基于PDPS的設備工裝干涉驗證及機器人路徑優化*

陳 浩，王體金，劉 毅，唐靈聰，石 剛,2

(1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

隨著我國智能制造水平的快速發展，各生產企業的自動化程度越來越高，產品的也更多樣化，對產品線要求具備柔性化，能夠對于不同的機型能夠快速換型。同時企業為了降低生產線改造成本，自主改造對于各主機廠也在逐步加快，自主改造周期縮減。故在項目前期設計階段采用PDPS 數字化工廠軟件對項目進行虛擬仿真，借助虛擬仿真技術對于項目規劃設計進行提前干涉驗證及機器人軌跡進行優化，以提前避免是否存在設計隱患，縮短項目規劃周期。筆者以某發動機的生產線某工位為例，在虛擬環境中進行工藝規劃，分配工藝任務，待資源分配到位后，開展工藝流程驗證、設備動作及機器人軌跡進行驗證。其仿真結果為工藝規劃設計工程師評估設計方案的可行性具有重要意義。

1 仿真工位模型建立

1.1 Process Designer中創建項目及資源節點

創建新項目、項目名稱與根目錄的命名，因不同的主機廠都有不同的標準規范，其子目錄資源文件夾結構不同。文中引用某主機廠仿真標準規范，所創建項目及子目錄名字，如圖1所示。

圖1 創建項目 圖2 創建項目資源節點

創建項目資源節點，一般情況下包含Libraries(庫文件)、Product(產品文件)、Process(工藝資源文件)、Working Folder(工作文件夾)、StudyFolder(工位數據文件夾)等基本資源節點文件夾，如圖2所示。

1.2 資源數模的導入

本工位以某發動機生產線的凸輪軸承蓋工位為例，其包含ABB機器人(1臺)、設備進、出料機動摩擦輥道系統(1套)、抬起定位機構(3套)、電動打標機(1套)、電動擰緊軸(5套)、缸蓋罩分離裝置(1套)、剔料輥道系統(1套)等，工件數模及設備數模在導入之前也需要事先進行數據處理，將其轉化為帶有*.cojt殼文件的*.jt格式文件，再針對不同的設備數據進行屬性定義，其導入后的工件資源也是以庫文件形式顯示，可以針對庫文件數據進行展開，如圖3所示。

圖3 資源數據導入

1.3 創建工藝文件及操作庫

創建工藝文件是PD/PS軟件仿真數據的基礎，工藝文件分為數據資源和工藝操作，數據資源節點用以存放仿真產品數據和設備數據等資源信息，工藝操作節點可以存放工藝操作信息，包含操作順序及工藝順序。工藝資源一般按照“車間”→“線體”→“區域”→“工位”層次結構進行創建，創建完成數據資源和工藝操作，進行更新同步操作。創建操作庫，并在操作標準庫資源節點創建工藝操作，比如設備夾具打開與關閉等操作，如圖4所示。

圖4 資源數據導入

1.4 資源分配到工位

在所創建的StudyFolder節點，將數據資源、工藝操作文件和產品文件夾統一放置在StudyFolder資源文件中，如以上操作，PD軟件的仿真操作基本結束，如圖5所示。

圖5 資源數據導入

2 仿真模型工藝操作

2.1 Process Simulate操作

在上述操作StudyFolder節點創建的工位通過“Open with Process Simulate”操作進行工位加載，就可以直接加載PD工位數據，然后根據layout布局對設備進行調整及安裝，例如創建參考坐標、逐步導入設備(帶地腳)、 并將其移動到相應的地腳安裝位置進行布局、導入設備工裝(如：機器人雄克夾具)，然后將其移動到相應工裝上進行安裝，如圖6所示。

圖6 設備工位數模

2.1.1 工具屬性及運動學定義

對于機器人首先需要創建機器人工具坐標，將工具設置為可編輯狀態，在Object Tree中的Gripper圖標出現紅色標志，則表示已經進入編輯模式，創建Base frame基準坐標和TCP工作坐標，然后選擇Tool Definition裝載機器人夾具。關于設備運動學需要了解現場工藝，在此基礎上建立相應關系，選擇其Base模塊，建立鏈接及相 關參數設定，重復以上操作直到所有模塊參數設定完成，例如工位設備擰緊槍機構如圖7所示。

圖7 設備工位數模

2.1.2 創建機器人路徑操作

本工位機器人為抓取、搬運和放置的作用， 其具體機器人工藝過程為機器人抓取輥道上的工件，放置到凸輪軸承蓋螺栓反松設備的夾具， 機器人抓取反松完的工件，進行螺栓檢測，檢測螺栓是否存在遺漏，檢測完成后放置輥道舉升位。在PS虛擬仿真軟件中機器人工藝操作、操作路徑需要添加到路徑編輯器中。對于機器人而言，機器人夾爪手上分別創建Base坐標和Tcp坐標，機器人第六軸法蘭端面與夾爪進行裝配也需要創建Tool 坐標，在仿真軟件機器人屬性設置中就可以設置Mount Tool 進行夾爪與機器人法蘭端面進行裝配，機器人夾爪裝載完成后就可以設置機器人夾取與放置，機器人夾取與放置軌跡點，將其設置為Pick和Put點，機器人抓取位置如圖8所示。

圖8 機器人抓取位置

機器人軌跡是機器人在運動過程中所走的路徑，機器人路徑也是由機器人軌跡點所構成。在仿真軟件中路徑編輯器Path Editor窗口中點選機器人焊接操作New Weld Operation，然后在“Operation”菜單欄下，點擊“Add Current Location”命令按鈕，添加機器人當前位置作為示教點，同樣也可以點擊“Manipulate Lacation”手動添加路徑點，增加初始位置點，可以在路徑編輯器Path Editor窗口中點選機器人Home點，然后在“Operation”菜單欄下，點擊“Add Current Location”命令按鈕，并將其重命名為Home位置點，對于軌跡點也可以進行復制，當然機器人路徑點示教可不是只是簡單的復制粘貼，需要觀察機器人的姿態、周邊相關設備等，避免發生干涉現象，依照上述操作，為機器人添加路徑點，路徑點的添加要包含以下幾個原則：精確性、可行性、高效性，按上述步驟，創建機器人軌跡點，如圖9所示。

圖9 機器人軌跡點

2.1.3 創建仿真時序

在PDPS仿真軟件，生產線或工位的規劃一般都是基于時序驅動設備的聯動仿真，在軟件左側Operation Tree窗口中仿真時序節點，仿真時序節點可以是一個獨立操作、也可以是機器人整個路徑、也可以是一個完整的工位。本仿真時序是一個完整的工位，選中仿真操作節點，在菜單欄選擇“Set Current Operation”命令，就可以看到工藝操作節點時序甘特圖，可以直觀的看到長短不一的線條，反應每個獨立的設備運行的時間，其中指向箭頭表示工藝操作中設備運行的先后順序關系，其中對于設備運行的相應關系需要調整，可以在時序甘特圖中針對此操作進行Unlink解除，再根據正確的順序進行Link連接，同樣也可以設備運行順序在甘特圖中同步進行，重復以上操作直至所有的設備運行順序調整完成，如圖10所示。

圖10 時序甘特圖

3 工位模型仿真分析

3.1 創建碰撞檢測操作

碰撞檢測設置對于虛擬仿真是必不可缺的重要步驟，通過在設備或機器人在動態運行過程中自動檢測是否發生干涉現象，就可以提前規避方案設計階段發生的缺陷問題，達到提前預知設計方案的風險，從而提升設計效率。

在PS仿真軟件中，碰撞檢測功能在軟件窗口“Collision Viewer”中進行設置，若在界面未顯示界面窗口，可以在“Viewers”界面下拉菜單中選中“Collision Viewer”則界面就可以顯示，其功能主要有三個功能區域，左側功能區域為創建設定干涉集合；中間功能區域顯示為碰撞檢測結果，發生主碰撞顯示顏色為紅色，被動碰撞為藍色；右側功能區域顯示為碰撞曲線，是由碰撞對象命名。在干涉檢查之前需要創建碰撞集合，在窗口“Collision Set Editor”中添加檢測主對象和可能發生碰撞的對象，如圖11所示。

圖11 碰撞檢測設置 圖12 輥道干涉檢查

3.2 工位模型仿真

碰撞干涉檢查按以上操作重復設置完成后，就可以運行工藝操作路徑，將所創建的工藝操作“Set Current Operation”，在“Sequence Editor”界面點擊“Plays Simulation Forward”按鈕，本工位工藝仿真就按照所創建完的時序路徑進行模擬，設備運行期間所發生的干涉現象在碰撞界面上以紅色顯示，同時也可以設置檢測到干涉區停止仿真，更加方便直觀看到方案設計的風險點。例如本工位通過仿真驗證發現主要存在以下干涉點。

(1) 本工位輥道舉升位頂升過程中工件零點定位銷與傳感器裝置發生干涉，需要對檢測裝置布局調整或進行方案優化，如圖 12所示。

(2) 機器人抓取工件螺栓反松后的工件進行螺栓檢測，凸輪軸承蓋螺栓與檢測裝置存在干涉現象，需要對螺栓孔檢測裝置進行調整，如圖13所示。

圖13 螺栓檢測裝置 圖14 擰緊槍螺栓拆卸裝置

(3) 螺栓拆卸工裝中擰緊槍拆卸凸輪軸承蓋螺栓時，擰緊槍與工件發生干涉現象，同樣需要擰緊槍裝置進行調整，如圖14所示。

3.3 機器人仿真路徑優化

機器人路徑進行仿真對于設備現場安裝、調試起到非常重要的作用，優化機器人軌跡能夠減少機器人軌跡的運行時間，從而實現機器人節拍的優化，機器人路徑在規劃階段就需要考慮機器人在起始點運行過程中就要避開障礙物，從而能夠獲得在空間中最優的路徑。在PS仿真軟件中，可以先增加機器人抓取點及主要的機器人點位，在路徑規劃器中點擊“Automatic Path Planner”,就可以根據創建的機器人點位自動增加過渡點，然而自動創建的過渡點存在過多的現象，可以在運行過程中進行刪除。對于不同機器人路徑操作，機器人Home點可以重復運用，這樣可以保證機器人不同的路徑能夠返回所創建的Home點位，重復以上操作直至所有路徑創建完成，如圖15所示。

圖15 機器人軌跡優化

4 結 語

文中系統的完成了發動機某工位的工藝仿真，從而使工藝流程和機器人路徑規劃更加清晰、明確，同時運用PDPS軟件對工藝規劃與設計階段進行虛擬驗證，從而解決了設計階段存在的弊端，降低現場發生的問題頻率，使虛擬仿真與現場更貼近。

隨著數字化仿真技術的發展，仿真技術已經運用到各行各業，PDPS仿真實現了設計人員與仿真人員同步進行，縮短了產品開發周期，提高了產品生產的質量，為實體行業創造無限可能。