摘要：本文針對汽車焊接機(jī)器人工位缺乏精確可靠的焊接過程分析，作者應(yīng)用DELMIA/Robotics軟件以奇瑞自主研發(fā)的QH-165型機(jī)器人為仿真對像，結(jié)合S11車身側(cè)圍工藝，實現(xiàn)汽車側(cè)圍的機(jī)器人焊接工位仿真。結(jié)集表明，運用DELMIA/Robotics可以有效降低項目設(shè)計成本、大大縮短項目完成時間和高效、準(zhǔn)確的數(shù)字化仿直。
0 引言
多年以來，白車身焊裝領(lǐng)域，國內(nèi)的絕大多數(shù)主機(jī)廠還停留在一個較低的技術(shù)水平上。焊裝、總裝工藝工程師最為主要的工作內(nèi)容就是Excel填表和截圖，文本性的工作占據(jù)了大量時間，工藝工程師很難有時間去考慮制造工藝本身的問題，如節(jié)拍，生產(chǎn)線布局合理性以及工位仿真等。DELMIA就是應(yīng)運而生的全3D數(shù)字化制造解決方案。它能使在真實工廠或者生產(chǎn)過程還沒有開始前，在虛擬空間中對真實工廠進(jìn)行數(shù)字化仿真，并提供優(yōu)化的結(jié)果。為前期項目方案制定，項目竟標(biāo)，以及方案實施提供有利幫助，同時為后期示教、維護(hù)提供直現(xiàn)的指導(dǎo)。本文以奇瑞-哈工大聯(lián)合開發(fā)的大負(fù)載六自由度QH-165型機(jī)器人，為應(yīng)用對像，仿真S11白車身側(cè)圍的點焊過程，通過DELMIA軟件中的Robotics模塊對其進(jìn)行焊接路徑的仿真。結(jié)果表明，利用DELMIA/Robotics實現(xiàn)機(jī)器人仿真是方便、準(zhǔn)確和有效的。
1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)
QH-165型機(jī)器人為六軸串聯(lián)機(jī)器人，其本體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)由機(jī)械本體和電控系統(tǒng)兩大部分組成。實際焊接應(yīng)用時需增加焊接控制器、焊槍以及水、氣控制檢測等外部設(shè)備。機(jī)器人技術(shù)參數(shù)見表1。
2 DELMIA簡介
DELMIA是Dassault Systemes公司為“數(shù)字化工廠”概念推出的一套較完善的軟件解決方案。DELMIA軟件系統(tǒng)包括兩個相互關(guān)聯(lián)的獨立軟件，DPE(Digital Process Engineer)與DPM(Digital Process Manufacturing)，前者為數(shù)字化工藝規(guī)劃平臺，它建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)，資源數(shù)據(jù)和工藝結(jié)構(gòu)，并將三者有效地關(guān)聯(lián)在一起，實現(xiàn)產(chǎn)品分析、工藝方案評估、各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算以及裝配工藝結(jié)果的輸出等；后者提供工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗證應(yīng)用的環(huán)境，以產(chǎn)品、工裝的三維模型并結(jié)合DPE已設(shè)計好的工藝流程進(jìn)行數(shù)字化裝配過程的仿真驗證，二者通過唯一的PPR Hub數(shù)據(jù)庫共享數(shù)據(jù)。
由于該側(cè)圍焊接為自動化改造項目，根據(jù)工藝要求，本文重點介紹如何使用DELMIA的DPM模塊來做工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗證工作。
3 工藝分析
車間可提供的左右側(cè)圍布局尺寸均為：15.5m×6m。根據(jù)側(cè)圍件尺寸和工藝點的數(shù)量，設(shè)計工裝夾具后可放置四個工位。內(nèi)、外板總成焊接由人工完成，其中外板分裝件由人工搬運到第一個工位并焊接完成，內(nèi)板總成在其他人工工位焊接完成后需由機(jī)器人搬運至第二個工位。整個側(cè)圍總成在機(jī)器人焊接完成后，也需由機(jī)器人搬運送至EMS小車上。主線采用PLC控制，Profibus
總線通信，節(jié)拍120s。根據(jù)以上分析，最終確定設(shè)計四個工位，八臺機(jī)器人，由于左右側(cè)圍對稱設(shè)置，因此下文只以右側(cè)圍為例，布局如圖2所示。
其中OP10為外板總成人工工位。OP20為內(nèi)板總成搬運及內(nèi)、外板關(guān)鍵工藝點自動焊接工位，A1機(jī)器人完成內(nèi)板總成從B滑臺搬運到OP20工位上，隨后A2，A3、A4機(jī)器人完成內(nèi)、外板關(guān)鍵點的焊接。OP30工位的三臺機(jī)器人完成內(nèi)、外板工藝點的補(bǔ)焊工作。OP40工位的一臺機(jī)器人實現(xiàn)焊接完成后的側(cè)圍總成搬運到EMS小車上的功能。至此整個右側(cè)圍總成焊接工作完成。
4 細(xì)節(jié)仿真
4.1 焊鉗選型
根據(jù)每臺機(jī)器人分配的焊點，利用DPM中的TSA工具制作出供廠家制作焊鉗用的數(shù)模文件，當(dāng)廠家的焊鉗設(shè)計完成后，亦可用此方法驗證該焊鉗與工件和工裝之間是否有干涉，最終完成焊鉗選型。
4.2 機(jī)器人位置布局
機(jī)器人放置位置不僅影響機(jī)器人的可達(dá)性，更關(guān)系到機(jī)器人及末端工具與工裝、工件，機(jī)器人與機(jī)器人之間的干涉問題，合理的位置可以有效減少甚至避免干涉問題。DELMIA中Auto Place工具可以方便的找出機(jī)器人的擺放位置和高度。最終機(jī)器人布局如圖3所示。完成以上工作后將制作有運動機(jī)構(gòu)的焊鉗用Set Tool工具裝配到機(jī)器人末端即可進(jìn)行機(jī)器人示教仿真工作。
圖3 完整工位布局
4.3 機(jī)器人示教
機(jī)器人的示教和軌跡優(yōu)化是DELMIA的又一個亮點，它能夠真實的模擬機(jī)器人的運動姿態(tài)。利用Teach a device命令，選擇要示教的機(jī)器人，即可調(diào)出機(jī)器人示教窗口，如圖4所示，在此窗口中可以方便的插入/刪除軌跡點、修改位姿、增加焊接動作、IO設(shè)置以及調(diào)整焊接工序等等。通常機(jī)器人示教完成后，其運動軌跡與實際是相差比較大，經(jīng)常出現(xiàn)某個軸旋轉(zhuǎn)360度的現(xiàn)象，因此我們需要對其軌跡進(jìn)行優(yōu)化，使其與現(xiàn)實相符。自動軌跡優(yōu)化命令：Set TurnNumbers，如圖5所示，在該窗口中可以選擇最小旋轉(zhuǎn)角度(ShortestAngle)模式進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化完成后即可按照優(yōu)化后的軌跡運行。
4.4 干涉區(qū)
干涉區(qū)簡單的說就是運動設(shè)備之間可能發(fā)生碰撞的一個空間區(qū)域。避免設(shè)備之間發(fā)生碰撞的方法通常是在干涉區(qū)域內(nèi)同時只允許一臺設(shè)備作業(yè)，這種避免方法也有二種，一是時間干涉，二是空間干涉。時間干涉法由于浪費大量時間而很少使用，特別是在龐大系統(tǒng)中；空間干涉是將有可能出現(xiàn)干涉的區(qū)域劃分出來，該空間內(nèi)同時也只有一臺設(shè)備可以申請作業(yè)，進(jìn)入干涉區(qū)域后該設(shè)備主動發(fā)出區(qū)域鎖定信號限制其他設(shè)備進(jìn)入，當(dāng)設(shè)備離開干涉區(qū)域后發(fā)出釋放信號。由于空間干涉法控制方便而被廣泛采用。DELMIA中提供的空間干涉法Clash可以在設(shè)備安裝調(diào)試之前就可以準(zhǔn)確的找到所有干涉區(qū)域，能夠大大縮短調(diào)試時間。
5 結(jié)論
通過理論設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)用我們發(fā)現(xiàn)在計算機(jī)中應(yīng)用DELMIA仿真的所有數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的反應(yīng)現(xiàn)實狀況，更為調(diào)試提供了積極的指導(dǎo)作用，實際焊接的樣件通過三坐標(biāo)檢測和破檢驗證全部合格，焊點一致性和質(zhì)量遠(yuǎn)高于人工生產(chǎn)的產(chǎn)品。(e
