，機器人夾取與放置軌跡點，將其設(shè)置為Pick和Put點，機器人抓取位置如圖8所示。

圖8 機器人抓取位置

機器人軌跡是機器人在運動過程中所走的路徑，機器人路徑也是由機器人軌跡點所構(gòu)成。在仿真軟件中路徑編輯器Path Editor窗口中點選機器人焊接操作New Weld Operation，然后在“Operation”菜單欄下，點擊“Add Current Location”命令按鈕，添加機器人當(dāng)前位置作為示教點，同樣也可以點擊“Manipulate Lacation”手動添加路徑點，增加初始位置點，可以在路徑編輯器Path Editor窗口中點選機器人Home點，然后在“Operation”菜單欄下，點擊“Add Current Location”命令按鈕，并將其重命名為Home位置點，對于軌跡點也可以進行復(fù)制，當(dāng)然機器人路徑點示教可不是只是簡單的復(fù)制粘貼，需要觀察機器人的姿態(tài)、周邊相關(guān)設(shè)備等，避免發(fā)生干涉現(xiàn)象，依照上述操作，為機器人添加路徑點，路徑點的添加要包含以下幾個原則：精確性、可行性、高效性，按上述步驟，創(chuàng)建機器人軌跡點，如圖9所示。

圖9 機器人軌跡點

2.1.3 創(chuàng)建仿真時序

在PDPS仿真軟件，生產(chǎn)線或工位的規(guī)劃一般都是基于時序驅(qū)動設(shè)備的聯(lián)動仿真，在軟件左側(cè)Operation Tree窗口中仿真時序節(jié)點，仿真時序節(jié)點可以是一個獨立操作、也可以是機器人整個路徑、也可以是一個完整的工位。本仿真時序是一個完整的工位，選中仿真操作節(jié)點，在菜單欄選擇“Set Current Operation”命令，就可以看到工藝操作節(jié)點時序甘特圖，可以直觀的看到長短不一的線條，反應(yīng)每個獨立的設(shè)備運行的時間，其中指向箭頭表示工藝操作中設(shè)備運行的先后順序關(guān)系，其中對于設(shè)備運行的相應(yīng)關(guān)系需要調(diào)整，可以在時序甘特圖中針對此操作進行Unlink解除，再根據(jù)正確的順序進行Link連接，同樣也可以設(shè)備運行順序在甘特圖中同步進行，重復(fù)以上操作直至所有的設(shè)備運行順序調(diào)整完成，如圖10所示。

圖10 時序甘特圖

3 工位模型仿真分析

3.1 創(chuàng)建碰撞檢測操作

碰撞檢測設(shè)置對于虛擬仿真是必不可缺的重要步驟，通過在設(shè)備或機器人在動態(tài)運行過程中自動檢測是否發(fā)生干涉現(xiàn)象，就可以提前規(guī)避方案設(shè)計階段發(fā)生的缺陷問題，達到提前預(yù)知設(shè)計方案的風(fēng)險，從而提升設(shè)計效率。

在PS仿真軟件中，碰撞檢測功能在軟件窗口“Collision Viewer”中進行設(shè)置，若在界面未顯示界面窗口，可以在“Viewers”界面下拉菜單中選中“Collision Viewer”則界面就可以顯示，其功能主要有三個功能區(qū)域，左側(cè)功能區(qū)域為創(chuàng)建設(shè)定干涉集合；中間功能區(qū)域顯示為碰撞檢測結(jié)果，發(fā)生主碰撞顯示顏色為紅色，被動碰撞為藍色；右側(cè)功能區(qū)域顯示為碰撞曲線，是由碰撞對象命名。在干涉檢查之前需要創(chuàng)建碰撞集合，在窗口“Collision Set Editor”中添加檢測主對象和可能發(fā)生碰撞的對象，如圖11所示。

圖11 碰撞檢測設(shè)置 圖12 輥道干涉檢查

3.2 工位模型仿真

碰撞干涉檢查按以上操作重復(fù)設(shè)置完成后，就可以運行工藝操作路徑，將所創(chuàng)建的工藝操作“Set Current Operation”，在“Sequence Editor”界面點擊“Plays Simulation Forward”按鈕，本工位工藝仿真就按照所創(chuàng)建完的時序路徑進行模擬，設(shè)備運行期間所發(fā)生的干涉現(xiàn)象在碰撞界面上以紅色顯示，同時也可以設(shè)置檢測到干涉區(qū)停止仿真，更加方便直觀看到方案設(shè)計的風(fēng)險點。例如本工位通過仿真驗證發(fā)現(xiàn)主要存在以下干涉點。

(1) 本工位輥道舉升位頂升過程中工件零點定位銷與傳感器裝置發(fā)生干涉，需要對檢測裝置布局調(diào)整或進行方案優(yōu)化，如圖 12所示。

(2) 機器人抓取工件螺栓反松后的工件進行螺栓檢測，凸輪軸承蓋螺栓與檢測裝置存在干涉現(xiàn)象，需要對螺栓孔檢測裝置進行調(diào)整，如圖13所示。

圖13 螺栓檢測裝置 圖14 擰緊槍螺栓拆卸裝置

(3) 螺栓拆卸工裝中擰緊槍拆卸凸輪軸承蓋螺栓時，擰緊槍與工件發(fā)生干涉現(xiàn)象，同樣需要擰緊槍裝置進行調(diào)整，如圖14所示。

3.3 機器人仿真路徑優(yōu)化

機器人路徑進行仿真對于設(shè)備現(xiàn)場安裝、調(diào)試起到非常重要的作用，優(yōu)化機器人軌跡能夠減少機器人軌跡的運行時間，從而實現(xiàn)機器人節(jié)拍的優(yōu)化，機器人路徑在規(guī)劃階段就需要考慮機器人在起始點運行過程中就要避開障礙物，從而能夠獲得在空間中最優(yōu)的路徑。在PS仿真軟件中，可以先增加機器人抓取點及主要的機器人點位，在路徑規(guī)劃器中點擊“Automatic Path Planner”,就可以根據(jù)創(chuàng)建的機器人點位自動增加過渡點，然而自動創(chuàng)建的過渡點存在過多的現(xiàn)象，可以在運行過程中進行刪除。對于不同機器人路徑操作，機器人Home點可以重復(fù)運用，這樣可以保證機器人不同的路徑能夠返回所創(chuàng)建的Home點位，重復(fù)以上操作直至所有路徑創(chuàng)建完成，如圖15所示。

圖15 機器人軌跡優(yōu)化

4 結(jié) 語

文中系統(tǒng)的完成了發(fā)動機某工位的工藝仿真，從而使工藝流程和機器人路徑規(guī)劃更加清晰、明確，同時運用PDPS軟件對工藝規(guī)劃與設(shè)計階段進行虛擬驗證，從而解決了設(shè)計階段存在的弊端，降低現(xiàn)場發(fā)生的問題頻率，使虛擬仿真與現(xiàn)場更貼近。

隨著數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)運用到各行各業(yè)，PDPS仿真實現(xiàn)了設(shè)計人員與仿真人員同步進行，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，為實體行業(yè)創(chuàng)造無限可能。