韋加業(yè)，蘇冬勝

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004）

0 引言

在白車身工藝開發(fā)設(shè)計階段，需對線體節(jié)拍進行設(shè)計，傳統(tǒng)的節(jié)拍核算方法主要依靠于工程師的經(jīng)驗，因此在對生產(chǎn)線各個工位的節(jié)拍核算的時候，受現(xiàn)場工況以及人的主觀因素的影響，核算出來的節(jié)拍與實際節(jié)拍偏差大，導(dǎo)致到了現(xiàn)場調(diào)試階段，出現(xiàn)實際的生產(chǎn)節(jié)拍無法達到設(shè)計節(jié)拍的問題，需要花費大量的人力、物力以及時間對節(jié)拍進行優(yōu)化提升，嚴重影響項目的改造成本及改造周期[1]。

隨著工廠自動化程度的不斷提高，越來越多的點焊機器人在白車身制造過程中被應(yīng)用，點焊機器人的作業(yè)時間直接影響工位節(jié)拍的輸出，因此，如何在白車身工藝規(guī)劃階段對機器人作業(yè)時間進行準確核算，也直接影響項目改造的成本及改造周期[2]。

本研究課題以某車型導(dǎo)入焊裝自動化線體為例，采用西門子TECNOMATIX 仿真軟件與FANUC 機器人控件RCS，包含有仿真PS 軟件和機器人馬達文件RCS；如果在仿真軟件中直接運行機器人程序并加載機器人RCS，會發(fā)現(xiàn)仿真測算的點焊機器人節(jié)拍與實際時間相差甚遠。本研究課題以FANUC 機器人為例，分析項目開發(fā)設(shè)計過程中，點焊機器人理論核算節(jié)拍與現(xiàn)場機器人實際節(jié)拍差異的原因及解決方案。

1 點焊機器人節(jié)拍測算差異分析

1.1 機器人參數(shù)因素分析

根據(jù)PS 仿真軟件使用功能和現(xiàn)場點焊機器人程序構(gòu)成分析，得出影響節(jié)拍的因素主要分為機器人參數(shù)、FANUC RCS 加載的馬達文件、焊接參數(shù)三類。機器人參數(shù)與機器人的品牌兮兮相關(guān)，機器人的參數(shù)設(shè)置不僅遵循仿真軟件使用條件，還需要與實際機器人型號對應(yīng)設(shè)置，以FANUC 機器人為例，主要影響參數(shù)見表1。

表1 影響參數(shù)

1.2 節(jié)拍測算要點

節(jié)拍測算過程中需保證上傳的機器人程序完整性，上傳過程沒有報錯并且能連續(xù)運行；機器人move、speed、term type、config、servo value 等參數(shù)與實際機器人一致，焊槍設(shè)置的極限范圍大于等于實際焊槍極限范圍；確保仿真模型中機器人motionparameters.e 文件存在于后臺文件中，且能正常使用；為保證機器人home 位與實際機器人一致，需確保機器人位置寄存器參數(shù)文件（posreg.va）保存在后臺文件當(dāng)中。仿真設(shè)置中焊槍驅(qū)動方式有兩種：第一種是按照軟件內(nèi)部已設(shè)定的步序運動，此步序與實際機器人運動控制不一樣；第二種是將焊接參數(shù)發(fā)送到virtual robot，利用RCS 來控制焊槍運動，焊槍運動方式與實際亦有出入。這兩種驅(qū)動方式均另外進行校正，才能保證節(jié)拍的準確度。另外，還需考慮信號傳遞延遲情況，機器人在與外界設(shè)備（焊接控制柜、PLC 中央處理器等）存在信號交互時間延遲。

2 節(jié)拍測算方案

為了保證節(jié)拍的正常測算，首先要準備好生產(chǎn)線仿真環(huán)境數(shù)據(jù)，并確認環(huán)境中焊槍機構(gòu)定義和機器人motionparameters.e 文件正確。并備份最新的現(xiàn)場機器人程序，備份程序中需包含sysframe.va 和system.va文件；其次，在PS 仿真環(huán)境中，設(shè)置機器人品牌和控制器版本信息，然后完成機器人系統(tǒng)坐標(biāo)系、仿真設(shè)置、機器人焊槍設(shè)置、機器人附加軸設(shè)置、負載設(shè)置、位置寄存器導(dǎo)入等參數(shù)設(shè)置。同時上傳機器人的現(xiàn)場程序，以此保證機器人home 點一致。另外，需要在生產(chǎn)線仿真環(huán)境中進入機器人模型controller 設(shè)置界面，將上傳的機器人程序添加到path editor 中，加載RCS 運行程序，并統(tǒng)計所有焊點的開槍時間（即remove to gun open 項）。根據(jù)焊點的焊接參數(shù)表統(tǒng)計出所有焊點的焊接時間，通過減去仿真環(huán)境中機器人焊槍開槍的時間再除以焊點數(shù)，以此得出機器人平均的焊接時間，將此數(shù)值填入path editor 中的weld time中。最后，固化節(jié)拍測算公式，機器人平均焊接時間=（焊接時間-開槍時間）/焊點數(shù)。運行機器人程序，得出機器人程序運行時間。

3 測算關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

3.1 機器人RCS 參數(shù)設(shè)置

參考機器人焊接所用焊槍品牌及焊槍參數(shù)文件，設(shè)置焊槍馬達型號、行程極限和齒數(shù)比（其他參數(shù)默認PS 軟件值），如圖1 所示。

圖1 馬達參數(shù)設(shè)置

3.2 設(shè)置機器人模型參數(shù)

使用PS 軟件加載機器人仿真數(shù)據(jù)，在modeling模型編輯狀態(tài)下，檢查仿真用的機器人和焊槍模型的機構(gòu)定義是否達到參數(shù)要求（圖2），機器人各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度以及最大加速度需與現(xiàn)實機器人一致，焊槍的最大速度和加速度需要參考實際現(xiàn)場使用的焊槍參數(shù)設(shè)置。

圖2 機構(gòu)定義參數(shù)

3.3 導(dǎo)入機器人參數(shù)

本研究課題以改造線體機器人為例，使用機器人備份程序進行應(yīng)用，需檢查機器人備份中的文件是否包含以下配置文件：

（1）Posreg.va：位置寄存器文件

（2）Sysframe.va：工具/用戶坐標(biāo)系參數(shù)文件

（3）System：系統(tǒng)參數(shù)文件

確認以上參數(shù)后，通過機器人模型Simulation settings 界面進行伺服焊槍參數(shù)設(shè)置，其中，Servo Weld Simulation 設(shè)置有兩個選項（圖3 焊槍模擬驅(qū)動方式）：RCS 和Explicit Gun Motions，表示仿真模型中模擬伺服焊接的兩種方式：RCS 驅(qū)動和使用PS 軟件系統(tǒng)默認的焊槍驅(qū)動。

圖3 焊槍模擬驅(qū)動方式

RCS 驅(qū)動表示焊槍運動控制由RCS 來控制焊槍相關(guān)運動，而Explicit Gun Motions 模式則是使用仿真軟件默認的控制方式來驅(qū)動焊槍。Send servo setting則是選擇是否把robot and guns setup 中的焊接參數(shù)發(fā)送到RCS 或者默認控制器中，在此，simulation settings 選擇Explicit Gun Motions，servo weld simulation則選擇off，如圖4 所示。

圖4 仿真設(shè)置

需要注意的是：如果是RCS 驅(qū)動并且不發(fā)送參數(shù)，則需要保證現(xiàn)場焊槍的正向開口是負數(shù)，因為焊槍控制有兩種模式：RCS 控制焊槍運動或者PS 自帶功能控制焊槍運動，選擇RCS 驅(qū)動方式必須滿足焊槍的開口為負值；如果是RCS 驅(qū)動并且發(fā)送參數(shù)到RCS，那么必須保證robot and guns setup 中的參數(shù)完善并且與實際機器人一致[2]。Explicit Gun Motions 的控制模式一共有三個步驟：第一步是合槍，即機器人到達焊點位置之前有一次合槍動作；第二步是焊接，此動作由程序參數(shù)中的weld time 來控制焊接時間；第三步是開槍動作，即焊接完成后機器人優(yōu)先打開焊槍，打開完畢之后再運行到下一個location。

Explicit Gun Motions 的控制模式與實際FANUC機器人控制模式不一致，即機器人的開槍和關(guān)槍均是融合到機器人到達位置和離開位置之前的動作，也是以往核算節(jié)拍偏差的原因之一，其中焊接時間是另外一個偏差的原因。

綜上所述，機器人運行程序的運行時間可以用下列方式統(tǒng)計：機器人測算時間（體現(xiàn)一段程序的運行時間就是path editor 中顯示的時間）=機器人純運動時間+焊接時間-合槍時間-開槍時間+信號交互延遲時間。其中機器人純運動時間指的是機器人的運動時間，包括焊槍動作時間；焊接時間指的是焊接控制柜焊接所用的時間，此時間可參照焊接工藝參數(shù)表查找焊接時間；合槍/開槍時間指的是機器人不動而焊槍單獨運動所花的時間，這個時間與焊槍開口設(shè)定值有關(guān)系，值越大，時間越長，經(jīng)過實際實驗統(tǒng)計，開槍時間范圍在0.15 ～0.25 s 之間，而合槍時間受程序中term type 軟件屬性影響只有開槍時間的一半。

3.4 機器人開槍時間測算

在PS 軟件中初始化機器人RCS 控件，執(zhí)行機器人焊接程序，通過機器人程序監(jiān)控界面統(tǒng)計出simulate servo gun step 3 和OnLocationReached 之間的時間差，每一個焊點焊接完之后都會有一個時間差。

如圖5 所示，每個焊點在焊接過程一共有三個步驟，在焊接第三個步驟（reopen to departure gun position）的時候有一個開槍動作，這個開槍的時間就是多余的時間，當(dāng)前焊點的開槍時間為16.06 - 15.34 =0.72 s；以此類推將機器人程序所有的焊點開槍誤差時間總和。

圖5 開槍時間測算

3.5 焊接時間測算

根據(jù)機器人焊接工藝參數(shù)表2 和程序中焊點的焊接參數(shù)，統(tǒng)計出焊點實際焊接需要的時間。

表2 焊接工藝參數(shù)表

按照表2，如果某焊點焊接參數(shù)規(guī)范號S=3，那么它的焊接時間為（20+1+2+1+11+10）*20=900 ms，根據(jù)這種方法統(tǒng)計出所有焊點的焊接時間。

3.6 節(jié)拍測算

根據(jù)以上統(tǒng)計出來的時間，算出每個焊點需要的平均時間，測算公式：機器人平均焊接時間=（焊接時間-開槍時間）/焊點數(shù)。

將機器人程序加載到path editor 中，然后在set locations properties 中設(shè)置焊點的焊接時間。根據(jù)以上公式測算出本程序平均焊接的時間為0.65 s，因此在機器人焊點屬性中（圖6）所示的weld time 位置填入0.65 s。

圖6 焊點屬性

備份收集現(xiàn)場生產(chǎn)用的點焊機器人程序共100套，每套機器人程序中均包含20～30 個焊點，通過驗證統(tǒng)計現(xiàn)場實際機器人運行時間與在軟件中測算節(jié)拍時間進行比較，得出表3 所示平均誤差值，機器人節(jié)拍測算誤差平均值可以控制在1.5 s 之內(nèi)。

表3 案例驗證

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出以下測算平均值，焊槍開槍時間平均0.25 s，機器人純焊接平均時間1.057 s，可求得出焊接時間=0.807 s，可用于在工藝粗規(guī)劃階段快速對節(jié)拍進行仿真估算。

4 結(jié)語

本研究課題通過某車型白車身導(dǎo)入改造線體為案例，在工藝開發(fā)前期進行機器人節(jié)拍測算，使數(shù)字孿生技術(shù)更好的服務(wù)現(xiàn)場生產(chǎn)與調(diào)試，根據(jù)此測試方案的驗證，在白車身工藝開發(fā)過程中，為使機器人運行節(jié)拍的測算更加準確，得出節(jié)拍測算公式“（純焊接時間-焊槍開槍時間）/焊點數(shù)”來計算weld time（焊接時間），計算得出的結(jié)果可以使點焊機器人節(jié)拍測算誤差在±1.5 s 內(nèi)。

本研究課題結(jié)合白車身工藝開發(fā)過程與數(shù)字化生產(chǎn)線機器人仿真技術(shù)[3]，利用西門子PDPS 軟件工具作為機器人仿真系統(tǒng)的運行平臺，進行點焊機器人運行節(jié)拍仿真分析與測算，總結(jié)出FANUC 點焊機器人仿真節(jié)拍偏差影響因素及減少測算誤差的方法，為汽車生產(chǎn)線點焊機器人節(jié)拍測算提供技術(shù)參考以及優(yōu)化思路，同時可推廣至其他機器人工藝節(jié)拍分析核算工作中進行應(yīng)用。