基于PD/PS的機(jī)器人涂膠工位仿真研究

劉陽杰，朱 杰，張紅梅

(四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司，四川 成都 610052)

0 前言

涂膠工藝是汽車白車身制造的重要工藝，涂膠質(zhì)量的好壞決定了最終汽車車身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能，對(duì)汽車壽命影響明顯。為了保證工藝質(zhì)量，現(xiàn)在汽車廠家已廣泛采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行涂膠作業(yè)。

Tecnomatix是Siemens PLM Software提供的數(shù)字化制造解決方案，通過將制造規(guī)劃，包括從工藝布局規(guī)劃和設(shè)計(jì)、工藝過程仿真和驗(yàn)證到制造執(zhí)行與產(chǎn)品設(shè)計(jì)連接起來，實(shí)現(xiàn)在3D環(huán)境下進(jìn)行制造工藝過程的設(shè)計(jì)；用數(shù)字化的手段驗(yàn)證產(chǎn)品的制造工藝可行性；預(yù)先分析生產(chǎn)系統(tǒng)未來的能力表現(xiàn)。Tecnomatix具有集成的真實(shí)機(jī)器人仿真技術(shù)，針對(duì)不同的機(jī)器人可進(jìn)行精確的離線編程，同時(shí)基于實(shí)際控制邏輯的事件驅(qū)動(dòng)仿真使得虛擬調(diào)試成為可能。從而提高了機(jī)器人離線編程效率和質(zhì)量，減少了真實(shí)環(huán)境調(diào)試的時(shí)間和成本。

在此使用Tecnomatix 10版對(duì)某車型涂膠工位進(jìn)行模擬，通過優(yōu)化機(jī)器人路徑改善了涂膠質(zhì)量。

1 在PD中完成工藝設(shè)計(jì)

在工藝設(shè)計(jì)過程中所涉及的數(shù)據(jù)主要分為三種類型：產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)即主機(jī)廠提供的白車身數(shù)模、焊點(diǎn)、涂膠等信息；工藝數(shù)據(jù)則為車間布局規(guī)劃、生產(chǎn)線規(guī)劃、機(jī)器人或者手工工位的操作流程等；資源數(shù)據(jù)則是鋼結(jié)構(gòu)、傳輸設(shè)備、夾具、機(jī)器人、焊鉗、涂膠系統(tǒng)、安全防護(hù)及相關(guān)附屬設(shè)備的集合。工藝設(shè)計(jì)可以歸納為：創(chuàng)建過程、導(dǎo)入過程、分配過程和擺放過程。

創(chuàng)建過程主要是資源庫、生產(chǎn)線和操作樹的創(chuàng)建。在systemroot目錄下按照主機(jī)廠項(xiàng)目要求創(chuàng)建文件夾節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)所需數(shù)據(jù)。在PD中完成各種設(shè)備資源原型庫結(jié)構(gòu)樹或節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建，創(chuàng)建與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類型，將原型節(jié)點(diǎn)與systemroot下的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。利用原型庫建立實(shí)例庫和生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)樹。然后根據(jù)生產(chǎn)線工藝過程創(chuàng)建操作樹。生產(chǎn)樹和操作樹主要以工位為基礎(chǔ)來創(chuàng)建。

導(dǎo)入過程主要是產(chǎn)品和焊點(diǎn)的導(dǎo)入。產(chǎn)品數(shù)據(jù)和焊點(diǎn)都是主機(jī)廠提供的，不用對(duì)此花費(fèi)太多精力；而詳細(xì)的夾具、鋼結(jié)構(gòu)、傳輸設(shè)備和安全護(hù)欄等數(shù)據(jù)需要供應(yīng)商完成，這些建模工作通常都會(huì)在3D設(shè)計(jì)軟件（如Catia，UG等）下完成，然后通過CAD Translators插件或者其他第三方平臺(tái)轉(zhuǎn)換成Tecnomatix可操作的.CO或.COJT格式。最后通過ImportCAD files接口導(dǎo)入到Tecnomatix的模型庫，或直接在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的屬性中指定該數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)目錄。

分配過程主要工作是白車身零件、焊點(diǎn)、操作和資源的分配。按照工藝流程順序，將產(chǎn)品、資源與操作進(jìn)行關(guān)聯(lián)。把零件、焊點(diǎn)、工人、資源分配到相應(yīng)的工位甚至是具體的焊鉗、膠槍等工具上。工位的結(jié)構(gòu)樹一般包括線纜、控制器、鋼結(jié)構(gòu)和線槽、夾具、機(jī)器人或者工人、焊鉗或膠槍、上件臺(tái)、傳輸、光柵、安全護(hù)欄、修磨器等。

以上步驟完成之后，在視圖中加載對(duì)象時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)所有的設(shè)備都重合在廠房的坐標(biāo)原點(diǎn)，這是因?yàn)樗械膴A具都是基于汽車坐標(biāo)系原點(diǎn)來設(shè)計(jì)的，需要根據(jù)2D規(guī)劃布局圖重新擺放設(shè)備到相應(yīng)的位置。在PD中，各個(gè)對(duì)象之間是沒有裝配約束關(guān)系的，都是通過三維坐標(biāo)值來定位。屬性中physical選項(xiàng)卡所示的坐標(biāo)值與上層節(jié)點(diǎn)的原點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。直接利用移動(dòng)工具將對(duì)象移動(dòng)到相應(yīng)位置。

在具體的操作過程中會(huì)遇到兩種甚至更多的平面設(shè)計(jì)方案：在PD中直接利用夾具庫完成原始位置的平面設(shè)計(jì)；如果是在AutoCAD中完成平面設(shè)計(jì)，可以通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入PD，夾具等3D數(shù)據(jù)可以根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行布局。在此推薦直接在PD中進(jìn)行3D規(guī)劃，其最大的優(yōu)勢(shì)是參與人員所獲得的數(shù)據(jù)能保持良好的一致性，因?yàn)椴捎枚S工藝平面布置圖，盡管配以文檔說明，但由于不夠直觀，不便于技術(shù)交流、校對(duì)和審核，更沒有進(jìn)行三維空間干涉驗(yàn)證，常常引發(fā)干涉現(xiàn)象。本實(shí)例項(xiàng)目部分3D布局最終效果如圖1所示。該工位設(shè)備列表和效果圖分別如表1、圖2所示。最后在PD中創(chuàng)建study folder，將需要模擬的工位拖放到該folder下建立快捷方式，如圖3所示，右擊節(jié)點(diǎn)用PS打開，進(jìn)入下一步。

圖1 部分3D布局最終效果

表1 機(jī)器人涂膠工位設(shè)備

圖2 機(jī)器人涂膠工位工藝設(shè)計(jì)效果

2 在PS中進(jìn)行機(jī)器人模擬

（1）初選機(jī)器人型號(hào)、膠槍型號(hào)及附屬設(shè)施型號(hào)；模擬涂膠槍到涂膠位置的可達(dá)性；確定機(jī)器人的型號(hào)；確定機(jī)器人和夾具等設(shè)備的位置；如果發(fā)生設(shè)備或者機(jī)器人位置更改，修改完成后需要更新回PD數(shù)據(jù)庫。

（2）確認(rèn)夾具和產(chǎn)品件的裝配夾持情況，如果不正確，檢查夾具和產(chǎn)品件的原點(diǎn)是否相同，二者的self坐標(biāo)系都應(yīng)是車身坐標(biāo)系。

圖3 建立PS模擬用的節(jié)點(diǎn)

（3）確認(rèn)夾具的工作狀態(tài)。假如設(shè)備打開、閉合和旋轉(zhuǎn)會(huì)干涉周圍實(shí)體，須反饋給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行更正。

（4）機(jī)器人進(jìn)行工作路徑的模擬。一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的路徑不僅包括涂膠點(diǎn)，還包括運(yùn)動(dòng)路徑上的關(guān)鍵點(diǎn)才能讓機(jī)器人順暢運(yùn)行。通過Gantt圖可以設(shè)置和分析工位操作順序及節(jié)拍符合性，最后生成離線程序。模擬路徑如圖4所示。

圖4 模擬路徑示意

下一步是在PS中對(duì)涂膠夾具進(jìn)行關(guān)節(jié)定義，主要包括回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、夾具的打開和關(guān)閉狀態(tài)，注意部件與部件之間的層次結(jié)構(gòu)，否則會(huì)導(dǎo)致回轉(zhuǎn)臺(tái)上的部件不跟隨回轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，這是驗(yàn)證夾具準(zhǔn)確與否的重要步驟。如果在模擬過程中出現(xiàn)閉合狀態(tài)的夾具與機(jī)器人及膠槍任何位置有干涉時(shí)，要及時(shí)優(yōu)化路徑甚至修改夾具。

ASC5000系列機(jī)器人涂膠系統(tǒng)的膠槍和膠體存儲(chǔ)設(shè)備是分體式的，區(qū)別于輸膠管道連通到膠槍的形式，機(jī)器人每次涂膠之前需要檢測(cè)膠槍內(nèi)是否有足夠的膠體完成任務(wù)，如果不足，機(jī)器人需回到加注點(diǎn)進(jìn)行加注。膠槍容器里面的膠超過一定時(shí)間后就要排除清洗，并重新加注才能開始新的任務(wù)。

項(xiàng)目要求中對(duì)膠槍TCP（即Tool Center Point）位置做出了具體規(guī)定，需定義在距離膠槍出口z向3 mm（這和使用的膠類型有關(guān)）的位置，膠槍應(yīng)盡量與產(chǎn)品件的涂膠面垂直。

在模擬涂膠的過程中要特別注意機(jī)器人的姿態(tài)，姿態(tài)連貫性直接影響涂膠質(zhì)量。實(shí)際的涂膠效果表明如果機(jī)器人姿態(tài)變換過程不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致膠體在零件表面起團(tuán)，膠槍距離零件表面距離不適當(dāng)會(huì)導(dǎo)致膠體在零件表面起麻花狀，如圖5所示，這些都是不合格的。根據(jù)實(shí)際情況再次在PS中對(duì)機(jī)器人姿態(tài)和膠槍到涂膠面的距離進(jìn)行調(diào)整，最終得到如圖6所示的效果。由于膠的粘著性，膠槍在出膠和停膠時(shí)存在對(duì)信號(hào)的響應(yīng)延遲，機(jī)器人在模擬路徑中應(yīng)在涂膠起點(diǎn)之前一段距離盡量預(yù)設(shè)置一個(gè)路徑點(diǎn)，在結(jié)束涂膠點(diǎn)位置預(yù)留一個(gè)路徑點(diǎn)并且折返一下。機(jī)器人路徑程序可以在現(xiàn)場(chǎng)由調(diào)試人員更改，如果問題較多還是把實(shí)際路徑導(dǎo)回到PS中進(jìn)行調(diào)整，效率會(huì)高很多，同時(shí)能有效降低發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)事故的風(fēng)險(xiǎn)。在Tecnomatix中預(yù)設(shè)置每段膠條的出膠量，可以避免后期人工更改參數(shù)。本次使用的Tecnomatix10版本還包括新的自動(dòng)路徑規(guī)劃功能，該功能能幫助工作人員降低機(jī)器人離線編程的工作量。

圖5 機(jī)器人涂膠中不合格情況

圖6 機(jī)器人涂膠理想情況效果

在Tecnomatix虛擬運(yùn)行功能中可以在虛擬生產(chǎn)線上測(cè)試實(shí)際的PLC控制器程序，PS中提供的The Cyclic Event Evaluator（CEE）模塊使得機(jī)器人離線模擬和PLC集成控制具有更好的交互功能，在CEE環(huán)境中可以運(yùn)行高級(jí)機(jī)器人命令，例如：CallPath、CallProg或包含這些命令的宏。虛擬運(yùn)行能為電氣工作人員大大縮短實(shí)際調(diào)試時(shí)間。此外，智能組件的標(biāo)準(zhǔn)程序庫消除了從頭開始利用人工創(chuàng)建邏輯定義所需的時(shí)間，從而能進(jìn)一步縮短在虛擬運(yùn)行工程中所耗費(fèi)的時(shí)間。Tecnomatix使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段可視化并最優(yōu)化設(shè)備的功能和動(dòng)作；在虛擬模型上進(jìn)行PLC程序修改和評(píng)估而不是在現(xiàn)實(shí)設(shè)備操作，把風(fēng)險(xiǎn)降到最低值。

本案例實(shí)際操作中與PLC通信之前需要在CEE中預(yù)先定義好每個(gè)程序段號(hào)和傳感器編號(hào)。如圖7所示，在OLP Commands對(duì)話框中添加所需要調(diào)用的指令。

圖7 指令調(diào)用對(duì)話框

最后生成的機(jī)器人程序中這些指令會(huì)自動(dòng)分配到相應(yīng)的位置，不需要人為分配。

機(jī)器人涂膠工位整個(gè)工作流程如圖8所示。當(dāng)完成了涂膠的模擬任務(wù)之后可以使用Tecnomatix中PD或PS任意模塊完成涂膠工位工藝卡的制作，使用Note功能直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的膠條信息，避免人為造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，如圖9所示。

圖8 機(jī)器人涂膠工位整個(gè)工作流程

圖9 工藝卡圖片

3 應(yīng)用PS模塊取得的成果

（1）系統(tǒng)完成了整個(gè)涂膠工位的工藝設(shè)計(jì)，使工藝流程、路徑規(guī)劃等工作變得更準(zhǔn)確、快速。

（2）自動(dòng)完成機(jī)器人的選型，實(shí)現(xiàn)每個(gè)涂膠點(diǎn)的動(dòng)態(tài)仿真，確定機(jī)器人位置，提高效率。

（3）通過布置生產(chǎn)線、機(jī)器人、工位器具和護(hù)欄等資源，使虛擬設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更加接近。

（4）通過路徑仿真，實(shí)現(xiàn)人工和機(jī)器人工位的節(jié)拍驗(yàn)證與優(yōu)化工作。

通過應(yīng)用Tecnomatix系統(tǒng)，在PS中修改調(diào)整路徑提前優(yōu)化了機(jī)器人涂膠姿態(tài)、提高了涂膠質(zhì)量，避免了之后反復(fù)多次的現(xiàn)場(chǎng)程序代碼修改和場(chǎng)地占用，使施工問題提前暴露并得到解決，這是對(duì)傳統(tǒng)序列式設(shè)計(jì)規(guī)劃方法的改進(jìn)，對(duì)以后的工程實(shí)施具有指導(dǎo)意義。