白車身車門焊裝線工藝規劃及數字化工廠技術研究

徐小劍， 段 偉

(安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603)

焊裝線的設計過程繁瑣,焊接設備制造周期長、成本高。如何高效可靠地設計汽車焊裝線已成為汽車工業的迫切問題。隨著制造技術和軟件系統的不斷發展和研究,“數字化工廠”技術應運而生。使用該技術,可以完成生產線的過程模擬、人體工程學模擬、離線編程等,能驗證和優化工藝,設計出高質量的自動化焊裝線。它為制造商及供應商提供統一的數據平臺,涵蓋生產制造中的各個環節,并及時共享信息。

當前,應用于汽車白車身焊裝線設計的數字化軟件平臺主要有德國西門子公司產品eM-workplace(Robcad)和Process design/Process simulation(pd/ps)及法國達索公司產品Delmia,以前兩者應用較廣。

1 車門焊裝線工藝規劃

汽車產品結構差異很大,車身的類型多種多樣,其焊接工藝也各不相同。對某車廠某車型車門結構進行分析,得到焊裝工藝流程如圖1所示。

圖1 車門焊裝工藝流程圖

車門焊裝線是單車型大批量生產線。該車型生產計劃要求為180000輛/年(Q),設備的年工作日為320天(D),每天雙班8小時(H)工作制,設備利用率為80%(S),底板線自動化率為25%。年有效工作時間(F)為:

F=(H×60)×D×S×n

=8×60×320×80%×2=245760(min)

每輛車可利用時間為:

計算出車門焊裝線節拍為81.9s。根據自動化率,該項目為半自動焊裝線,前門工藝信息如表1所列。

表1 前車門工藝信息統計

如何在每個工作站中依次完成這些焊點和膠條是焊裝生產線需要規劃的首要任務。焊點可分為定位焊點和補焊點,定位焊點的焊接在補焊點之前完成。各工作站的內容主要包括:上件、夾具夾緊、焊接、涂膠、下件、搬運等。各操作花費的時間都有經驗值如表2所列。

表2 各動作耗費時間經驗值

工作有效時間:

其中,Ei為事件數量,ti為對應事件單個元素的耗費時間。機器人焊點的數量等于焊點的總數乘以自動化率,即24個。此車門焊裝線工作站間運輸時間P1按10s計算,每個工作站裝/卸件時間按15s計算,得到有效焊接時間:

Te1=96×4+15=399(s)

生產線節拍為81.9s每個工作站的節拍應該小于或等于整個生產線的節拍,得出工作站能利用的有效時間P2為:

P2=P-P1=81.9-10=71.9(s)

焊接工作站所需的操作員(機器人或工人)數目為:

給每個工作站分配2個操作員,可以規劃2個定位焊接工作站和2個補焊工作站。因為車門內板與門鎖扣加強板、鉸鏈加強板焊接時,工件較多,裝夾工件耗時較長,所以該工作站選用可旋轉的兩面轉臺作為裝件設備,允許裝件和焊接工作能同時進行,并且使用2臺工業機器人進行焊接操作,其余工作站都采用人工焊接?？紤]節拍、產能、成本和質量等各種因素,使用工業機器人進行涂膠工作,選用壓機進行車門內外板包邊扣合。初步規劃的車門焊裝線平面布局如圖2所示。

圖2 車門焊裝線布局規劃圖

工藝規劃是焊裝線設計的重要內容,1條焊裝線的成敗取決于其工藝方案是否合理。規劃內容,主要包括各工作站操作順序、焊接參數、工件運輸方式等。該車門(前門)焊裝線,整線工藝規劃如表3所列。

表3 車門焊裝線工藝規劃

2 數字化工廠建模

圖3 FD-010數字化工廠模型

使用數字工廠技術,可以在計算機中模仿真實的工廠環境,并且可以根據實際大小和比例將車間中的所有資源放置在虛擬軟件環境中。在初步確定各工作站產品數模、焊點、焊槍及夾具結構后,將各種資源導入到軟件中。圖3是建立的FD-010工作站數字化工廠模型。

機器人點焊工作站數字化工廠的建模遵循以下流程:①根據初始工藝規劃、布局和焊點分配,建立點焊工作站仿真模型;②設置各種參數,比如焊接參數和工藝參數等;③按照規劃方案,建立工作站操作順序圖Sop(Sequence of Operations),在Sop中運行仿真模型。如果方案出現結構干涉、節拍超時、機器人不可達等問題時,必須作出修改及優化,具體措施有:修改夾具結構、更改焊槍、調整機器人、優化路徑、重新分配焊點等。數字化工廠建模流程如圖4所示。

方案驗證通過后,機器人必須進行編程調試。機器人編程分為示教編程和離線編程兩種。示教編程要求調試工程師在現場使用1臺與機器人控制柜相連的示教盒操作,邊運行機器人邊示教,反復優化軌跡后,最后將程序寫入機器人存儲。離線編程則是在數字化工廠模型中應用OLP模塊,在軟件里提前規劃好路徑,設置每個焊點焊接參數,經校準消除誤差后導入到機器人運行。與示教編程相比,離線編程具有以下優點:①編程時不影響機器人工作,減少機器人停機時間;②改善編程工作環境,工程師可以遠離危險工作環境;③便于CAD/CAM/ROBOTICS一體化;④通過數字化工廠技術驗證,能對復雜運行軌跡編程,可以提高程序的精度和可靠性。Robcad離線編程通過RRS協議建立與機器人的 RCS 的通信,完成兩者之間的離線程序接口對接。RCS生成的離線程序采用.pe格式,其中的代碼為ASCII碼。但是,由于真實環境的機器人只能使用以二進制代碼編寫的.tp文件,因此必須經過RJ TRANSLATOR進行數據格式轉換,生成的離線程序才能在機器人上運行,按照圖5所示流程進行。

圖4 數字化工廠建模流程圖

圖6 用戶坐標系校準法

離線程序存在誤差,來源于2個方面:一方面是外部誤差,比如機器人和工裝設備的安裝誤差、加工誤差等;另一方面是內部誤差,如機器人結構加工制造誤差。如何消除這種誤差是離線編程技術實現應用的關鍵。一般是基于用戶坐標系校準法,借助于三坐標測量儀,設置用戶坐標系來消除數字化工廠模型與現實環境之間的誤差。生成的程序也可以用記事本打開,可以直接進行編輯。用戶坐標系校準法應用流程如圖6所示。

3 結束語

本文以某車廠某車型車門焊裝線為研究對象,對其工藝規劃過程做了詳細分析,并建立了機器人焊接工作站數字化工廠模型,最后將生成的離線程序導入到現場機器人中運行,提高了焊裝線的設計效率和可靠性,縮短了項目周期,對企業生產具有較大的經濟效益。實施“數字化工廠”技術將為國內汽車制造企業帶來巨大的收益,當前這方面人才尤其緊缺,需要積極向國外學習。