基于PDPS軟件的汽車側(cè)圍內(nèi)板焊裝線仿真研究

寧艷亭 張姍姍 葛衛(wèi)京

摘要：對汽車側(cè)圍內(nèi)板焊裝線仿真研究，應(yīng)用PDPS軟件對汽車側(cè)圍內(nèi)板焊裝線建模，模擬工件上料、夾具開合、機器人焊裝、工件下料焊裝線生產(chǎn)過程，仿真研究結(jié)果如下：通過調(diào)整焊槍路徑或焊槍姿態(tài)實現(xiàn)焊點可達性以及避免發(fā)生碰撞干涉，根據(jù)6自由度機械手關(guān)節(jié)值旋轉(zhuǎn)角度變化情況調(diào)整焊接機器人焊接過程，通過對工位操作生產(chǎn)節(jié)拍仿真研究控制生產(chǎn)線生產(chǎn)時間。

關(guān)鍵詞：焊裝線 PDPS軟件 焊接仿真 生產(chǎn)節(jié)拍

中圖分類號：U468.2? ?文獻標(biāo)識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220408

Abstract： The welding line of automotive side wall inner panel was simulated， the PDPS software was used to model the welding line of the automotive side wall inner panel and simulate the production processes， i.e. workpiece loading， fixture open & close， robot welding， workpiece blanking. The simulation research results are as follows， by adjusting the welding gun path or the welding gun attitude， the solder joint accessibility is achieved and collision interference is avoided， adjust the welding process of the welding robot according to the change of the joint value and rotation angle of the 6-DOF manipulator， and control the production time of the production line through the simulation of the production beat of the station operation.

Key words： Welding line， PDPS software， Welding simulation， Production beat

作者簡介：寧艷亭（1990—），女，助教，碩士學(xué)位，研究方向為機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

基金項目：商丘工學(xué)院普惠仿真（CAE）技術(shù)人才培養(yǎng)探索與實踐項目（20230104102）。

參考文獻引用格式：

寧艷亭， 張姍姍， 葛衛(wèi)京. 基于PDPS軟件的汽車側(cè)圍內(nèi)板焊裝線仿真研究[J]. 汽車工藝與材料， 2023（5）： 19-24.

NING Y T， ZHANG S S， GE W J. Simulation Research on Welding Line of Automobile Side Wall Inner Panel Based on PDPS Software[J]. Automobile Technology & Material， 2023（5）： 19-24.

1 前言

高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務(wù)。要實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，必須完整、準確、全面貫徹新發(fā)展理念，推進新型工業(yè)化，加快制造強國、質(zhì)量強國、數(shù)字中國建設(shè)。經(jīng)過改革開放四十多年的發(fā)展，我國已成為世界第二大經(jīng)濟體，制造業(yè)大國。但我國國力還不強，實現(xiàn)由制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的轉(zhuǎn)變，是我國經(jīng)濟發(fā)展面臨的重大課題[1]。

汽車產(chǎn)業(yè)在制造業(yè)中占有舉足輕重的地位。汽車產(chǎn)業(yè)鏈比較長，關(guān)聯(lián)度比較高，涉及面比較廣，汽車制造業(yè)增加值占到整個工業(yè)增加值的比重高。堅持以供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革為主線，加強統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，推動汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，是提升我國制造業(yè)整體實力的關(guān)鍵。近十年，我國汽車領(lǐng)域長足發(fā)展，除了車型和品牌以外，在更多新技術(shù)領(lǐng)域方面，中國汽車工業(yè)也取得了諸多突破。尤其是新能源領(lǐng)域，發(fā)展十分迅猛，已逐步成長為汽車領(lǐng)域的創(chuàng)新高地。

隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)的不斷應(yīng)用，汽車生產(chǎn)線從流水線到現(xiàn)在全自動生產(chǎn)線，見證了工業(yè)發(fā)展從1.0到4.0的變化。汽車焊裝線從手動焊裝線到柔性焊裝線，生產(chǎn)效率有了巨大提升[2]，為全面智能制造奠定了基礎(chǔ)。柔性焊裝線主要通過自動切換夾具機構(gòu)和電氣控制程序?qū)崿F(xiàn)多種車身拼裝焊接模式[3]，是目前國內(nèi)外車身生產(chǎn)線主要方式。相比而言，中國焊裝生產(chǎn)線的起步較晚，但很多自主品牌通過技術(shù)創(chuàng)新，推動了中國焊裝生產(chǎn)線的革命性進步[4]。但中國汽車焊裝生產(chǎn)線自動化、智能化程度與國外一流汽車公司還有一定差距。本文利用仿真軟件PDPS，對汽車側(cè)圍內(nèi)板焊裝線仿真研究，以期為焊裝生產(chǎn)線自動化、智能化發(fā)展提供重要參考。

2 焊裝生產(chǎn)線仿真工作站建模

2.1 PDPS軟件仿真流程

機器人生產(chǎn)線的虛擬仿真運行一般分為基于時序驅(qū)動和基于事件驅(qū)動的模式，基于時序驅(qū)動的仿真模式為人為設(shè)定時間長度決定設(shè)備進入仿真的時機，基于事件驅(qū)動的仿真模式為按照信號交互的邏輯關(guān)系決定設(shè)備進入仿真的時機。相比而言，基于時序驅(qū)動的仿真驅(qū)動模式操作更為簡單，易于實物相連接。在PDPS軟件中，一般采用基于時序驅(qū)動的仿真運行模式進行機器人生產(chǎn)線工藝規(guī)劃，對于有信號邏輯關(guān)系要求的仿真項目也會按照基于事件驅(qū)動的仿真運行模式進行仿真。PDPS是Process Designer & Process Simulate的簡稱，是西門子公司Tecnomatix下的產(chǎn)品[5]，PD的主要功能是數(shù)據(jù)管理與工藝規(guī)劃，PS的主要功能是實現(xiàn)仿真驗證與離線編程[6]，該軟件目前廣泛應(yīng)用于汽車的焊裝工藝規(guī)劃以及設(shè)計領(lǐng)域。本文通過利用PDPS軟件模擬機器人在真實環(huán)境中的工作狀態(tài)，解決產(chǎn)品設(shè)計、制造過程可能出現(xiàn)的問題，汽車側(cè)圍內(nèi)板焊裝線仿真流程如圖1所示。

2.2 焊裝生產(chǎn)線仿真工作站建立

2.2.1 工作站數(shù)據(jù)導(dǎo)入

焊裝生產(chǎn)線仿真工作站建立前，先梳理工件、抓手、滑臺、機器人、焊接夾具、圍欄等資源的三維模型。

第1步，存放仿真過程中所要用到的文件，需要建立該項目的Project和Library文件夾。

第2步，PDPS軟件支持的數(shù)據(jù)文件格式是jt，應(yīng)用cojt_generate.bat插件對文件格式處理。

第3步，數(shù)據(jù)導(dǎo)入前，正確定義數(shù)據(jù)類型。

2.2.2 焊點數(shù)據(jù)導(dǎo)入

在進行焊裝夾具設(shè)計時，按照6點定位原則進行工件定位，保證工件的最小變形。根據(jù)6點定位原則擬定焊點坐標(biāo)并制作焊點文件，然后將焊點文件導(dǎo)入PD軟件。

2.2.3 焊槍狀態(tài)定義

焊槍是焊接工作的主體，焊槍的行程運動是焊接中基本的運動模型[7]，焊槍行程和焊槍開合狀態(tài)關(guān)系焊槍運動情況。定義焊槍的4種狀態(tài)為初始狀態(tài)、半開狀態(tài)、打開狀態(tài)和閉合狀態(tài)。

2.2.4 焊槍姿態(tài)確定

由于焊槍姿態(tài)對焊縫質(zhì)量有一定的影響，在滿足焊槍可達性的前提下，對工件、夾具的位置進行調(diào)整，確保焊槍姿態(tài)符合要求。對工件進行焊接過程中，分析焊點空間可達性，實時調(diào)整焊槍姿態(tài)，同時還要保證焊槍與工件之間、焊槍與夾具之間不發(fā)生碰撞干涉。機器人6個關(guān)節(jié)角度決定了焊接機器人機械臂末端的位置和姿態(tài)，對焊接機器人6個關(guān)節(jié)角度分別進行調(diào)節(jié)，確保焊槍姿態(tài)，焊接機器人姿態(tài)調(diào)整如圖2所示。

2.2.5 夾具機構(gòu)定義

夾具是對工件進行定位、緊固，保證工件相對位置關(guān)系的附加裝置。在仿真開始前，需要對夾具模型進行機構(gòu)定義。利用“Kinematics Editor”命令，設(shè)置運動副、設(shè)置旋轉(zhuǎn)運動的旋轉(zhuǎn)軸及擺角范圍、對夾具動作和狀態(tài)定義，如圖3所示。

2.2.6 機器人焊接路徑設(shè)置

機器人在焊接過程中，正常情況下，其工作路徑為從起點到指定位置的一條直線，而在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線路上會有夾具、工件的阻擋，其工作路徑往往不是一條直線。這種情況下，本文仿真研究需要設(shè)置焊接機器人工作路徑，防止在焊接前發(fā)生與夾具和工件的碰撞。利用Add Current Location命令，在路徑編輯器中，調(diào)整焊接路徑的中間點，設(shè)置焊點排序，焊槍會按照設(shè)置點的前后順序執(zhí)行焊接操作，從而避開碰撞干涉區(qū)域。實際生產(chǎn)中，多機器人協(xié)同工作在汽車車身焊裝生產(chǎn)線廣泛應(yīng)用，不能主觀將多機器人情形看成單臺機器人的組合，要以焊點合理分配、焊接路徑最短為目標(biāo)有效解決汽車車身焊接生產(chǎn)線中的路徑優(yōu)化問題[8]。設(shè)置機器人焊接路徑如圖4所示。

圖4a中箭線為1號機器人焊接路徑，可以看出，1號機器人焊接路徑在工件之前進行了路徑調(diào)整，其中一段路徑與工件平行，保證了焊接機器人與工件、夾具的相對位置，相較于起始點直接到焊接點的情況，本文焊接路徑更有利于保證不發(fā)生焊接機器人與工件、夾具之間的碰撞干涉以及實現(xiàn)工廠流水化生產(chǎn)。圖4b所示箭線為2號機器人焊接路徑，從圖中可以看出2號焊接機器人工作路徑要滿足2個工件焊接的需求，既要保證不發(fā)生焊接機器人與工件、夾具之間的碰撞干涉，又要實現(xiàn)機器人焊接路徑的最優(yōu)設(shè)置，因工件對稱布置，宜采用圖示X型焊接路徑。圖4c所示箭線為3號機器人焊接路徑，從圖中可以看出焊接機器人與工件的相對位置與圖4a相同，因此3號機器人焊接路徑與1號類同。

2.2.7 仿真工作站布局

整合數(shù)據(jù)，按照各工位布局制作三維布局圖?？紤]機器人的可達范圍，設(shè)置傳送帶、抽檢臺、工件放置架、機器人、滑臺、夾具、圍欄在合理位置，預(yù)留一定空間，保證機器人的正常工作空間，側(cè)圍內(nèi)板焊裝線布局如圖5所示。

3 焊裝生產(chǎn)線仿真研究內(nèi)容

在焊裝生產(chǎn)線建模完成后，開始對整個焊接過程進行虛擬仿真。隨著工業(yè)機器人的快速發(fā)展，其在汽車制造、機械加工、焊接、上下料作業(yè)中的應(yīng)用越來越多[9]。工業(yè)機器人的靈活運用是汽車生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新的一個重要方向，本文研究的側(cè)圍內(nèi)板的自動焊接線，有人工上件、機器人焊接、機器人下料過程，主要仿真內(nèi)容如下：

a.研究焊裝機器人工作過程中，焊點可達性以及是否發(fā)生碰撞干涉，機器人及焊槍的運動路線及姿態(tài)調(diào)整。

b.研究下料過程中機器人關(guān)節(jié)值（Joint Value）隨時間旋轉(zhuǎn)角度變化情況。

c.研究焊裝線的生產(chǎn)節(jié)拍。

4 側(cè)圍內(nèi)板焊裝生產(chǎn)線仿真結(jié)果分析

4.1 焊接過程碰撞干涉情況

實際焊接過程中，往往受制于空間限制，焊槍與夾具之間可能會發(fā)生碰撞。在本文焊接仿真過程中，運用Collision檢查，檢查結(jié)果如圖6所示。焊槍與夾具之間發(fā)生碰撞，焊槍與夾具干涉部分會通過干涉狀態(tài)給出提示，如圖6a所示。發(fā)生碰撞干涉后，通過2種途徑調(diào)整，一是調(diào)整焊槍路徑；二是調(diào)整焊槍姿態(tài)，來避免碰撞干涉，調(diào)整后情況如圖6b所示。

4.2 焊接過程機器人關(guān)節(jié)值旋轉(zhuǎn)角度變化情況

工件焊接過程中，采用6自由度機械手焊接機器人，其多關(guān)節(jié)機械手動作靈活、運動慣量小且通用性強。6自由度焊接機器人是典型的多軸插補控制系統(tǒng)，其關(guān)節(jié)值反應(yīng)了機器人關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度變化情況，本文3臺機器人的關(guān)節(jié)值在焊接過程中隨時間變化的情況，如圖7所示，分別為3個機器人不同情況。

從圖7可以看出，1號機器人6個關(guān)節(jié)值旋轉(zhuǎn)角度隨時間運動的情況各不相同，其中2號關(guān)節(jié)、3號關(guān)節(jié)、5號關(guān)節(jié)在開始啟動和結(jié)束的時候變化比較大，4號關(guān)節(jié)中間過程的運動幅度比較大，1號關(guān)節(jié)、6號關(guān)節(jié)在焊接過程中的旋轉(zhuǎn)角度基本不變；2號機器人的6個關(guān)節(jié)值旋轉(zhuǎn)角度隨時間運動的情況差異較大，其中5號關(guān)節(jié)、6號關(guān)節(jié)在開始啟動和結(jié)束的時候變化比較大，1號關(guān)節(jié)、2號關(guān)節(jié)、3號關(guān)節(jié)、4號關(guān)節(jié)中間過程的運動幅度比較大；3號機器人的6個關(guān)節(jié)值旋轉(zhuǎn)角度隨時間運動的變化過程比較平穩(wěn)。

4.3 生產(chǎn)節(jié)拍驗證

通過仿真研究擬定焊裝線的生產(chǎn)節(jié)拍，可以優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍，提升生產(chǎn)效率，對實際生產(chǎn)有重要指導(dǎo)意義。焊裝線生產(chǎn)節(jié)拍指在焊裝線正常運行情況下，焊接工位的節(jié)拍小于或等于理論焊裝線的生產(chǎn)節(jié)拍[10]。研究車型側(cè)圍內(nèi)板工廠化生產(chǎn)，擬定月生產(chǎn)能力為10 000輛，月正常工作時間為22天，實行兩班制，每個臺班正常工作時間為8 h，考慮輔助時間因素，假定生產(chǎn)效率為85%，計算得到理論生產(chǎn)節(jié)拍為107.7 s。仿真研究擬定焊裝線的生產(chǎn)節(jié)拍，得到各工序運行數(shù)據(jù)，如圖8所示。

擬定夾具臺1先開始，第一步人工上件用時26 s，上件完成后緊接著夾具夾緊時間2 s，滑臺1移入焊接區(qū)用時3 s，上件工序完成，共用時31 s；進入焊接環(huán)節(jié)后，采用機器人焊接，考慮同步施工，根據(jù)分配焊點不同，焊接分2個環(huán)節(jié)分別用時77 s和49 s，焊接環(huán)節(jié)共用時77 s；焊接環(huán)節(jié)完成后，進入機器人下料環(huán)節(jié)，分為夾具打開、抓手取件、機器人下料、滑臺返回4個環(huán)節(jié)，分別用時2 s、2 s、3 s、2 s，下料環(huán)節(jié)共計用時7 s，工作臺1的3個環(huán)節(jié)共用時115 s?？紤]工作臺1與工作臺2共用一組人工，工作臺2生產(chǎn)步驟、生產(chǎn)時間與工作臺1相同，那么生產(chǎn)2件工件的時間為141 s，則計算生產(chǎn)節(jié)拍為70.5 s，這個時間小于107.7 s，模擬生產(chǎn)節(jié)拍小于理論計算生產(chǎn)節(jié)拍，本文仿真焊裝線的生產(chǎn)節(jié)拍滿足要求，研究符合預(yù)期。

5 結(jié)論

本文利用PDPS軟件平臺對側(cè)圍內(nèi)板焊裝線進行研究，研究結(jié)果表明：焊裝機器人工作過程中，焊裝機器人可能與夾具發(fā)生碰撞，仿真研究中可通過調(diào)整焊槍路徑或焊槍姿態(tài)來避免，實際生產(chǎn)中應(yīng)預(yù)留相應(yīng)空間；下料過程中，需要焊接保證6自由度機械手機器人關(guān)節(jié)值（Joint Value）角度變化。對側(cè)圍內(nèi)板焊裝線生產(chǎn)節(jié)拍仿真研究發(fā)現(xiàn)，通過對上料、焊接、下料環(huán)節(jié)的合理控制，可控制生產(chǎn)節(jié)拍，提升生產(chǎn)效率，為實際工廠化生產(chǎn)提供參考。

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