基于Tecnomatix軟件的白車身工藝規(guī)劃與仿真驗證

常輝娟

摘 要：在白車身生產(chǎn)規(guī)劃中，一切要以提高工作效率、降低生產(chǎn)成本為原則。在確定了機器人的最優(yōu)焊接路徑后，應在Tecnomatix環(huán)境中利用Process Designer（以下簡稱“PD”）和Process Simulate（以下簡稱“PS”），從而實現(xiàn)對白車身焊裝線項目前期工藝規(guī)劃、仿真驗證、焊裝線中工作站的建立、焊鉗的選擇和焊接路徑的驗證、干涉和分析。通過仿真驗證分析焊接裝配過程中可能出現(xiàn)的問題，提出了解決方法，確定了生產(chǎn)方案，以指導現(xiàn)場裝配。

關(guān)鍵詞：Tecnomatix；工藝規(guī)劃；仿真驗證；Process Designer

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.094

焊裝在汽車制造的四大工藝中起著承上啟下的作用。同時，機器人作為一種高度柔性化的制造裝備，可替代工人重復、高強度的體力勞動，大幅提高了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，已成為汽車制造業(yè)的關(guān)鍵裝備。因此，焊接機器人工位的規(guī)劃也已成為白車身焊接整線規(guī)劃的重點之一。

在確定了最優(yōu)焊接路徑后，比較了目前通用的仿真軟件的優(yōu)、缺點。根據(jù)白車身的焊接特點和現(xiàn)有條件，選擇Tecnomatix仿真平臺作為焊接路徑規(guī)劃驗證的仿真軟件。在Tecnomatix中建立了工作單元模型，實現(xiàn)了在3D環(huán)境下進行制造工藝過程的設計，對確定的焊接路徑進行了仿真和再優(yōu)化。

1 在PD中完成工藝設計

工藝設計過程中涉及的數(shù)據(jù)主要有產(chǎn)品數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)即整車廠提供的白車身數(shù)模、焊點等信息；資源數(shù)據(jù)是鋼結(jié)構(gòu)、傳輸設備、夾具、機器人、焊鉗和料箱等設備的集合；工藝數(shù)據(jù)為生產(chǎn)線規(guī)劃、機器人或工位的操作流程等。工藝設計過程大體分為創(chuàng)建、導入、分配和擺放四步。

1.1 數(shù)據(jù)導入與數(shù)據(jù)管理

在導入前，先在PD軟件中創(chuàng)建了一個新項目，并在這個目錄下創(chuàng)建了子目錄，子目錄的創(chuàng)建分別對應資源數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。導入過程即為產(chǎn)品、焊點和資源數(shù)據(jù)的導入。產(chǎn)品數(shù)據(jù)和焊點都由整車廠提供，詳細的夾具、鋼結(jié)構(gòu)、機器人和焊槍等數(shù)據(jù)由供應商設計完成。

同時，還需在資源數(shù)據(jù)庫子目錄資源數(shù)據(jù)目錄下創(chuàng)建標準操作庫，在這個操作庫里面創(chuàng)建多個今后可重復使用的標準操作，比如取件、移動、夾具打開和閉合等，并指定這些操作的工作時間。

1.2 新焊裝線的初步規(guī)劃

在工藝數(shù)據(jù)庫目錄下建立新焊裝線模型，在這一組對象中，藍色表示資源樹，紅色表示工藝樹。

1.2.1 工區(qū)和工位的劃分

對生產(chǎn)線建模時，一般遵循自頂向下的順序，即生產(chǎn)線級→工作區(qū)級→工位級，逐層細化。

1.2.2 工位操作順序

根據(jù)實際規(guī)劃需要，從操作庫中將相應操作工藝添加到操作中，機器人或其他設備的操作時間根據(jù)實際仿真需要輸入。

1.2.3 焊點分配

根據(jù)焊裝生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)和零件的安裝順序，在焊接特征數(shù)據(jù)庫中找到待分配的焊點，并將其拖放到指定零件屬性表里的焊接特征選項卡中。

按照工藝流程順序，將產(chǎn)品、資源與操作關(guān)聯(lián)，并將零件、焊點、機器人和資源分配到相應的工位甚至是具體的焊槍上。

1.3 在AutoCAD環(huán)境中進行生產(chǎn)線二維布局

以上步驟完成后，在視圖中加載對象時會發(fā)現(xiàn)所有的設備都重疊在廠房的坐標原點，需要根據(jù)2D規(guī)劃布局圖重新擺放設備到相應的位置。在PD中，各個對象之間不具備約束關(guān)系，可通過三維坐標值來定位。此外，還可直接利用移動工具將對象移動到相應位置。

使用AutoCAD集成功能進行生產(chǎn)線平面布局，從PD中選擇CAD二維布局的參考背景。背景導入成功后，窗口左側(cè)的坐標即為資源樹的坐標原點，如圖1所示，右側(cè)是背景圖。此時，將資源樹的坐標系與布局圖上的位置一一對應。

圖1 生產(chǎn)平面布局

位置對應完成后，可在Process Designer中查看Zone 1的三維顯示效果。顯示效果后，在Project下新建一個StudyFolder，將需要模擬的工位拖放到該folder下建立快捷方式，從右側(cè)的Operation Tree窗口拖拽Zone 1到左側(cè)窗口的RobcadStudy目錄下，這樣就在新的位置建立了一個Zone 1的快捷方式。選擇RobcadStudy，從右鍵菜單中選擇“Open with Process Simulate”，通過RobcadStudy接口，可使用Process Simulate打開并對Zone 1進行仿真操作。

2 在PS中進行機器人模擬

2.1 焊點投影

本文以Zone 1的Station 1為例，在這個工位的范圍內(nèi)仿真并驗證機器人的焊接過程，并選擇在該工位要焊的12個焊點。任何焊點必須經(jīng)過向零件投影后，才可使用焊槍進行焊接仿真。完成投影的焊點在Operation Tree中圖標變亮，焊點也隨之變成坐標的形式。

2.2 焊接仿真

焊接仿真分為以下5步：①在已有的焊鉗庫中，選擇能焊接到所有選定焊點的焊鉗，將焊鉗安裝到機器人上，選擇機器人的型號和合適位置，并確定焊鉗的可達性。②向仿真工位添加資源，確定夾具等設備的位置；進行焊接干涉檢查和焊槍運動路徑設置，如果設備或機器人的位置發(fā)生改變，則需要將新位置更新到PD數(shù)據(jù)庫。③確認夾具和產(chǎn)品件的裝配夾持情況，如果出現(xiàn)不符要求的間隙或干涉，則應檢查夾具和工件是否在正確的位置上。④進行運動機構(gòu)的動作設置，定義焊槍的動作、夾具夾頭的動作和設置整個夾具的開合動作。如果運動機構(gòu)的打開、閉合和旋轉(zhuǎn)會干涉周圍實體，則應反饋給設計工程師進行更正。⑤機器人工作軌跡模擬。一個經(jīng)過優(yōu)化的路徑不僅包括焊點，還包括兩焊點之間增加路徑的關(guān)鍵點。只有這樣，才能讓機器人順暢運行。通過Gantt圖可以設置完整的工位操作順序，并分析節(jié)拍的符合性。

運行該工位的全部仿真運動，Tecnomatix系統(tǒng)會用不同顏色標注整個過程中存在干涉的部位。如果在模擬過程中出現(xiàn)閉合狀態(tài)的夾具、機器人，或焊槍的任何位置存在干涉時，要及時優(yōu)化路徑甚至修改夾具，最終生成離線程序。

3 應用Tecnomatix系統(tǒng)取得的成果

應用Tecnomatix系統(tǒng)取得的成果有以下4點：①系統(tǒng)完成了整個機器人焊接工位的工藝設計，使工藝流程、機器人軌跡規(guī)劃等工作變得更準確、快速；②可自動完成機器人的選型，實現(xiàn)每個焊點的動態(tài)仿真，確定機器人位置，提高效率；③通過布置生產(chǎn)線、機器人、工位夾具和護欄等資源，使虛擬設計與現(xiàn)場實際更加接近；④通過路徑仿真，可實現(xiàn)機器人工位的節(jié)拍驗證和優(yōu)化工作。

通過應用Tecnomatix系統(tǒng)在PS中修改調(diào)整路徑，優(yōu)化了機器人的焊接姿態(tài)，提高了焊接質(zhì)量，實現(xiàn)了設計與生產(chǎn)的同步，提前驗證了生產(chǎn)的可行性，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，對項目周期和風險的控制具有重要的意義。

參考文獻

[1]劉陽杰，朱杰，張紅梅.基于PD/PS的機器人涂膠工位仿真研究[J].電焊機，2013（2）：68-71.

[2]張生芳，曾魁，田軒，等.采用Process Designer的白車身焊裝生產(chǎn)線工藝規(guī)劃研究[J].現(xiàn)代制造工程，2012（5）：97-100.

[3]姜海濤.Tecnomatix軟件在重型載貨車焊接工藝設計中的應用[J].汽車工藝與材料，2011（8）：65-68.

〔編輯：張思楠〕