基于PD/PS的機器人涂膠工位仿真研究

劉陽杰，朱 杰，張紅梅

(四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司，四川 成都 610052)

0 前言

涂膠工藝是汽車白車身制造的重要工藝，涂膠質量的好壞決定了最終汽車車身的結構強度和密封性能，對汽車壽命影響明顯。為了保證工藝質量，現在汽車廠家已廣泛采用工業機器人進行涂膠作業。

Tecnomatix是Siemens PLM Software提供的數字化制造解決方案，通過將制造規劃，包括從工藝布局規劃和設計、工藝過程仿真和驗證到制造執行與產品設計連接起來，實現在3D環境下進行制造工藝過程的設計；用數字化的手段驗證產品的制造工藝可行性；預先分析生產系統未來的能力表現。Tecnomatix具有集成的真實機器人仿真技術，針對不同的機器人可進行精確的離線編程，同時基于實際控制邏輯的事件驅動仿真使得虛擬調試成為可能。從而提高了機器人離線編程效率和質量，減少了真實環境調試的時間和成本。

在此使用Tecnomatix 10版對某車型涂膠工位進行模擬，通過優化機器人路徑改善了涂膠質量。

1 在PD中完成工藝設計

在工藝設計過程中所涉及的數據主要分為三種類型：產品數據、工藝數據和資源數據。

產品數據即主機廠提供的白車身數模、焊點、涂膠等信息；工藝數據則為車間布局規劃、生產線規劃、機器人或者手工工位的操作流程等；資源數據則是鋼結構、傳輸設備、夾具、機器人、焊鉗、涂膠系統、安全防護及相關附屬設備的集合。工藝設計可以歸納為：創建過程、導入過程、分配過程和擺放過程。

創建過程主要是資源庫、生產線和操作樹的創建。在systemroot目錄下按照主機廠項目要求創建文件夾節點，存儲所需數據。在PD中完成各種設備資源原型庫結構樹或節點的創建，創建與數據相對應的節點類型，將原型節點與systemroot下的數據關聯起來。利用原型庫建立實例庫和生產線結構樹。然后根據生產線工藝過程創建操作樹。生產樹和操作樹主要以工位為基礎來創建。

導入過程主要是產品和焊點的導入。產品數據和焊點都是主機廠提供的，不用對此花費太多精力；而詳細的夾具、鋼結構、傳輸設備和安全護欄等數據需要供應商完成，這些建模工作通常都會在3D設計軟件（如Catia，UG等）下完成，然后通過CAD Translators插件或者其他第三方平臺轉換成Tecnomatix可操作的.CO或.COJT格式。最后通過ImportCAD files接口導入到Tecnomatix的模型庫，或直接在數據節點的屬性中指定該數據的存儲目錄。

分配過程主要工作是白車身零件、焊點、操作和資源的分配。按照工藝流程順序，將產品、資源與操作進行關聯。把零件、焊點、工人、資源分配到相應的工位甚至是具體的焊鉗、膠槍等工具上。工位的結構樹一般包括線纜、控制器、鋼結構和線槽、夾具、機器人或者工人、焊鉗或膠槍、上件臺、傳輸、光柵、安全護欄、修磨器等。

以上步驟完成之后，在視圖中加載對象時會發現所有的設備都重合在廠房的坐標原點，這是因為所有的夾具都是基于汽車坐標系原點來設計的，需要根據2D規劃布局圖重新擺放設備到相應的位置。在PD中，各個對象之間是沒有裝配約束關系的，都是通過三維坐標值來定位。屬性中physical選項卡所示的坐標值與上層節點的原點相對應。直接利用移動工具將對象移動到相應位置。

在具體的操作過程中會遇到兩種甚至更多的平面設計方案：在PD中直接利用夾具庫完成原始位置的平面設計；如果是在AutoCAD中完成平面設計，可以通過數據轉換接口導入PD，夾具等3D數據可以根據關聯關系進行布局。在此推薦直接在PD中進行3D規劃，其最大的優勢是參與人員所獲得的數據能保持良好的一致性，因為采用二維工藝平面布置圖，盡管配以文檔說明，但由于不夠直觀，不便于技術交流、校對和審核，更沒有進行三維空間干涉驗證，常常引發干涉現象。本實例項目部分3D布局最終效果如圖1所示。該工位設備列表和效果圖分別如表1、圖2所示。最后在PD中創建study folder，將需要模擬的工位拖放到該folder下建立快捷方式，如圖3所示，右擊節點用PS打開，進入下一步。

圖1 部分3D布局最終效果

表1 機器人涂膠工位設備

圖2 機器人涂膠工位工藝設計效果

2 在PS中進行機器人模擬

（1）初選機器人型號、膠槍型號及附屬設施型號；模擬涂膠槍到涂膠位置的可達性；確定機器人的型號；確定機器人和夾具等設備的位置；如果發生設備或者機器人位置更改，修改完成后需要更新回PD數據庫。

（2）確認夾具和產品件的裝配夾持情況，如果不正確，檢查夾具和產品件的原點是否相同，二者的self坐標系都應是車身坐標系。

圖3 建立PS模擬用的節點

（3）確認夾具的工作狀態。假如設備打開、閉合和旋轉會干涉周圍實體，須反饋給設計人員進行更正。

（4）機器人進行工作路徑的模擬。一個經過優化的路徑不僅包括涂膠點，還包括運動路徑上的關鍵點才能讓機器人順暢運行。通過Gantt圖可以設置和分析工位操作順序及節拍符合性，最后生成離線程序。模擬路徑如圖4所示。

圖4 模擬路徑示意

下一步是在PS中對涂膠夾具進行關節定義，主要包括回轉臺的旋轉、夾具的打開和關閉狀態，注意部件與部件之間的層次結構，否則會導致回轉臺上的部件不跟隨回轉臺運動，這是驗證夾具準確與否的重要步驟。如果在模擬過程中出現閉合狀態的夾具與機器人及膠槍任何位置有干涉時，要及時優化路徑甚至修改夾具。

ASC5000系列機器人涂膠系統的膠槍和膠體存儲設備是分體式的，區別于輸膠管道連通到膠槍的形式，機器人每次涂膠之前需要檢測膠槍內是否有足夠的膠體完成任務，如果不足，機器人需回到加注點進行加注。膠槍容器里面的膠超過一定時間后就要排除清洗，并重新加注才能開始新的任務。

項目要求中對膠槍TCP（即Tool Center Point）位置做出了具體規定，需定義在距離膠槍出口z向3 mm（這和使用的膠類型有關）的位置，膠槍應盡量與產品件的涂膠面垂直。

在模擬涂膠的過程中要特別注意機器人的姿態，姿態連貫性直接影響涂膠質量。實際的涂膠效果表明如果機器人姿態變換過程不連續會導致膠體在零件表面起團，膠槍距離零件表面距離不適當會導致膠體在零件表面起麻花狀，如圖5所示，這些都是不合格的。根據實際情況再次在PS中對機器人姿態和膠槍到涂膠面的距離進行調整，最終得到如圖6所示的效果。由于膠的粘著性，膠槍在出膠和停膠時存在對信號的響應延遲，機器人在模擬路徑中應在涂膠起點之前一段距離盡量預設置一個路徑點，在結束涂膠點位置預留一個路徑點并且折返一下。機器人路徑程序可以在現場由調試人員更改，如果問題較多還是把實際路徑導回到PS中進行調整，效率會高很多，同時能有效降低發生現場事故的風險。在Tecnomatix中預設置每段膠條的出膠量，可以避免后期人工更改參數。本次使用的Tecnomatix10版本還包括新的自動路徑規劃功能，該功能能幫助工作人員降低機器人離線編程的工作量。

圖5 機器人涂膠中不合格情況

圖6 機器人涂膠理想情況效果

在Tecnomatix虛擬運行功能中可以在虛擬生產線上測試實際的PLC控制器程序，PS中提供的The Cyclic Event Evaluator（CEE）模塊使得機器人離線模擬和PLC集成控制具有更好的交互功能，在CEE環境中可以運行高級機器人命令，例如：CallPath、CallProg或包含這些命令的宏。虛擬運行能為電氣工作人員大大縮短實際調試時間。此外，智能組件的標準程序庫消除了從頭開始利用人工創建邏輯定義所需的時間，從而能進一步縮短在虛擬運行工程中所耗費的時間。Tecnomatix使產品在設計階段可視化并最優化設備的功能和動作；在虛擬模型上進行PLC程序修改和評估而不是在現實設備操作，把風險降到最低值。

本案例實際操作中與PLC通信之前需要在CEE中預先定義好每個程序段號和傳感器編號。如圖7所示，在OLP Commands對話框中添加所需要調用的指令。

圖7 指令調用對話框

最后生成的機器人程序中這些指令會自動分配到相應的位置，不需要人為分配。

機器人涂膠工位整個工作流程如圖8所示。當完成了涂膠的模擬任務之后可以使用Tecnomatix中PD或PS任意模塊完成涂膠工位工藝卡的制作，使用Note功能直接調用數據庫中的膠條信息，避免人為造成的數據錯誤，如圖9所示。

圖8 機器人涂膠工位整個工作流程

圖9 工藝卡圖片

3 應用PS模塊取得的成果

（1）系統完成了整個涂膠工位的工藝設計，使工藝流程、路徑規劃等工作變得更準確、快速。

（2）自動完成機器人的選型，實現每個涂膠點的動態仿真，確定機器人位置，提高效率。

（3）通過布置生產線、機器人、工位器具和護欄等資源，使虛擬設計與現場實際更加接近。

（4）通過路徑仿真，實現人工和機器人工位的節拍驗證與優化工作。

通過應用Tecnomatix系統，在PS中修改調整路徑提前優化了機器人涂膠姿態、提高了涂膠質量，避免了之后反復多次的現場程序代碼修改和場地占用，使施工問題提前暴露并得到解決，這是對傳統序列式設計規劃方法的改進，對以后的工程實施具有指導意義。