基于Processsimulate的機器人工位仿真節拍優化方法

在汽車制造業快速發展的背景下，車身焊接生產線的技術標準不斷提升，并且這類生產線具有高度自動化和設備復雜的特點。

生產節拍是指在一定時間內生產的產品數量，工藝規劃階段必須對各工位的生產節拍進行精確測算，生產節拍 每一天或一段時間/每天產出量或一段時間內生產量。例如：一條汽車生產線要求生產每小時為30件，線體開動率 90% ，則每個工位每臺車節拍=60×60/30×0.9=108 （s）。實踐表明，生產線實際運行節拍往往難以達到設計預期，需要投入大量時間進行現場調試優化。而焊接自動化工位主要依賴工業機器人作業，其運行效率直接決定了該工位的生產節拍。因此，若未能精確計算工業機器人的作業周期時間，將造成實際生產過程中機器人運行效率顯著低于預期值，從而延長產線節拍優化周期。

本研究選取典型機器人工作站為研究對象，整合車身制造工藝開發流程與數字化產線仿真技術，基于西門子ProcessSimulate仿真平臺開展點焊機器人作業周期模擬分析，最終提煉出一套點焊機器人工位節拍優化方案，為汽車自動化生產線工位節拍計算與效率提升提供技術指導及優化路徑。

模型構建

ProcessSimulate作為一款專業的工藝仿真平臺，在制造業領域主要應用于產線工藝規劃階段的虛擬驗證環節。汽車白車身焊裝生產線由多個功能各異的工位組成，每個工位配備不同類型的工業機器人和專用工裝設備，故在仿真建模過程中，需首先導入包括工裝夾具、工業機器人、焊接設備、夾持裝置、安全防護系統、修磨設備及旋轉平臺等多種設備在內的三維數字模型。

隨后，需要采集實際產線的運行參數，如焊接點位信息、生產節拍、焊接工藝參數等，并將這些數據轉換為仿真軟件可識別的標準格式。最終，將處理后的工藝數據與仿真模型進行匹配關聯，開展虛擬驗證及工藝優化工作。工位模型搭建如圖1所示。

機器人軌跡優化

在工業機器人焊接工藝規劃中，焊接路徑的優化設計是關鍵性技術環節，其核心在于對實際生產線上機器人運動軌跡的仿真與規劃。具體到仿真環境中，當焊點位置在車身零件上完成精確投影后，即可基于這些焊點坐標數據制作相應的機器人焊接運動軌跡。

在焊接路徑規劃中，不僅涉及焊點間的連接，還需考慮焊槍與車身結構、工裝夾具及周邊設備的空間干涉問題。為此，通常會在焊點間設置必要的過渡點。而設置的冗余過渡點，會導致機器人執行加減速控制，從而延長運動周期，影響整體生產效率。因此，合理優化過渡點數量，可顯著提升機器人作業效率。

通過對路徑反復的觀察與運行，使用鎖軸以及Movetolocation指令在兩個過渡點中間反復跳點，可以刪除這兩個點之間不必要的過渡點，提升機器人運行效率，提升工位節拍。

路徑制作時，應將機器人設置為主要通過PointtoPoint（PTP）運動方式來執行焊接路徑（見圖2）。通過PTP這種運動方式，機器人沿最快的軌跡將機器人的工具中心點位置（ToolCenterPosition，TCP）移動至目標點，這是耗時最短也是最優化的移動方式。這種運動方式下，時間最優路徑往往并非空間最短路徑，而是呈現非線性軌跡特征。

由于機器人各關節軸進行同步回轉運動，曲線軌跡的運動效率通常高于直線軌跡。所有軸的運動同時開始和結束，這些軸必須同步，因此無法精確地預計機器人的軌跡，與線性運動（LIN，沿直線移動）和圓周運動（CIRC，沿圓弧移動）相比，PTP效率最高但路徑可控性最低。因此，在保證機器人不與周邊干涉的前提下，運行方式都采用PTP會使得其運行效率最高，可提升工位節拍。

工位準作業程序SOP優化

在多設備協同作業的工業機器人工作站中，各類自動化裝備的運動軌跡在時空維度上往往存在交叉重疊，各生產單元必須實現精準的協同配合。其中，關鍵環節在于工序間的有序銜接，這一過程被定義為生產時序規劃。通過科學合理的時序優化策略，特別是將傳統的串行時序調整為并行時序結構，能夠有效避免設備間的運動干涉及等待問題，同時顯著提升工作空間的利用率，最終實現整體生產效率的優化提升。

具體而言，需要在ProcessSimulate構建包含一個工位中機器人運動軌跡和設備動作序列的標準作業程序，以此驗證單個工位的生產周期是否滿足整條產線的產能要求。

使用“序列編輯器”功能可對一個工位的各種設備的運行時序進行規劃，例如有轉臺和七軸同時運行的工位，在七軸機器人運行到前一個工位取件的同時，該工位的轉臺可同時運行到焊接位置。同時，兩臺機器人也可以在時序上錯開，通過調整機器人焊點焊接焊點的時序，減少兩臺機器人運行過程中的相互等待，從而優化工位節拍，如圖3所示。

干涉區優化

在焊裝生產線上，多機器人的工作空間通常存在重疊區域。機器人各關節在運動過程中存在相互碰撞的風險，這種運動干涉不僅會引發生產安全事故，還會嚴重影響整條生產線的運行效率。

具體而言，干涉問題主要包含以下四種類型：機器人與工裝夾具的干涉、機器人與安全防護裝置的干涉、機器人與其他生產設備的干涉，以及機器人互相之間的運動干涉。其中，機器人與夾具等的靜態設備的干涉可以通過干涉檢查手段進行識別，而對于機器人之間的動態干涉問題，則需要采取調整焊接時序、重新規劃機器人站位以及設置機器人干涉區等方法來避免多臺機器人同時進入危險區域。

如圖4所示，兩臺機器人在焊接紅圈處的焊點時，會發生焊槍之間的干涉，即機器人干涉區產生的原因。減少機器人干涉區內過渡點的數量也可以提升該工位的節拍。

在完成機器人路徑規劃后，首先運用SweptVolume功能對各個機器人的運動軌跡進行包絡計算，生成機器人的包絡體，如圖5所示。隨后通過

InterferenceVolume功能對多機器人系統的運動包絡進行交集分析，確定其重疊區域，即圖6所示的紅色區域。

值得注意的是，在ProcessSimulate仿真環境中，這些干涉區域是可視化呈現的，而實際生產現場的機器人控制系統則無法直接顯示。為此，現場機器人程序通過預設干涉區前過渡點的方式實現干涉識別。

由于PLC信號傳輸存在延遲，機器人進入干涉區時會出現短暫停頓現象。為提高工位效率，建議在工藝優化過程中盡量減少機器人間的干涉區域數量。圖6所示工位機器人的干涉區就優化成了兩個，仿真所做的工作即將機器人路徑優化，減少干涉區數量，以及縮小干涉區，減少機器人干涉區內的路徑點。

結語

在智能制造技術迅猛發展的背景下，汽車焊裝生產領域正經歷著由傳統制造向無人化、智能化方向的轉型。隨著生產設備復雜度不斷提升和工藝流程持續優化，基于數字化仿真技術開展設備節拍優化研究，已成為當前提升汽車制造效率的重要技術路徑，這需要建立在扎實的理論研究和豐富的實踐經驗基礎之上。

ProcessSimulate作為專業的仿真軟件，能夠精準模擬實際生產線的運行狀態，在線體投產前有效計算生產節拍，識別生產流程中的瓶頸環節與優化空間，可通過優化機器人軌跡、調整工位設備運行時序、優化機器人干涉區等措施，顯著提升生產線的綜合效能。基于仿真技術的預優化設計，可確保生產線在實際運行中達到最佳性能表現。

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