基于DELMIA 的機(jī)器人柔性滾邊系統(tǒng)仿真研究*

張青青

(吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132000)

0 引言

機(jī)器人滾邊是指通過機(jī)器人及安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上的滾邊工具將沖壓過后留有翻邊的外板(通常為汽車的左右前車門、后車門，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和行李箱蓋或后背門)折疊到180°，使內(nèi)外板整合成一體。DE LMIA 又稱“數(shù)字化工廠”，它可與主要的CAD、PDM和ERP 系統(tǒng)集成，結(jié)合各種生產(chǎn)工藝信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線三維仿真研究［1］。

本文首先創(chuàng)建滾邊工作站，研究滾邊工作站節(jié)拍，利用技術(shù)協(xié)議確定主線節(jié)拍、滾邊節(jié)拍等，通過DELMIA 對(duì)滾邊系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，包括建立TCP Frame和Tag 點(diǎn)、夾具運(yùn)動(dòng)建模、連續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真、節(jié)拍驗(yàn)證，最后輸出離線程序。

1 滾邊工作站的創(chuàng)建

滾邊的加工方法可以是一機(jī)多模或者一模多機(jī)，這主要取決于生產(chǎn)節(jié)拍。本系統(tǒng)采用一機(jī)多模的形式，即一臺(tái)KUKA210 -2 機(jī)器人以及一套發(fā)動(dòng)機(jī)艙夾具，一套車門夾具，同時(shí)兩套夾具固定在一個(gè)回轉(zhuǎn)臺(tái)上。具體的工作流程是:當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行滾邊操作時(shí)工作人員進(jìn)行板件上件操作，滾邊完成后，機(jī)器人切換滾邊工具同時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)180°，此時(shí)工作人員可以取下滾邊完成的板件而機(jī)器人則進(jìn)行下一輪滾邊操作。對(duì)于孤立的工作站，若一臺(tái)機(jī)器人同時(shí)有多個(gè)工作對(duì)象，以機(jī)器人原點(diǎn)為工位原點(diǎn);若一個(gè)工作對(duì)象有多臺(tái)機(jī)器人對(duì)其工作，則以工件原點(diǎn)為工位原點(diǎn)。在本項(xiàng)目中每個(gè)工作站為單臺(tái)機(jī)器人對(duì)兩個(gè)工件進(jìn)行滾邊，故選擇機(jī)器人為工位原點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)來布置工件、夾具及其他相關(guān)工位器具。

在DELMIA 的Device Task Definition 模塊中使用Activity Management 工具條下的Insert Resource 指令將KUKA 機(jī)器人、滾邊夾具系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、門蓋數(shù)模、滾邊工具等作為Resource 插入到PPR 結(jié)構(gòu)樹中，并調(diào)整它們相對(duì)于機(jī)器人的位置，直到所有需要滾邊的邊在機(jī)器人的包絡(luò)面之內(nèi)。圖1 為調(diào)整好的機(jī)器人滾邊工作站。

圖1 機(jī)器人滾邊工作站

2 滾邊節(jié)拍分析

仿真規(guī)劃的主要目的就是獲得較高的制造質(zhì)量、較高的生產(chǎn)率以及較低的制造成本。生產(chǎn)流水線需要滿足的基本要求之一是滿足生產(chǎn)效率。通過技術(shù)交流確定流水線的生產(chǎn)內(nèi)容、生產(chǎn)目標(biāo)和綱領(lǐng)，從宏觀上把握規(guī)劃整線節(jié)拍［2］。根據(jù)焊裝線技術(shù)協(xié)議計(jì)算出主線節(jié)拍，假設(shè)一年生產(chǎn)線實(shí)際工作天數(shù)為α，年產(chǎn)量為β，γ 班制，每班工作δ 小時(shí)，設(shè)備開動(dòng)率為η，則主線節(jié)拍為:

對(duì)于門蓋線而言，若同一輛車的門蓋包邊或焊接設(shè)備共用，n為白車身的門和蓋的數(shù)量，m為可同時(shí)生產(chǎn)的設(shè)備，則節(jié)拍為:

本文所研究對(duì)象為門蓋線滾邊工作站，所以理論生產(chǎn)節(jié)拍為T1，該生產(chǎn)節(jié)拍是由轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間ta、夾具動(dòng)作時(shí)間tb、機(jī)器人滾邊時(shí)間w等組成的，即

進(jìn)行滾邊工藝規(guī)劃時(shí)必須要讓其仿真節(jié)拍小于或是等于理論節(jié)拍。

3 滾邊仿真分析與驗(yàn)證

3.1 TCP Frame 和BASE Frame

機(jī)器人進(jìn)行滾邊操作，其路徑就是TCP Frame 經(jīng)過各個(gè)Tag 點(diǎn)所形成，由于滾邊是連續(xù)性的作業(yè)，機(jī)器人需要不停變換姿態(tài)，為了能更方便地控制機(jī)器人的姿態(tài)需要在滾輪上設(shè)置多個(gè)TCP Frame，在滾邊時(shí)不同TCP Frame 之間可以相互切換，以保證滾邊過程中機(jī)器人的可達(dá)性以及良好姿態(tài)。本文為每個(gè)滾輪設(shè)置三個(gè)TCP Frame，TCP Frame 建立在滾輪母線上。

BASE Frame 的作用為了將滾邊工具精確的安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上。沒有安裝工具的機(jī)器人默認(rèn)TCP Frame 在其末端執(zhí)行器上，之后通過Set Tool 指令將BASE Frame 和機(jī)器人法蘭坐標(biāo)重合，同時(shí)將TCP Frame轉(zhuǎn)移到滾輪上，那樣滾邊工具就能精確地安裝在機(jī)器人上了。圖2 為滾邊工具上的BASE 和TCP Frame。

圖2 滾邊工具坐標(biāo)設(shè)定

3.2 動(dòng)作目標(biāo)點(diǎn)Tag

KUKA 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)類型有三種:PTP(點(diǎn)到點(diǎn))，LIN(直線)和CIRC(圓)。為了使機(jī)器人能夠順利的按照需要進(jìn)行滾邊操作就需要在機(jī)器人的工具移動(dòng)路徑上設(shè)置Tag，滾輪上TCP 經(jīng)過每個(gè)Tag，這樣機(jī)器人就能隨TCP 一起按照用戶需要的路徑移動(dòng)。在每個(gè)Tag 之間的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)類型可以通過修改機(jī)器人的Motion 來實(shí)現(xiàn)。滾邊由于其特殊性，Motion 全部選擇LIN 的形式。因?yàn)榘寮澢倪^程中位置在不斷的變化，這時(shí)板件的理論輪廓和胎模的邊緣線始終重合，所以將Tag 點(diǎn)建立在胎膜的邊緣線上。Tag 數(shù)量根據(jù)實(shí)際需要來制定，數(shù)量越多滾輪行走路徑越接近預(yù)期路徑，滾邊效果越好，但生產(chǎn)節(jié)拍會(huì)因此慢下來。定好Tag 后，建立機(jī)器人的任務(wù)，然后通過Add Tag 指令將Tag 添加到機(jī)器人任務(wù)里，這樣機(jī)器人和滾邊工具一起就能沿Tag 連續(xù)運(yùn)動(dòng)了。圖3 為在滾邊路徑上設(shè)置的Tag。

圖3 滾邊路徑上的Tag

3.3 夾具運(yùn)動(dòng)建模

機(jī)器人在進(jìn)行滾邊工作時(shí)，滾輪沿著門蓋的輪廓運(yùn)動(dòng)，滾邊工具以及機(jī)器人會(huì)和夾具干涉相撞，因此有必要讓夾具打開而避免這種情況發(fā)生。在Device Building 模塊中Device Building 工具條建立機(jī)械裝置。先把BRACKET 和氣缸缸體固定作為運(yùn)動(dòng)的基體，然后定義其他約束類型，本系統(tǒng)采用的TUNKERS 氣缸已經(jīng)把活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故只要將ARM、CLAMP 等零件作為整體繞氣缸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)即可，旋轉(zhuǎn)角度不能過小，過小導(dǎo)致板件不能取放以及會(huì)與機(jī)器人干涉。最后加一個(gè)角度驅(qū)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)夾具的開閉。如圖4 為設(shè)置好夾具動(dòng)作的夾具系統(tǒng)。

圖4 夾具系統(tǒng)

3.4 連續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真

在TCP、Tag 和夾具開合動(dòng)作都建立之后需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，觀察TCP 在經(jīng)過各個(gè)Tag 點(diǎn)時(shí)機(jī)器人的位姿是否在一個(gè)正常范圍內(nèi)，在DELMIA 中Teach指令顯示有六軸狀態(tài)一般要求保證機(jī)器人在整個(gè)工作過程中各個(gè)軸角度的極限必須比軟限位或硬限位至少小5 度(也可以通過設(shè)置機(jī)器人Soft Limit 方式自動(dòng)檢測(cè))，在工作位置到極限位置至少有100mm 的余量，4、6 軸不能共線也就是避免路徑中存在奇異點(diǎn)。圖5 為機(jī)器人示教窗口。

圖5 機(jī)器人示教(左圖是示教面板 右圖是機(jī)器人六軸狀態(tài))

使用Workcell Sequencing 模塊的Insert Activity指令在PPR 樹的Process 下建立兩個(gè)動(dòng)作庫(kù)，在PERT圖表里將三個(gè)動(dòng)作排序連接。如圖6 為PERT 圖表。

圖6 PERT 圖表

將第一個(gè)和第三個(gè)動(dòng)作庫(kù)和機(jī)器人任務(wù)連接。最后，利用Set an Active Task 指令對(duì)第一個(gè)和第三個(gè)動(dòng)作指定一個(gè)Robot Task，通過Process Simulation 指令就能輸出連續(xù)的仿真過程了。圖7 為連續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真。

圖7 連續(xù)運(yùn)動(dòng)仿真

3.5 節(jié)拍驗(yàn)證

通過Open Gantt Chart 可以看到整個(gè)工位的節(jié)拍分析圖。圖中可以看到滾邊工程所用的時(shí)間t＇。如果t＇ ＞T1，表示滾邊屬于超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種情況下可以采取改變滾邊工藝即90°→45°→0°、提高機(jī)器人滾邊速度或者增加一臺(tái)機(jī)器人等。如果t＇ =T1，這是最理想的狀態(tài)。如果t＇ ＜T1，表示在節(jié)拍里還有一定的空閑時(shí)間。圖8 為甘特圖，出中可以看到整個(gè)工位的節(jié)拍。圖中可以看到t＇ =83s，而理論節(jié)拍T1為85s，故滿足節(jié)拍要求。

圖8 節(jié)拍分析圖

4 離線編程

機(jī)器人離線編程是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，在計(jì)算機(jī)中建立機(jī)器人及其工作環(huán)境的仿真模型，通過對(duì)圖形的控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行編程，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)器人程序，該程序可在機(jī)器人控制器上在線編程［3］。滾邊由于其工藝的特殊性采用示教編程時(shí)示教人員很難掌握滾邊的速度，每次壓合的角度，滾邊力等等，以至于滾邊產(chǎn)生各種缺陷，造成不必要的損失。利用離線編程技術(shù)大大減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高編程效率及滾邊質(zhì)量。

對(duì)輸出的完整仿真動(dòng)作進(jìn)行研究，如果機(jī)器人動(dòng)作合理，與夾具配合程度好以及節(jié)拍滿足要求，則可以使用DELMIA 的Robot Offline Programming 模塊的Offline Programming 工具條可以生成離線程序。該離線程序可以直接導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人控制器里，進(jìn)行設(shè)當(dāng)?shù)默F(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定即可。

5 結(jié)束語(yǔ)

門蓋的滾邊技術(shù)是白車身焊裝線的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，滾邊質(zhì)量的好壞直接影響汽車的外觀和精度，通過采用機(jī)器人滾邊技術(shù)能精確控制滾邊的各項(xiàng)工藝參數(shù)從而保證滾邊質(zhì)量。

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