基于DELMIA/Robotics的白車身焊接機(jī)器人仿真應(yīng)用

秦基偉，章敏鳳，楊 寧

（奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241006）

0 引言

多年以來(lái)，白車身焊裝領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的絕大多數(shù)主機(jī)廠還停留在一個(gè)較低的技術(shù)水平上。焊裝、總裝工藝工程師最為主要的工作內(nèi)容就是Excel填表和截圖，文本性的工作占據(jù)了大量時(shí)間，工藝工程師很難有時(shí)間去考慮制造工藝本身的問(wèn)題，如節(jié)拍、生產(chǎn)線布局合理性以及工位仿真等。DELMIA就是應(yīng)運(yùn)而生的全3D數(shù)字化制造解決方案。它能使在真實(shí)工廠或者生產(chǎn)過(guò)程還沒(méi)有開(kāi)始前，在虛擬空間中對(duì)真實(shí)工廠進(jìn)行數(shù)字化仿真，并提供優(yōu)化的結(jié)果。為前期項(xiàng)目方案制定，項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)，以及方案實(shí)施提供有利幫助，同時(shí)為后期示教、維護(hù)提供直觀的指導(dǎo)。本文以奇瑞-哈工大聯(lián)合開(kāi)發(fā)的大負(fù)載六自由度QH-165型機(jī)器人，為應(yīng)用對(duì)像，仿真S11白車身側(cè)圍的點(diǎn)焊過(guò)程，通過(guò)DELMIA軟件中的Robotics模塊對(duì)其進(jìn)行焊接路徑的仿真。結(jié)果表明，利用DELMIA/Robotics實(shí)現(xiàn)機(jī)器人仿真是方便、準(zhǔn)確和有效的。統(tǒng)兩大部分組成。實(shí)際焊接應(yīng)用時(shí)需增加焊接控制器、焊槍以及水、氣控制檢測(cè)等外部設(shè)備。機(jī)器人技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 QH-165機(jī)器人模型

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

QH-165型機(jī)器人為六軸串聯(lián)機(jī)器人，其本體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)械本體和電控系

表1 機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)

續(xù)表

2 DELMIA簡(jiǎn)介

DELMIA是Dassault Systemes公 司 為“數(shù)字化工廠”概念推出的一套較完善的軟件解決方案。DELMIA軟件系統(tǒng)包括兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的獨(dú)立軟件，DPE

（Digital Process Engineer）與 DPM（Digital Process Manufacturing），前者為數(shù)字化工藝規(guī)劃平臺(tái)，它建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)和工藝結(jié)構(gòu)，并將三者有效地關(guān)聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品分析、工藝方案評(píng)估、各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算以及裝配工藝結(jié)果的輸出等；后者提供工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗(yàn)證應(yīng)用的環(huán)境，以產(chǎn)品、

工裝的三維模型并結(jié)合DPE已設(shè)計(jì)好的工藝流程進(jìn)行數(shù)字化裝配過(guò)程的仿真驗(yàn)證，二者通過(guò)唯一的PPR Hub數(shù)據(jù)庫(kù)共享數(shù)據(jù)。

由于該側(cè)圍焊接為自動(dòng)化改造項(xiàng)目，根據(jù)工藝要求，本文重點(diǎn)介紹如何使用DELMIA的DPM模塊來(lái)做工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗(yàn)證工作。

3 工藝分析

車間可提供的左右側(cè)圍布局尺寸均為：15.5m×6m。根據(jù)側(cè)圍件尺寸和工藝點(diǎn)的數(shù)量，設(shè)計(jì)工裝夾具后可放置四個(gè)工位。內(nèi)、外板總成焊接由人工完成，其中外板分裝件由人工搬運(yùn)到第一個(gè)工位并焊接完成，內(nèi)板總成在其他人工工位焊接完成后需由機(jī)器人搬運(yùn)至第二個(gè)工位。整個(gè)側(cè)圍總成在機(jī)器人焊接完成后，也需由機(jī)器人搬運(yùn)送至EMS小車上。主線采用PLC控制，Profibus總線通信，節(jié)拍120s。根據(jù)以上分析，最終確定設(shè)計(jì)四個(gè)工位，八臺(tái)機(jī)器人，由于左右側(cè)圍對(duì)稱設(shè)置，因此下文只以右側(cè)圍為例，布局如圖2所示。

其中OP10為外板總成人工工位。OP20為內(nèi)板總成搬運(yùn)及內(nèi)、外板關(guān)鍵工藝點(diǎn)自動(dòng)焊接工位，A1機(jī)器人完成內(nèi)板總成從B滑臺(tái)搬運(yùn)到OP20工位上，隨后A2、A3、A4機(jī)器人完成內(nèi)、外板關(guān)鍵點(diǎn)的焊接。OP30工位的三臺(tái)機(jī)器人完成內(nèi)、外板工藝點(diǎn)的補(bǔ)焊工作。OP40工位的一臺(tái)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)焊接完成后的側(cè)圍總成搬運(yùn)到EMS小車上的功能。至此整個(gè)右側(cè)圍總成焊接工作完成。

圖2 右側(cè)圍布局

4 細(xì)節(jié)仿真

4.1 焊鉗選型

根據(jù)每臺(tái)機(jī)器人分配的焊點(diǎn)，利用DPM中的TSA工具制作出供廠家制作焊鉗用的數(shù)模文件，當(dāng)廠家的焊鉗設(shè)計(jì)完成后，亦可用此方法驗(yàn)證該焊鉗與工件和工裝之間是否有干涉，最終完成焊鉗選型。

4.2 機(jī)器人位置布局

圖3 完整工位布局

機(jī)器人放置位置不僅影響機(jī)器人的可達(dá)性，更關(guān)系到機(jī)器人及末端工具與工裝、工件，機(jī)器人與機(jī)器人之間的干涉問(wèn)題，合理的位置可以有效減少甚至避免干涉問(wèn)題。DELMIA中Auto Place工具可以方便的找出機(jī)器人的擺放位置和高度。最終機(jī)器人布局如圖3所示。完成以上工作后將制作有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的焊鉗用Set Tool工具裝配到機(jī)器人末端即可進(jìn)行機(jī)器人示教仿真工作。

4.3 機(jī)器人示教

機(jī)器人的示教和軌跡優(yōu)化是DELMIA的又一個(gè)亮點(diǎn)，它能夠真實(shí)的模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。利用Teach a device命令，選擇要示教的機(jī)器人，即可調(diào)出機(jī)器人示教窗口，如圖4所示，在此窗口中可以方便的插入/刪除軌跡點(diǎn)、修改位姿、增加焊接動(dòng)作、IO設(shè)置以及調(diào)整焊接工序等等。通常機(jī)器人示教完成后，其運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際是相差比較大，經(jīng)常出現(xiàn)某個(gè)軸旋轉(zhuǎn)360度的現(xiàn)象，因此我們需要對(duì)其軌跡進(jìn)行優(yōu)化，使其與現(xiàn)實(shí)相符。自動(dòng)軌跡優(yōu)化命令：Set TurnNumbers，如圖5所示，在該窗口中可以選擇最小旋轉(zhuǎn)角度（ShortestAngle）模式進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化完成后即可按照優(yōu)化后的軌跡運(yùn)行。

圖4 機(jī)器人示教窗口

圖5 機(jī)器人軌跡優(yōu)化

4.4 干涉區(qū)

干涉區(qū)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是運(yùn)動(dòng)設(shè)備之間可能發(fā)生碰撞的一個(gè)空間區(qū)域。避免設(shè)備之間發(fā)生碰撞的方法通常是在干涉區(qū)域內(nèi)同時(shí)只允許一臺(tái)設(shè)備作業(yè)，這種避免方法也有二種，一是時(shí)間干涉，二是空間干涉。時(shí)間干涉法由于浪費(fèi)大量時(shí)間而很少使用，特別是在龐大系統(tǒng)中；空間干涉是將有可能出現(xiàn)干涉的區(qū)域劃分出來(lái)，該空間內(nèi)同時(shí)也只有一臺(tái)設(shè)備可以申請(qǐng)作業(yè)，進(jìn)入干涉區(qū)域后該設(shè)備主動(dòng)發(fā)出區(qū)域鎖定信號(hào)限制其他設(shè)備進(jìn)入，當(dāng)設(shè)備離開(kāi)干涉區(qū)域后發(fā)出釋放信號(hào)。由于空間干涉法控制方便而被廣泛采用。DELMIA中提供的空間干涉法Clash可以在設(shè)備安裝調(diào)試之前就可以準(zhǔn)確的找到所有干涉區(qū)域，能夠大大縮短調(diào)試時(shí)間。

5 結(jié)論

通過(guò)理論設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用我們發(fā)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中應(yīng)用DELMIA仿真的所有數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的反應(yīng)現(xiàn)實(shí)狀況，更為調(diào)試提供了積極的指導(dǎo)作用，實(shí)際焊接的樣件通過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)和破檢驗(yàn)證全部合格，焊點(diǎn)一致性和質(zhì)量遠(yuǎn)高于人工生產(chǎn)的產(chǎn)品。

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