基于數(shù)字化工廠中的點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍測(cè)算研究

韋加業(yè)，蘇冬勝

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004）

0 引言

在白車身工藝開發(fā)設(shè)計(jì)階段，需對(duì)線體節(jié)拍進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的節(jié)拍核算方法主要依靠于工程師的經(jīng)驗(yàn)，因此在對(duì)生產(chǎn)線各個(gè)工位的節(jié)拍核算的時(shí)候，受現(xiàn)場(chǎng)工況以及人的主觀因素的影響，核算出來的節(jié)拍與實(shí)際節(jié)拍偏差大，導(dǎo)致到了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段，出現(xiàn)實(shí)際的生產(chǎn)節(jié)拍無法達(dá)到設(shè)計(jì)節(jié)拍的問題，需要花費(fèi)大量的人力、物力以及時(shí)間對(duì)節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化提升，嚴(yán)重影響項(xiàng)目的改造成本及改造周期[1]。

隨著工廠自動(dòng)化程度的不斷提高，越來越多的點(diǎn)焊機(jī)器人在白車身制造過程中被應(yīng)用，點(diǎn)焊機(jī)器人的作業(yè)時(shí)間直接影響工位節(jié)拍的輸出，因此，如何在白車身工藝規(guī)劃階段對(duì)機(jī)器人作業(yè)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確核算，也直接影響項(xiàng)目改造的成本及改造周期[2]。

本研究課題以某車型導(dǎo)入焊裝自動(dòng)化線體為例，采用西門子TECNOMATIX 仿真軟件與FANUC 機(jī)器人控件RCS，包含有仿真PS 軟件和機(jī)器人馬達(dá)文件RCS；如果在仿真軟件中直接運(yùn)行機(jī)器人程序并加載機(jī)器人RCS，會(huì)發(fā)現(xiàn)仿真測(cè)算的點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍與實(shí)際時(shí)間相差甚遠(yuǎn)。本研究課題以FANUC 機(jī)器人為例，分析項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，點(diǎn)焊機(jī)器人理論核算節(jié)拍與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人實(shí)際節(jié)拍差異的原因及解決方案。

1 點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍測(cè)算差異分析

1.1 機(jī)器人參數(shù)因素分析

根據(jù)PS 仿真軟件使用功能和現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)焊機(jī)器人程序構(gòu)成分析，得出影響節(jié)拍的因素主要分為機(jī)器人參數(shù)、FANUC RCS 加載的馬達(dá)文件、焊接參數(shù)三類。機(jī)器人參數(shù)與機(jī)器人的品牌兮兮相關(guān)，機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置不僅遵循仿真軟件使用條件，還需要與實(shí)際機(jī)器人型號(hào)對(duì)應(yīng)設(shè)置，以FANUC 機(jī)器人為例，主要影響參數(shù)見表1。

表1 影響參數(shù)

1.2 節(jié)拍測(cè)算要點(diǎn)

節(jié)拍測(cè)算過程中需保證上傳的機(jī)器人程序完整性，上傳過程沒有報(bào)錯(cuò)并且能連續(xù)運(yùn)行；機(jī)器人move、speed、term type、config、servo value 等參數(shù)與實(shí)際機(jī)器人一致，焊槍設(shè)置的極限范圍大于等于實(shí)際焊槍極限范圍；確保仿真模型中機(jī)器人motionparameters.e 文件存在于后臺(tái)文件中，且能正常使用；為保證機(jī)器人home 位與實(shí)際機(jī)器人一致，需確保機(jī)器人位置寄存器參數(shù)文件（posreg.va）保存在后臺(tái)文件當(dāng)中。仿真設(shè)置中焊槍驅(qū)動(dòng)方式有兩種：第一種是按照軟件內(nèi)部已設(shè)定的步序運(yùn)動(dòng)，此步序與實(shí)際機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制不一樣；第二種是將焊接參數(shù)發(fā)送到virtual robot，利用RCS 來控制焊槍運(yùn)動(dòng)，焊槍運(yùn)動(dòng)方式與實(shí)際亦有出入。這兩種驅(qū)動(dòng)方式均另外進(jìn)行校正，才能保證節(jié)拍的準(zhǔn)確度。另外，還需考慮信號(hào)傳遞延遲情況，機(jī)器人在與外界設(shè)備（焊接控制柜、PLC 中央處理器等）存在信號(hào)交互時(shí)間延遲。

2 節(jié)拍測(cè)算方案

為了保證節(jié)拍的正常測(cè)算，首先要準(zhǔn)備好生產(chǎn)線仿真環(huán)境數(shù)據(jù)，并確認(rèn)環(huán)境中焊槍機(jī)構(gòu)定義和機(jī)器人motionparameters.e 文件正確。并備份最新的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人程序，備份程序中需包含sysframe.va 和system.va文件；其次，在PS 仿真環(huán)境中，設(shè)置機(jī)器人品牌和控制器版本信息，然后完成機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系、仿真設(shè)置、機(jī)器人焊槍設(shè)置、機(jī)器人附加軸設(shè)置、負(fù)載設(shè)置、位置寄存器導(dǎo)入等參數(shù)設(shè)置。同時(shí)上傳機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)程序，以此保證機(jī)器人home 點(diǎn)一致。另外，需要在生產(chǎn)線仿真環(huán)境中進(jìn)入機(jī)器人模型controller 設(shè)置界面，將上傳的機(jī)器人程序添加到path editor 中，加載RCS 運(yùn)行程序，并統(tǒng)計(jì)所有焊點(diǎn)的開槍時(shí)間（即remove to gun open 項(xiàng)）。根據(jù)焊點(diǎn)的焊接參數(shù)表統(tǒng)計(jì)出所有焊點(diǎn)的焊接時(shí)間，通過減去仿真環(huán)境中機(jī)器人焊槍開槍的時(shí)間再除以焊點(diǎn)數(shù)，以此得出機(jī)器人平均的焊接時(shí)間，將此數(shù)值填入path editor 中的weld time中。最后，固化節(jié)拍測(cè)算公式，機(jī)器人平均焊接時(shí)間=（焊接時(shí)間-開槍時(shí)間）/焊點(diǎn)數(shù)。運(yùn)行機(jī)器人程序，得出機(jī)器人程序運(yùn)行時(shí)間。

3 測(cè)算關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

3.1 機(jī)器人RCS 參數(shù)設(shè)置

參考機(jī)器人焊接所用焊槍品牌及焊槍參數(shù)文件，設(shè)置焊槍馬達(dá)型號(hào)、行程極限和齒數(shù)比（其他參數(shù)默認(rèn)PS 軟件值），如圖1 所示。

圖1 馬達(dá)參數(shù)設(shè)置

3.2 設(shè)置機(jī)器人模型參數(shù)

使用PS 軟件加載機(jī)器人仿真數(shù)據(jù)，在modeling模型編輯狀態(tài)下，檢查仿真用的機(jī)器人和焊槍模型的機(jī)構(gòu)定義是否達(dá)到參數(shù)要求（圖2），機(jī)器人各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度以及最大加速度需與現(xiàn)實(shí)機(jī)器人一致，焊槍的最大速度和加速度需要參考實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)使用的焊槍參數(shù)設(shè)置。

圖2 機(jī)構(gòu)定義參數(shù)

3.3 導(dǎo)入機(jī)器人參數(shù)

本研究課題以改造線體機(jī)器人為例，使用機(jī)器人備份程序進(jìn)行應(yīng)用，需檢查機(jī)器人備份中的文件是否包含以下配置文件：

（1）Posreg.va：位置寄存器文件

（2）Sysframe.va：工具/用戶坐標(biāo)系參數(shù)文件

（3）System：系統(tǒng)參數(shù)文件

確認(rèn)以上參數(shù)后，通過機(jī)器人模型Simulation settings 界面進(jìn)行伺服焊槍參數(shù)設(shè)置，其中，Servo Weld Simulation 設(shè)置有兩個(gè)選項(xiàng)（圖3 焊槍模擬驅(qū)動(dòng)方式）：RCS 和Explicit Gun Motions，表示仿真模型中模擬伺服焊接的兩種方式：RCS 驅(qū)動(dòng)和使用PS 軟件系統(tǒng)默認(rèn)的焊槍驅(qū)動(dòng)。

圖3 焊槍模擬驅(qū)動(dòng)方式

RCS 驅(qū)動(dòng)表示焊槍運(yùn)動(dòng)控制由RCS 來控制焊槍相關(guān)運(yùn)動(dòng)，而Explicit Gun Motions 模式則是使用仿真軟件默認(rèn)的控制方式來驅(qū)動(dòng)焊槍。Send servo setting則是選擇是否把robot and guns setup 中的焊接參數(shù)發(fā)送到RCS 或者默認(rèn)控制器中，在此，simulation settings 選擇Explicit Gun Motions，servo weld simulation則選擇off，如圖4 所示。

圖4 仿真設(shè)置

需要注意的是：如果是RCS 驅(qū)動(dòng)并且不發(fā)送參數(shù)，則需要保證現(xiàn)場(chǎng)焊槍的正向開口是負(fù)數(shù)，因?yàn)楹笜尶刂朴袃煞N模式：RCS 控制焊槍運(yùn)動(dòng)或者PS 自帶功能控制焊槍運(yùn)動(dòng)，選擇RCS 驅(qū)動(dòng)方式必須滿足焊槍的開口為負(fù)值；如果是RCS 驅(qū)動(dòng)并且發(fā)送參數(shù)到RCS，那么必須保證robot and guns setup 中的參數(shù)完善并且與實(shí)際機(jī)器人一致[2]。Explicit Gun Motions 的控制模式一共有三個(gè)步驟：第一步是合槍，即機(jī)器人到達(dá)焊點(diǎn)位置之前有一次合槍動(dòng)作；第二步是焊接，此動(dòng)作由程序參數(shù)中的weld time 來控制焊接時(shí)間；第三步是開槍動(dòng)作，即焊接完成后機(jī)器人優(yōu)先打開焊槍，打開完畢之后再運(yùn)行到下一個(gè)location。

Explicit Gun Motions 的控制模式與實(shí)際FANUC機(jī)器人控制模式不一致，即機(jī)器人的開槍和關(guān)槍均是融合到機(jī)器人到達(dá)位置和離開位置之前的動(dòng)作，也是以往核算節(jié)拍偏差的原因之一，其中焊接時(shí)間是另外一個(gè)偏差的原因。

綜上所述，機(jī)器人運(yùn)行程序的運(yùn)行時(shí)間可以用下列方式統(tǒng)計(jì)：機(jī)器人測(cè)算時(shí)間（體現(xiàn)一段程序的運(yùn)行時(shí)間就是path editor 中顯示的時(shí)間）=機(jī)器人純運(yùn)動(dòng)時(shí)間+焊接時(shí)間-合槍時(shí)間-開槍時(shí)間+信號(hào)交互延遲時(shí)間。其中機(jī)器人純運(yùn)動(dòng)時(shí)間指的是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，包括焊槍動(dòng)作時(shí)間；焊接時(shí)間指的是焊接控制柜焊接所用的時(shí)間，此時(shí)間可參照焊接工藝參數(shù)表查找焊接時(shí)間；合槍/開槍時(shí)間指的是機(jī)器人不動(dòng)而焊槍單獨(dú)運(yùn)動(dòng)所花的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間與焊槍開口設(shè)定值有關(guān)系，值越大，時(shí)間越長，經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，開槍時(shí)間范圍在0.15 ～0.25 s 之間，而合槍時(shí)間受程序中term type 軟件屬性影響只有開槍時(shí)間的一半。

3.4 機(jī)器人開槍時(shí)間測(cè)算

在PS 軟件中初始化機(jī)器人RCS 控件，執(zhí)行機(jī)器人焊接程序，通過機(jī)器人程序監(jiān)控界面統(tǒng)計(jì)出simulate servo gun step 3 和OnLocationReached 之間的時(shí)間差，每一個(gè)焊點(diǎn)焊接完之后都會(huì)有一個(gè)時(shí)間差。

如圖5 所示，每個(gè)焊點(diǎn)在焊接過程一共有三個(gè)步驟，在焊接第三個(gè)步驟（reopen to departure gun position）的時(shí)候有一個(gè)開槍動(dòng)作，這個(gè)開槍的時(shí)間就是多余的時(shí)間，當(dāng)前焊點(diǎn)的開槍時(shí)間為16.06 - 15.34 =0.72 s；以此類推將機(jī)器人程序所有的焊點(diǎn)開槍誤差時(shí)間總和。

圖5 開槍時(shí)間測(cè)算

3.5 焊接時(shí)間測(cè)算

根據(jù)機(jī)器人焊接工藝參數(shù)表2 和程序中焊點(diǎn)的焊接參數(shù)，統(tǒng)計(jì)出焊點(diǎn)實(shí)際焊接需要的時(shí)間。

表2 焊接工藝參數(shù)表

按照表2，如果某焊點(diǎn)焊接參數(shù)規(guī)范號(hào)S=3，那么它的焊接時(shí)間為（20+1+2+1+11+10）*20=900 ms，根據(jù)這種方法統(tǒng)計(jì)出所有焊點(diǎn)的焊接時(shí)間。

3.6 節(jié)拍測(cè)算

根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)出來的時(shí)間，算出每個(gè)焊點(diǎn)需要的平均時(shí)間，測(cè)算公式：機(jī)器人平均焊接時(shí)間=（焊接時(shí)間-開槍時(shí)間）/焊點(diǎn)數(shù)。

將機(jī)器人程序加載到path editor 中，然后在set locations properties 中設(shè)置焊點(diǎn)的焊接時(shí)間。根據(jù)以上公式測(cè)算出本程序平均焊接的時(shí)間為0.65 s，因此在機(jī)器人焊點(diǎn)屬性中（圖6）所示的weld time 位置填入0.65 s。

圖6 焊點(diǎn)屬性

備份收集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)用的點(diǎn)焊機(jī)器人程序共100套，每套機(jī)器人程序中均包含20～30 個(gè)焊點(diǎn)，通過驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間與在軟件中測(cè)算節(jié)拍時(shí)間進(jìn)行比較，得出表3 所示平均誤差值，機(jī)器人節(jié)拍測(cè)算誤差平均值可以控制在1.5 s 之內(nèi)。

表3 案例驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出以下測(cè)算平均值，焊槍開槍時(shí)間平均0.25 s，機(jī)器人純焊接平均時(shí)間1.057 s，可求得出焊接時(shí)間=0.807 s，可用于在工藝粗規(guī)劃階段快速對(duì)節(jié)拍進(jìn)行仿真估算。

4 結(jié)語

本研究課題通過某車型白車身導(dǎo)入改造線體為案例，在工藝開發(fā)前期進(jìn)行機(jī)器人節(jié)拍測(cè)算，使數(shù)字孿生技術(shù)更好的服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)與調(diào)試，根據(jù)此測(cè)試方案的驗(yàn)證，在白車身工藝開發(fā)過程中，為使機(jī)器人運(yùn)行節(jié)拍的測(cè)算更加準(zhǔn)確，得出節(jié)拍測(cè)算公式“（純焊接時(shí)間-焊槍開槍時(shí)間）/焊點(diǎn)數(shù)”來計(jì)算weld time（焊接時(shí)間），計(jì)算得出的結(jié)果可以使點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍測(cè)算誤差在±1.5 s 內(nèi)。

本研究課題結(jié)合白車身工藝開發(fā)過程與數(shù)字化生產(chǎn)線機(jī)器人仿真技術(shù)[3]，利用西門子PDPS 軟件工具作為機(jī)器人仿真系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)，進(jìn)行點(diǎn)焊機(jī)器人運(yùn)行節(jié)拍仿真分析與測(cè)算，總結(jié)出FANUC 點(diǎn)焊機(jī)器人仿真節(jié)拍偏差影響因素及減少測(cè)算誤差的方法，為汽車生產(chǎn)線點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍測(cè)算提供技術(shù)參考以及優(yōu)化思路，同時(shí)可推廣至其他機(jī)器人工藝節(jié)拍分析核算工作中進(jìn)行應(yīng)用。