汽車零部件點(diǎn)焊柔性工作站的仿真應(yīng)用

秦承華，黃蜜，楊黃銳

(東風(fēng)(武漢)實(shí)業(yè)有限公司，湖北武漢 430000)

0 引言

機(jī)器人焊接技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越成熟，焊接機(jī)器人工作站得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。汽車零部件制造商投入的機(jī)器人工作站都向柔性化、智能化以及高效化的方向發(fā)展。汽車零部件點(diǎn)焊多以六軸機(jī)器人配焊槍?xiě)?yīng)用，其運(yùn)動(dòng)空間大，運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試示教工作量大，環(huán)境惡劣，機(jī)器人的可焊性直接影響工作站整體規(guī)劃的可行性，因此對(duì)機(jī)器人的焊接運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析對(duì)于工作站的布局、焊接設(shè)備的選型、夾具的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

本文作者論述了利用西門(mén)子Process Simulate 軟件對(duì)汽車零部件點(diǎn)焊工作站焊接產(chǎn)品進(jìn)行模擬仿真，對(duì)工作站的整體規(guī)劃、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍選型以及碰撞干涉等進(jìn)行虛擬三維分析并最終進(jìn)行機(jī)器人離線編程，為柔性點(diǎn)焊工作站提供高效的解決方案。

1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目針對(duì)目前在生產(chǎn)的小產(chǎn)能產(chǎn)品ASE-2左&右縱梁補(bǔ)丁板[如圖1(a)]、P24左&右風(fēng)窗支柱[如圖1(b)]、HZH左&右前A柱[如圖1(c)]、TX9左&右弧形里板[如圖1(d)]4種手工焊接產(chǎn)品進(jìn)行改造，共6套夾具集成于柔性點(diǎn)焊自動(dòng)工作站進(jìn)行生產(chǎn)。另外，今后小產(chǎn)量的新能源車型等新產(chǎn)品都可以集成于此工作站中。為提高車間閑置機(jī)器人的利用率，同時(shí)降低成本，項(xiàng)目利用已有FANUC2000ic210f機(jī)器人改造完成。

圖1 本文作者的研究對(duì)象

2 點(diǎn)焊工作站的規(guī)劃與仿真分析

2.1 工作站方案規(guī)劃

初版方案如圖2所示，F(xiàn)ANUC2000ic210f機(jī)器人以行走的方式進(jìn)行焊接。為保證工作站的柔性化，機(jī)器人配備ATC(Auto Tool Change)，可攜帶X型焊槍和C型焊槍進(jìn)行焊接。X型焊槍適用于產(chǎn)品上的水平焊點(diǎn)和焊點(diǎn)法向垂直的焊點(diǎn)，C型焊槍則適用于垂直焊點(diǎn)和焊點(diǎn)法向水平的焊點(diǎn)[1]。機(jī)器人在焊接不同類型產(chǎn)品時(shí)，可自動(dòng)切換對(duì)應(yīng)的焊槍進(jìn)行焊接。工作站設(shè)置6個(gè)工位，可滿足多種產(chǎn)品夾具的切換。

圖2 工作站方案布局

2.2 仿真工作站建模

機(jī)器人點(diǎn)焊工作站是以機(jī)器人為核心的智能焊接生產(chǎn)系統(tǒng)，站內(nèi)還包含行走軸、焊槍、修磨器、夾具、安全圍欄、電控柜、線槽等設(shè)備。機(jī)器人攜帶焊槍在焊接過(guò)程中運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，速度快，空間狹小，因此必須對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行1∶1比例建模，仿真模擬機(jī)器人實(shí)際焊接運(yùn)動(dòng)[2]。虛擬點(diǎn)焊工作站建模流程見(jiàn)圖3，此項(xiàng)目中運(yùn)用NX設(shè)計(jì)夾具、產(chǎn)品其他外圍設(shè)備數(shù)模等。FANUC2000ic210f機(jī)器人數(shù)模由廠家提供，初選普電X焊槍型號(hào)PWRS1DX-01308-4524-100、C焊槍型號(hào)PWRS5DC00100-3625-80，虛擬仿真工作站如圖4所示。

圖3 建模流程

圖4 虛擬工作站

2.3 工作站仿真

2.3.1 機(jī)器人布局優(yōu)化

機(jī)器人工作站的布局是工作站設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，一旦確定后期將無(wú)法更改。在仿真環(huán)境中，可以動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)機(jī)器人的各種姿態(tài)，精確驗(yàn)證每一個(gè)焊點(diǎn)的可焊性，規(guī)避后期安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)焊點(diǎn)不可達(dá)的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人帶第七軸可進(jìn)行長(zhǎng)距離的行走，可達(dá)范圍廣，工作站柔性化程度高。一般產(chǎn)品所有焊點(diǎn)都在機(jī)器人工作范圍內(nèi)，但會(huì)有很多焊點(diǎn)在焊接過(guò)程中存在奇異姿態(tài)，同時(shí)為了保證節(jié)拍，減少機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中停留位置以及多姿態(tài)切換情況，可以利用Process Simulate中Smart Place模塊進(jìn)行布局的分析與優(yōu)化[3]。Smart Place功能可以根據(jù)機(jī)器人作業(yè)點(diǎn)包括焊點(diǎn)、修磨點(diǎn)、工具切換點(diǎn)的位置，計(jì)算出滿足條件機(jī)器人原點(diǎn)所在位置。如圖5(a)(b)所示，在選擇P24左、右風(fēng)窗支柱焊點(diǎn)和HZH左、右A柱焊點(diǎn)以及換槍點(diǎn)后，Smart Place模塊計(jì)算出黑色點(diǎn)為滿足要求的原點(diǎn)位置，灰色點(diǎn)則是不可達(dá)位置，以此調(diào)整機(jī)器人位置來(lái)進(jìn)行布局的調(diào)整與優(yōu)化。經(jīng)過(guò)布局優(yōu)化后，機(jī)器人生產(chǎn)每一種產(chǎn)品都只需固定在一個(gè)位置進(jìn)行作業(yè)，有效提高生產(chǎn)節(jié)拍，同時(shí)也提高行走軸的使用壽命。

2.3.2 仿真運(yùn)行分析

機(jī)器人焊接作業(yè)過(guò)程中，焊槍會(huì)高速進(jìn)出夾具狹小的空間，仿真技術(shù)可提前進(jìn)行干涉分析，檢查焊槍和夾具設(shè)計(jì)缺陷，及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更保證設(shè)備的可行性。Process Simulate軟件中，利用Collision功能將所需檢測(cè)的焊槍(不包含電極帽)、產(chǎn)品和夾具添加到 Collision tree中[如圖6(a)]，同時(shí)設(shè)定運(yùn)動(dòng)過(guò)程中報(bào)警最小距離和碰撞檢測(cè)顏色，報(bào)警最大距離3 mm顯示淺灰色，碰撞顯示深灰色，如圖6(b)所示。Collision功能可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)機(jī)器人所有運(yùn)動(dòng)點(diǎn)中可能存在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，如圖7為焊槍與產(chǎn)品和夾具干涉的焊點(diǎn)，干涉點(diǎn)1為焊槍與產(chǎn)品最大距離1.44 mm，需對(duì)焊槍電極桿尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；干涉點(diǎn)2與夾具銷座最大距離1.79 mm，它由夾具設(shè)計(jì)存在缺陷導(dǎo)致，可以通過(guò)優(yōu)化焊槍姿態(tài)和修改夾具設(shè)計(jì)進(jìn)行解決。

圖5 利用Smart Place功能進(jìn)行布局優(yōu)化

圖6 利用Collision功能進(jìn)行碰撞檢測(cè)設(shè)置

圖7 干涉檢查

2.3.3 機(jī)器人焊接路徑優(yōu)化與離線編程

機(jī)器人在焊接過(guò)程中需要避開(kāi)設(shè)備干涉進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)器人的路徑規(guī)劃對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍有重大的影響。點(diǎn)焊機(jī)器人的路徑包含焊點(diǎn)和過(guò)渡點(diǎn)，焊點(diǎn)的姿態(tài)和焊接順序直接影響過(guò)渡點(diǎn)的軌跡，因此相同焊接姿態(tài)的焊點(diǎn)需排在一起焊接，如圖8所示。過(guò)渡點(diǎn)是機(jī)器人在焊接過(guò)程中從一個(gè)焊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)焊點(diǎn)，為了避開(kāi)干涉而設(shè)置的過(guò)程點(diǎn)。在Process Simulate中，利用Path Editor功能，可在焊點(diǎn)前后添加進(jìn)槍點(diǎn)和退槍點(diǎn)如圖9所示，使焊槍以最優(yōu)姿態(tài)避干涉，優(yōu)化機(jī)器人路徑。

Process Simulate中，對(duì)優(yōu)化后的機(jī)器人路徑可以通過(guò)離線示教編程，獲得機(jī)器人離線程序。機(jī)器人離線編程技術(shù)作為焊接工作站開(kāi)發(fā)的革新技術(shù)，相比在線編程而言，它能夠極大縮短后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試周期和提前預(yù)測(cè)生產(chǎn)節(jié)拍，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員安全風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失[4-5]。Process Simulate中對(duì)于已經(jīng)優(yōu)化好的機(jī)器人路徑，先選取UT為焊槍靜電極頭上坐標(biāo)，選取UF為機(jī)器人的原點(diǎn)坐標(biāo)系，如圖10所示。UT和UF選定后，再對(duì)每個(gè)點(diǎn)設(shè)置焊接規(guī)范和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括速度、精度。焊接規(guī)范和運(yùn)動(dòng)參數(shù)是影響焊接節(jié)拍的關(guān)鍵因素[6]。參數(shù)設(shè)定完成后對(duì)機(jī)器人路徑進(jìn)行自動(dòng)示教，獲得*.ls格式的離線程序，如圖11所示，再將其轉(zhuǎn)換成機(jī)器人示教器識(shí)別的*.tp程序后，調(diào)整格式后即可下載到FANUC機(jī)器人示教器中運(yùn)行使用。在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，由于設(shè)備安裝、夾具加工制造都會(huì)產(chǎn)生誤差，會(huì)導(dǎo)致離線程序存在一定的偏差，因此在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中還需進(jìn)行微量的偏移調(diào)整。總的來(lái)說(shuō)，利用Process Simulate的離線編程技術(shù)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，可以很有效地減少現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人調(diào)試時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和工藝質(zhì)量。

圖8 焊接時(shí)序示意

圖9 焊接路徑中退槍點(diǎn)與進(jìn)槍點(diǎn)示意

圖10 坐標(biāo)選取

圖11 離線程序

3 結(jié)論

本文作者利用Process Simulate仿真平臺(tái)，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對(duì)柔性焊接工作站的布局規(guī)劃與工藝優(yōu)化，焊槍選型和夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)保證機(jī)器人實(shí)際作業(yè)中的高效性和可行性，提前解決焊接作業(yè)過(guò)程中干涉碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。仿真分析過(guò)程中進(jìn)行機(jī)器人路徑的優(yōu)化與離線編程，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，縮短項(xiàng)目周期，為汽車自動(dòng)化焊接柔性工作站的開(kāi)發(fā)提供了參考。