基于Roboguide的商用車門框機器人焊接的設計與仿真

宋琳,劉煒,曾耀華,蔡玉偉,李保鋒

(上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司，重慶 401120)

0 引言

汽車白車身是一個復雜的焊接結構件，主要應用點焊、凸焊、CO2氣體保護焊等焊接工藝[1]，其中應用最多的是點焊，一般車型白車身的焊點數有4 000～5 000個[2]。目前商用車車門常用的焊接方式有人工焊、自動焊、機器人焊等。人工焊存在焊點一致性差、效率低、人機工程量大等缺點[3]；自動焊存在穩定性差、故障率高[4]、維護成本高等缺點；而工業機器人能有效降低用工成本和提升生產效率，同時工業機器人可以實現柔性化生產并保證穩定的焊接質量，工業機器人焊接已成為汽車白車身焊裝的主流[5]。

Roboguide是日本FANUC公司為本公司機器人研發的離線編程軟件,包括建模、布局、編程和仿真四大模塊[6]，擁有處理搬運、弧或點焊、噴涂等機器人離線仿真功能，具有 FANUC 公司的各種型號機器人模型及與機器人通信等基本功能[7]。

作者以某商用車車門焊接為例，從機器人選型、仿真環境建立、離線編程、仿真驗證等方面，詳細論述了基于Roboguide的FANUC機器人離線仿真的具體操作步驟，驗證了使用機器人進行該車型門框焊接的可行性，為生產現場的實際應用提供了理論依據。

1 機器人及焊鉗的選型

通過數模分析可知焊接尾門框時焊鉗的運動直徑在1 800 mm內，而機器人的焊鉗可以沿用目前自動焊接機械手的氣動焊鉗，需要增加焊鉗連接法蘭，與機器人法蘭相配合。該氣動焊鉗約95 kg，加上機器人管線包約15 kg，故所選機器人載質量需大于120 kg。考慮到機器人型號的通用性及備品備件共用性，FANUC R-2000iB 210F型號的機器人滿足要求，其運動直徑可達2 655 mm，如圖1所示。

圖1 FANUC R-2000iB 210F型號的機器人運動范圍示意圖

2 建立仿真環境

Roboguide能夠利用軟件自帶的模型庫和外部導入的格式為igs或iges的模型，進行生產設備及外圍設備的布局，建立符合生產現場實際標準的仿真環境，大大提高了離線編程的效率和質量[8]。下面具體介紹仿真環境的搭建。

2.1 建立Work Cell工作單元

打開Roboguide V9.0軟件，進入后在提示畫面中選擇New Cell新建單元，在機器人工藝選擇畫面選中HandingPRO，點擊Next進入下一步給工程命名(這里作者取名為HandingPRO)，點擊Next選擇建立機器人的方式：第一項“Create a new robot with the default HandingPRO config(根據缺省配置新建)”；點擊Next 選擇機器人版本為V9.0 R-30iB Plus，點擊Next 選擇機器人應用類型為SpotTool+(H590)焊接應用軟件包；點擊Next 選擇機器人型號為R-2000iB/210F(載質量為210 kg)；由于沿用之前的氣動焊鉗，所以機器人不需要增加附件軸控制，點擊Next跳過附加軸運動組設置；默認選擇軟件功能項Ascii Program Loader(R796)和PC Interface(R641)；點擊Next進入信息概覽畫面，點擊Finish完成Work Cell的建立，如圖2所示。

圖2 Roboguide中機器人添加完成

2.2 導入焊鉗數模及進行焊鉗設置

首先將得到的焊鉗數模通過UG拆分成3個部分，分別為焊鉗本體GUN.prt.igs、焊鉗靜臂jingbi.prt.igs、焊鉗動臂dongbi.prt.igs。下一步進行工具添加，在樹形工具欄中展開機器人設置項GP∶1-R-2000iB/210F，雙擊UT∶1(Eoat1),通過CAD File導入本地文件GUN.prt.igs，焊鉗本體添加完成。接下來，在焊鉗本體上添加靜臂，右擊UT∶1(Eoat1)—Add Link—CAD File—jingbi.prt.igs，Link1即為靜臂；同理添加焊鉗動臂UT∶1(Eoat1)—Add Link—CAD File—dongbi.prt.igs，Link2即為動臂。由于在焊接過程中氣動焊鉗的兩個臂都有焊接動作(這樣設計是為了避免焊鉗與鈑金干涉)，所以焊鉗的靜臂和動臂都需要添加虛擬電機。雙擊進入Link1—Motion選項卡，Motion Control Type選擇Device I/O Controlled 即D網控制方式，Axis Type選擇Linear直線運動方式，Speed默認為15 mm/s，Inputs輸入信號分別設置為Robot Controller1 RO[1] ON 0、Robot Controller1 RO[2] ON 5、Robot Controller1 RO[3] ON 5，Outputs輸出信號分別設置為Robot Controller1 RI[1] ON 0、 Robot Controller1 RI[2] ON 5、Robot Controller1 RI[3] ON 5，如圖3所示。同理進行Link2焊鉗動臂的相關設置，如圖4所示。

圖3 氣動焊鉗靜臂的設置

圖4 氣動焊鉗靜臂的設置

下一步進行焊鉗工具坐標點的設置，雙擊UT∶1(Eoat1)，在屬性界面中找到UTOOL界面，勾選Edit UTOOL后，用鼠標拖動工具坐標點至正確的位置(焊鉗工具坐標點是以焊鉗靜臂電極帽的豎直向上為+Z方向，沿靜臂向外為+X方向)，確定位置后點擊屬性框中單擊Use Current Triad Location，然后點擊Apply應用，焊鉗工具坐標點TCP設置完成，如圖5所示。

圖5 焊鉗工具坐標點TCP的設置

下面通過IO信號的關聯設置，在Roboguide中便可以點動焊鉗。首先調出示教器畫面，點擊MENU→SETUP→F1→Spot Config，將9 Enable Backup gun置為ENABLED，18 Backup stroke置為ENABLED，29 Backup open detect置為ENABLED，30 BU close/gun open detect置為ENABLED，31 Close gun immediately置為ENABLED，46 Reset WC with Robot置為ENABLED。繼續進行IO信號關聯，點擊MENU→IO→F1→0 NEXT→Interconnect,按下F3 SELECT選擇DI-RO界面，將DI[1]對應RO[1]，DI[2]對應RO[2]，DI[3]對應RO[3]并置為ENABLE；再進行焊接信號配置，點擊MENU→IO→F1→Spot Config→OUT DO，將1 Close gun 設為DO[1]，Close backup 設為DO[2]，Open backup 設為DO[3]。切換為IN DI畫面，將4 BU open detect 設為DI[3]，5 BU close detect設為DI[2]。至此，氣動焊鉗的配置完成，可以在示教器界面通過Shift+GUN 或Shift+Backup組合鍵進行焊鉗的閉合、小開口和大開口之間的切換。

2.3 導入工裝數模及相應布局

在進行仿真環境布局時要首先考慮機器人的工作空間。機器人工作空間是指在機器人正常運行過程中所能達到的區域[9]，所以仿真環境中的工裝、零件的位置一定要布置在機器人的工作空間內。

添加機器人底座，右鍵單擊GP∶1-R-2000iB/210F,選擇Add Dressout-Base(可以用軟件自帶的數模庫或本地的數模)，這里通過CAD Lirary→Obstacles→robot_base→ARCM_A290-7904-X377選擇一款底座，雙擊底座設置空間坐標值，Location X=0,Y=0,Z=-500；雙擊機器人本體，設置機器人空間坐標值，Location X=0,Y=0,Z=500,這樣機器人便附著于底座上，勾選Lock All Location Values鎖定機器人位置。下一步導入工裝數模，在樹形工具欄中，鼠標右鍵點擊Fixtures,選擇Add Fixture，通過Single CAD File導入本地文件LIFTGATE.igs(尾門、工裝及夾具)，同樣通過調節Location XYZ的坐標值，將工裝調節至合適的位置(在機器人Current UTool當前工具坐標點可達范圍內)，機器人可達范圍如圖6所示。

圖6 機器人Current UTool當前工具坐標點可達范圍示意圖

2.4 布局外圍設備

根據車間布局圖，規劃出機器人安全圍欄的布置，在樹形工具欄中右鍵單擊Obstacles→Add Obstacle→CAD Library→Obstacles→fence→FENCE_EXP_H2000_W1000，完成一塊安全圍欄的添加，同理導入另外的安全圍欄并編號FENCE_1-16(通過Location中XYZ及WPR調節圍欄的空間位置)。下一步添加機器人控制柜，右鍵單擊Obstacles→Add Obstacle→CAD Library→controllers→RJ_3ib_cabnet,并調節機器人控制柜的空間位置Location。為了使仿真環境更貼切生產現場，用同樣的方法添加現場工控機PC_Rack、柱燈控制盒Hand_Stand01、Hand_Stand02以及現場作業人員FANUC Man等。完成后的工位布局如圖7所示。

3 運用Roboguide進行離線編程

機器人編程主要有示教編程和離線編程兩種方法[10]，離線編程可通過一些專用機軟件來編程可以提高控制精度[11],且能完成一些復雜的運動軌跡。下面介紹尾門框焊點軌跡的離線編程方法。

3.1 進行焊點錨點

在Roboguide菜單欄上點擊Show/Hide Target tools選項，調出Target工具欄，點擊工具欄上Surface表面錨點按鈕，在尾門數模上合適的位置單擊左鍵，則錨點T1生成，雙擊樹形工具欄上T1，在屬性設置界面中可以通過Location XYZ和WPR調節T1的位置，使T1錨點垂直于尾門工藝焊點處。按此方法，根據工藝焊點位置，生成T1—T28共28 個錨點，來作為Roboguide可識別的焊點位置。焊點分布如圖8所示。

圖8 門框焊點分布圖

3.2 機器人程序編輯

首先確定機器人的Home點位置，Home點位置需要避免和工裝、圍欄、相鄰設備及人員產生干涉，在機器人BYPASS屏蔽時，Home點位置也需要是絕對安全無干涉的位置。通過點動示教器將機器人移至適合的位置(此處機器人關節坐標值為J1：0、J2：-26、J3:0、J4：0、J5：-90、J6：0)，點擊示教器MENU→SETUP→F1 TYPE→0 NEXT→Ref Position→F3 DETAIL,然后按住Shift+F5 RECORD記錄當前點為Home點位置，PREV返回Ref Position界面將NO.1位置啟用。同時，可以建立宏程序MOVE_HOME，按住Shift+F1 POINT將當前位置記錄為J P[1]100% FINE。下一步確定機器人等待點POUNCE點的位置，一般取機器人離白車身距離較近的點，目的為提前啟動，節約循環時間。建立宏程序POUNCE，點動機器人離開Home點移至距離白車身較近的適合位置，按住Shift+F1 POINT將當前位置記錄為POUNCE點。為避免機器人焊鉗與鈑金干涉，需要在焊點位置之前添加過渡點，此處過渡點設置為P[2]、P[3]。然后開始添加焊點指令，在樹形工具欄Targets中雙擊點T1，在屬性界面點擊Move To按鈕，則機器人的工具坐標點則會移動到T1的焊點位置，在示教器中點擊F2對應的SPOT選項，記錄第一個焊點程序為L P[4： SPOT_001]2 000 mm/sec FINE SPOT[BU=C, S=1, BU=*]，焊點編號為SPOT_001。同理依次記錄出T2—T28的焊點程序，注意若焊點間有工裝或兩點間拐角過大，需要添加過渡點，最后調用回原點的宏程序MOVE_HOME。如下是編輯的程序示例：

/STYLE01

1:UTOOL_NUM=1 ;

2:UFRAME_NUM=0 ;

3:

4:J P[1] 100% FINE ;

5: POUNCE ;

6:J P[2] 100% CNT100 ;

7:J P[3] 100% CNT100 ;

8:L P[4:SPOT_001] 2000mm/sec FINE

: SPOT[BU=C,S=1,BU=* ] ;

9:L P[5:SPOT_002] 2000mm/sec FINE

: SPOT[BU=C,S=1,BU=* ] ;

……

39:L P[31:SPOT_028] 2000mm/sec FINE

: SPOT[BU=C,S=1,BU=* ] ;

40:J P[32] 100% CNT50 ;

41:J P[2] 100% CNT100 ;

42: MOVE_HOME ;

4 離線仿真驗證

使用 Roboguide的仿真功能可以模擬機器人運動的全過程，可以對未來該工位的工作狀態進行評估和前瞻性研究[12]。

按住示教器面板上的 SHIFT+FWD或SHIFT+BWD 組合鍵，分別能正序或倒序執行機器人程序，STEP單步按鈕可切換程序單步或連續執行，如圖9所示。仿真中可以看出機器人運行過程有無干涉(程序運行時機器人干涉部分會高亮顯示)，通過軌跡修正、增加干涉區或調整物體位置，從設計上來避免機器人運動與周邊產生干涉。仿真得到機器人整個循環周期時間約為53 s，而現場目前所使用的自動焊設備的循環周期為75 s，通過離線仿真可以得出使用機器人進行該商用車尾門框焊接完全滿足使用要求，并且單個循環周期可以節約22 s，大大提升了生產效率。

圖9 機器人仿真運動軌跡示意圖

5 結語

目前機器人技術應用成熟，其價格優勢也愈發明顯，隨著汽車制造業競爭加劇、用工日趨緊張，推廣應用工業機器人是大勢所趨。使用機器人焊接能保證焊點質量穩定，提高生產效率，且故障率低、保養維修方便，滿足了企業生產的需求。以某商用車車門焊接為例，論述了使用Roboguide進行FANUC機器人離線仿真的具體方法，驗證了使用機器人進行該車型門框焊接的可行性，為生產現場的實際應用提供了理論依據，同時文中論述的方法也可為FANUC機器人用于其他應用時的離線仿真提供借鑒。