汽車焊裝車間數(shù)字化工廠關(guān)鍵技術(shù)研究

□ 楊 昆

廣汽乘用車有限公司 廣州 511458

1 研究背景

汽車制造廠商進(jìn)行數(shù)字化工廠轉(zhuǎn)型已成為各大主機(jī)廠的共識,但所取得的成果各有不同。目前,國內(nèi)實(shí)施較好的自主品牌主要為吉利、長安等,大部分廠商仍處于對Tecnomatix PD/PS軟件的基礎(chǔ)應(yīng)用階段。

Tecnomatix PD/PS軟件可以在新車導(dǎo)入階段提高同步工程效率,縮短新車導(dǎo)入調(diào)試時間[1]。在汽車焊裝車間,因為減少了逐點(diǎn)示教的工作量,效果更加明顯[2]。但是,此層面的應(yīng)用與真正的數(shù)字化工廠還存在一定差距,縮短這一差距的關(guān)鍵是建立數(shù)字化工廠標(biāo)準(zhǔn)。只有建立完善的數(shù)字化工廠標(biāo)準(zhǔn),才有可能實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字孿生,提高仿真能力[3]。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與管理規(guī)劃

一般而言,數(shù)據(jù)包括車身產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造特征數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)。這三種數(shù)據(jù)是開展項目的前提,構(gòu)成數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層[4]。汽車焊裝車間是典型的混合作業(yè)車間,資源繁多,有必要對其格式、表達(dá)方式、機(jī)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定[5]。

(1) 車身產(chǎn)品管理。白車身數(shù)據(jù)屬于Tecnomatix PD/PS軟件基本對象中的產(chǎn)品,一般由主機(jī)廠提供。主機(jī)廠的產(chǎn)品多樣性,決定了在建立標(biāo)準(zhǔn)時需要注意產(chǎn)品迭代數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存放邏輯、線體劃分[6]。

(2) 制造特征管理。焊裝車間最常用的制造特征為焊點(diǎn),通過車型+層級+序號的方式命名,可以滿足唯一性要求,也能夠方便識別。

(3) 設(shè)備管理。設(shè)備是資源的主要組成部分,數(shù)字化工廠的維護(hù)在很大程度上就是資源的維護(hù)。在建立數(shù)字化工廠時,提前對各類設(shè)備,包括機(jī)器人、焊槍、夾具、臺車、抓手、滑撬、往復(fù)桿等進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定,規(guī)定內(nèi)容為拆分原則、機(jī)構(gòu)定義、參考坐標(biāo)、顏色等,這樣有利于各線體統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),方便后期迭代,形成默認(rèn)規(guī)范。

以機(jī)器人伺服焊槍為例,可對焊槍機(jī)構(gòu)進(jìn)行定義,對分隔原則進(jìn)行規(guī)定。焊槍機(jī)構(gòu)定義為伺服焊槍,分為C槍和X槍。焊槍分隔原則為采購件,按照原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入。坐標(biāo)定位分為工具坐標(biāo)與基架坐標(biāo),分別如圖1、圖2所示。顏色定義見表1。

▲圖1 工具坐標(biāo)

▲圖2 基架坐標(biāo)

表1 焊槍顏色定義

3 資源庫管理

數(shù)字化工廠的核心基礎(chǔ)是資源庫,無論是對現(xiàn)有傳統(tǒng)車間進(jìn)行數(shù)字化改造,還是在線體規(guī)劃時就進(jìn)行數(shù)字化工廠建設(shè),對資源庫的管理都是一項龐雜而重要的工作。

資源庫內(nèi)包含通用資源與專用資源。通用資源指線體規(guī)劃時導(dǎo)入的各類設(shè)備,焊裝車間中較為常見的通用資源包括夾具庫、機(jī)器人、通用伺服焊槍、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)等。專用資源指特定車型的各類設(shè)備,較為常見的有新車專用夾具等。為有序管理,在制定標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)將這兩類資源存放于標(biāo)準(zhǔn)庫(LIB_STD)及項目資源庫(ROOT)中。

資源存放從工廠層級開始,一直遞進(jìn)至具體設(shè)備,如圖3所示。

▲圖3 資源存放層級

設(shè)置資源分類有利于明確資源的存放邏輯,在進(jìn)行具體項目時,還可以為資源樹的節(jié)點(diǎn)設(shè)置提供參考。類別資源分類見表2。

表2 資源分類

資源庫管理包含的內(nèi)容較多,比較重要的還有資源命名、工裝夾具單元劃分、根目錄設(shè)置等。焊裝資源繁多,主機(jī)廠應(yīng)實(shí)時對資源庫進(jìn)行迭代調(diào)整,并確保各自動線集成商嚴(yán)格執(zhí)行。

4 結(jié)構(gòu)樹管理

導(dǎo)航樹如圖4所示,導(dǎo)航樹節(jié)點(diǎn)見表3。

▲圖4 導(dǎo)航樹

表3 導(dǎo)航樹節(jié)點(diǎn)

資源樹是在建立具體項目時在 Tecnomatix PD軟件中形成的,一般而言,按照工廠、線體、工位、設(shè)備的層級進(jìn)行擺放。資源樹在布局中正確擺放,可以有效減少產(chǎn)品導(dǎo)入過程中的測試和安裝流程[7]。資源樹結(jié)構(gòu)如圖5所示。

按照數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)建立操作樹,各供應(yīng)商對工藝類型及簡稱進(jìn)行命名,見表4,對制造特征類型進(jìn)行命名,見表5,焊點(diǎn)數(shù)、焊縫長度、螺柱數(shù)、螺栓數(shù)可在工藝凍結(jié)后再寫入。

▲圖5 資源樹結(jié)構(gòu)

表4 工藝類型

表5 制造特征

5 仿真標(biāo)準(zhǔn)

仿真標(biāo)準(zhǔn)指在Tecnomatix PS軟件中仿真時對模擬動作、干涉分析、節(jié)拍等各方面進(jìn)行的規(guī)定。

仿真關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)中,點(diǎn)定工位平均焊接時間不長于4 s/點(diǎn),增打工位平均焊接時間不長于3 s/點(diǎn),保證焊鉗電極與工件角度為90°±3°。仿真時設(shè)備安全距離要求見表6。

表6 設(shè)備安全距離要求

6 機(jī)器人仿真要求

機(jī)器人仿真要求包括七個方面。

(1) 軌跡生成。仿真模塊基于驗證可達(dá)性的需要,在仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上編輯、修改或添加大量過渡點(diǎn),生成合格的離線軌跡路徑[8]。所有軌跡編程應(yīng)盡可能保證軌跡運(yùn)行的平順性,在狹小空間運(yùn)行時應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置機(jī)器人的運(yùn)行速度,合理使用軌跡指令。特殊位置,如前往工作位、離開工作位、等待位等,應(yīng)特別考慮設(shè)置最優(yōu)指令。

(2) 抓手抓取工件時對銷、離開定位銷,切換抓手、焊鉗等工具時對銷、離開定位銷,應(yīng)采用直線指令,且程序語句設(shè)置速度不高于20%最快速度。

(3) 運(yùn)動指令參數(shù)包含軌跡類型、加速度、速度、逼近度,無特殊要求時采用程序語句默認(rèn)參數(shù)。

(4) 干涉區(qū)設(shè)定。離線編程時,應(yīng)充分考慮機(jī)器人的干涉區(qū),并將干涉區(qū)添加至軌跡中,保證與現(xiàn)場運(yùn)行一致。

(5) 軌跡干涉檢查。所有機(jī)器人必須通過軌跡干涉檢查,軌跡干涉檢查時需包含機(jī)器人運(yùn)行邏輯、干涉區(qū)等。對機(jī)器人運(yùn)動過程中所有可能出現(xiàn)的干涉設(shè)備,如機(jī)器人、所持工具、管線包、工件等都需要考慮。

(6) 預(yù)工作位設(shè)定。所有機(jī)器人設(shè)置預(yù)工作位,每個車型軌跡的預(yù)工作位保證與運(yùn)動設(shè)備、工件無干涉。

(7) 負(fù)載要求。根據(jù)機(jī)器人負(fù)載分析報告,原則上要求機(jī)器人六個軸的負(fù)載率均不高于92%。高速運(yùn)動的機(jī)器人,精度控制能力會因為末端負(fù)載的變化而出現(xiàn)波動[9]。

7 結(jié)束語

數(shù)字化工廠標(biāo)準(zhǔn)的建立不是一蹴而就的,特別是資源庫的迭代更新,需要花費(fèi)大量精力。長安汽車工廠在歷時6 a的數(shù)字化工廠建設(shè)中,歷經(jīng)了多次迭代才趨于完善。在焊裝車間,工藝設(shè)計使用虛擬仿真技術(shù),涉及復(fù)雜工裝設(shè)計與大批量機(jī)器人應(yīng)用,技術(shù)復(fù)雜度高,因此建立完善的數(shù)字化工廠標(biāo)準(zhǔn)更為重要。筆者研究了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與管理規(guī)劃、資源庫管理、結(jié)構(gòu)樹管理、仿真標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)器人仿真要求等汽車焊裝車間數(shù)字化工廠關(guān)鍵技術(shù),更深層次的離線程序生成標(biāo)準(zhǔn)、工藝文件傳遞[10]、標(biāo)準(zhǔn)工藝庫等則需要更為深入的探索。