基于Process Simulate的機器人滾邊仿真分析

陳明鑫，孔慶玲

(安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

0 引言

在“中國制造2025”背景下，汽車制造企業逐步向數字化、智能化方向發展，要求汽車生產線設計、建設過程中，運用數字化仿真技術。該技術的運用，對提高效率、防錯、縮短周期等方面有重要的意義。在汽車焊裝線仿真中，機器人滾邊屬于仿真中的難點，如何最大限度地保證滾邊仿真環境與實物環境一致，是仿真工程師亟待解決的問題。

1 機器人滾邊工藝簡介

1.1 常見的包邊工藝

包邊工藝是指外板折邊后包住內板的成型工藝(見圖1)，該工藝在汽車車身門蓋、側圍輪罩等部位有較廣泛的應用。根據包邊方式的不同，可分為壓機模具包邊工藝、桌式包邊工藝及機器人滾邊工藝。在車身結構多樣化、生產線柔性化發展驅動下，機器人滾邊工藝的應用越來越廣泛。

圖1 包邊工藝前后對比示意

1.2 機器人滾邊工藝介紹

機器人滾邊是指將滾輪系統安裝在機器人的機械臂上，外板和內板扣在一起依靠胎膜支撐，機器人帶動滾輪沿外板翻邊部分進行多次反復滾壓，最終外板包住內板的過程。主要設備包括滾邊夾具、滾輪、機器人及其控制系統。

其工藝過程大致為：外板放置于滾邊夾具的胎膜上—內板扣合—夾具夾緊—機器人攜帶滾輪至外板翻邊處滾壓(一般要滾2～4道)。

2 滾邊仿真分析

滾邊仿真大致分為6個步驟，具體流程如圖2所示。

圖2 滾邊仿真流程

2.1 抽取滾邊線條

滾邊線條是指機器人滾邊過程的軌跡線，該線來源于車身數模所要滾邊的部位。由于Process Simulate(以下簡稱PS)僅支持輕量化的JT數據，在PS軟件中無法直接抽取線條，因此滾邊線需要從車身原始數據，如CATIA或NX數據中抽取。以CATIA為例，具體抽取方法為：新建Product文件，插入滾邊部位的車身外板件，并在改Product下新建Part，進入曲面下的“創成式外形設計”模塊，選中所要抽取的線條，利用“操作”工具條下的提取命令即可提取，提取完成后保存Part文件，最后將該文件轉換成Cojt格式，導入PS中，如圖3所示。

圖3 抽取滾邊線條操作方法示意

滾邊線條的抽取位置位于外板翻邊的R角位置，具體如圖4所示。

圖4 滾邊線抽取位置示意

2.2 TCP設定

TCP，英文Tool Center Position的縮寫,是指機器人工具的中心點，即滾邊時滾邊頭與滾邊軌跡點坐標相匹配的點。

仿真前需要在滾輪表面創建多個TCP坐標點。將滾輪模型導入PS中，進入Modeling狀態，如圖5所示，根據滾邊姿態需求，一般創建5～15個坐標點，其中z軸垂直于且背離滾輪工作面，x軸平行于滾輪工作面且朝向滾輪的外端面，每個坐標點間隔10°，坐標距離滾輪外端面間距約8 mm。設置完畢選擇Set Object to be Preserved命令將坐標可見，結束Modeling狀態。

圖5 TCP坐標設定位置示意

2.3 建立工位

將滾邊工位所需的所有資源導入到PS軟件中，包括機器人本體及其附屬系統、滾邊頭、滾邊夾具(含胎膜)、鈑金數模等，并將該資源按照工藝布局調整好位置，將滾邊頭等工具模型按照安裝結構裝到機器人模型上。

2.4 滾邊線投影

在軟件中新建焊點庫，并在焊點庫節點下新建連續特性焊點庫，并將抽取的Cojt格式滾邊線條存放路徑關聯到該連續特性焊點庫下,如圖6所示。

在操作樹下新建連續特性操作，并將該操作與機器人、滾邊輪、及帶有滾邊線條的焊點庫關聯。

如圖7所示，把需要投影的車身鈑金件放置到世界坐標原點，此時滾邊線可作為實體查看，然后把滾邊線放到車系坐標下，選中滾邊操作，用Project continuous Mfg Features命令完成滾邊線的投影。

圖6 滾邊線關聯操作示意

圖7 滾邊線投影操作示意

2.5 建立滾邊路徑

利用Convert Weld Locations to Via Locations命令將投影完的滾邊線坐標轉換成路徑點，復制滾邊線路徑點，將復制出的滾邊線點沿其Y軸轉動，作為另外一道滾邊路徑，轉動角度根據每一道滾邊折彎角度而定。然后重復以上復制、轉動操作，根據工藝要求，有幾道滾邊工序，就需要建立幾道滾邊路徑點。最終添加從機器人Home點至滾邊線之間的路徑、以及每一道滾邊路徑之間的過點，使路徑完整。

2.6 軌跡運行驗證

創建并打開干涉檢查，逐點運行整個滾邊工藝路徑，過程中查看干涉情況及機器人姿態等，根據需要調整路徑點的位置或方向，必要時調整機器人的TCP點，最終使機器人運行平穩、路徑最優。

3 滾邊仿真技巧與要點

3.1 TCP設定

TCP點坐標位置的設定，需保證滾輪的滾邊面完全覆蓋外板翻邊面，且保證滾輪邊沿距離外板翻邊面至少1 mm，如圖8所示。TCP坐標的X、Y、Z方向必須與第2.2節所描述一致，不可更改。

圖8 TCP設定效果示意

3.2 滾邊路徑點設定

3.2.1 滾邊線坐標間距

一般情況下，滾邊線投影時，設置滾邊線坐標點間距為5～25 mm。滾邊線若為直線，滾邊坐標點間距最大可為50 mm；若滾邊線為大半徑曲線，則最大間距為25 mm；中等半徑曲線，最大間距為10 mm；小半徑曲線，則最大間距為5 mm。即半徑越小則滾邊坐標間距越小，如圖9所示。

圖9 滾邊線坐標間距示意

3.2.2 滾邊線坐標位置

第一道滾邊路徑點位置在包邊后總厚度的1/2處，如圖10所示，h=1/2H；最后一道滾邊路徑點在包邊后總厚度的頂部位置，即h=H；其他滾邊路徑點(第二道、第三道或第四道)在1/2H和H之間。必須注意的是，同一道的路徑點必須在同一位置。

圖10 滾邊線坐標點位置示意

3.3 其他設定

3.3.1 滾邊角度劃分

一般來說，對于尺寸較大的滾輪，每道滾邊角度不超過35°，尺寸較小的滾輪每道滾邊角度不超過30°。每道滾邊角度應當保持均分，例如外板翻邊112°，每道不超過35°，滾4道，每道112/4=28°即外板翻邊角度分別為112°—84°—56°—28°—0°。

3.3.2 滾邊路徑點方向

(1)仿真時必須保證滾輪軸線與滾邊線垂直，若不垂直會導致板料堆積等滾邊質量缺陷。對于錐形滾輪，由于其旋轉半徑不同、滾邊面上的線速度不同，兩者不垂直特別容易形成類似缺陷，如圖11所示。

圖11 滾輪方向示意

(2)經過滾邊路徑點的滾輪直徑線須與滾邊線保持垂直，即TCP坐標的Z軸垂直于胎膜，偏差角度不得大于±5°(在機器人程序中，可利用補償函數來確定工作方向，在±5°偏差范圍內TCP坐標的Z軸方向垂直于胎膜)，如圖12所示。

圖12 滾邊路徑點方向示意

3.3.3 TCP坐標切換

滾邊過程中TCP坐標點切換時，兩個TCP的滾邊坐標點盡量重合。例如圖13(a)中，當從TCP1切換到TCP2時，需要復制粘貼TCP1的最后一個坐標點，在粘貼出的坐標點出切換為TCP2，這樣在滾輪離開TCP1最后一點之前切換為TCP2。在與滾輪半徑相似的轉角區域，可以像圖13(b)所示切換TCP，以保證機器人運行平穩。

圖13 TCP坐標切換示意

4 結束語

西門子Process simulate軟件因其仿真功能強大、兼容各種型號機器人等優勢，已成為汽車行業工藝、工程仿真的主流軟件，在軟件中能1∶1完全再現實物生產場景，針對機器人滾邊等復雜工藝過程，在具體實施前進行仿真驗證，對優化工藝方案、工藝布局、工裝結構、生產節拍等具有非常重要的意義，同時在仿真的基礎上，完成機器人離線程序的輸出，能大大提升現場調試的效率。