探討白車身焊接機(jī)器人的焊接路徑優(yōu)化方法及仿真分析

韋樂樂 朱騰權(quán)

【摘 要】作為車身加工的重要環(huán)節(jié)，焊接水平高低直接關(guān)系白車身的質(zhì)量情況，是提高整個汽車生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。但是，在焊接過程中，每臺機(jī)器人需要焊接位置的很多?？梢?，探究焊接路徑的優(yōu)化方法顯得尤為重要。然而，現(xiàn)階段，我國汽車企業(yè)在路徑優(yōu)化方面的技術(shù)仍然處于落后狀態(tài)，普遍存在作業(yè)順序不當(dāng)?shù)膯栴}，最終影響汽車生產(chǎn)節(jié)拍。為此，本文基于遺傳算法，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，分析焊接路徑的方法，并且編寫相關(guān)的軟件，最后進(jìn)行仿真，以發(fā)那科點(diǎn)焊機(jī)器人作為案例，將證實(shí)該路徑是可行的，旨在強(qiáng)化行業(yè)交流，為提高國內(nèi)機(jī)器人焊接提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】白車身焊接 焊接路徑優(yōu)化 仿真分析

1 前言

白車身具有較多的零部件，是一個相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計，它的零件制造占汽車全部零件制造的比重高達(dá)40%-60%，沖壓零件約600個，而焊接工位多達(dá)60-77個。在生產(chǎn)過程中，白車身含有約2500個裝夾定位，4500個焊點(diǎn)。由于白車身對汽車具有重要支撐作用，而焊接難度很大，因此對其焊接路徑進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義，也是提升汽車質(zhì)量的重要舉措[1]。通常情況下，它的焊接含有車門、側(cè)圍、地板等焊接，常見的方法包括激光焊接、螺柱焊接、電阻焊接等。為了提高白車身焊接技術(shù)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，很多汽車企業(yè)逐漸傾向于選取焊接機(jī)器人來完成對白車身焊接工作，該種方法也是汽車制造的領(lǐng)先技術(shù)。本文針對機(jī)器人焊接路徑進(jìn)行探討，制定優(yōu)化方案，并進(jìn)行仿真。

2 焊接路徑優(yōu)化方法

2.1 生產(chǎn)過程

優(yōu)化焊接路徑本質(zhì)上屬于探究機(jī)器人焊接用時最短的路徑。研究表明，優(yōu)化焊接路徑需要考慮很多因素，例如焊接變形情況、焊鉗、焊點(diǎn)位置等。為此，要想制定優(yōu)化路徑的方案，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)對其焊接生產(chǎn)過程進(jìn)行全面了解。結(jié)合筆者經(jīng)驗(yàn)，本人認(rèn)為焊接路徑主要分析制造資源、點(diǎn)焊工藝、零件這三個對象[2]。研究表明，白車身生產(chǎn)過程為：定位并通過工具將其夾緊、移動焊鉗至焊接位置、焊接、移開焊鉗，將工具松開。在整個生產(chǎn)過程中，機(jī)器人主要工作是點(diǎn)焊在每個夾具中的零件，而為了確保每臺機(jī)器人正常作業(yè)，因此他們的作業(yè)原點(diǎn)也有所不同。通常情況下，焊接好焊點(diǎn)后，機(jī)器人都會自動移動到規(guī)定的焊點(diǎn)，最終移動到作業(yè)原點(diǎn)[3]。由上述可知，機(jī)器人具有兩種運(yùn)動：一是焊點(diǎn)與作業(yè)原點(diǎn)間的移動，另一種是焊點(diǎn)間的移動。兩種運(yùn)動形式本質(zhì)上都屬于點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動，該種運(yùn)動無具體運(yùn)動軌跡，只是涉及到目標(biāo)位置以及起始位置[4]。

2.2 明確優(yōu)化方案

經(jīng)過分析，本研究設(shè)計路徑優(yōu)化方案詳見圖1。由圖1的路徑方案可知，要想實(shí)現(xiàn)縮短生產(chǎn)周期的目的，就應(yīng)當(dāng)縮短機(jī)器人焊鉗移動時間和焊接消耗時間。其工位主要在兩方面消耗時間：一是機(jī)器人進(jìn)行焊點(diǎn)間移動需要消耗時間，二是焊接工作消耗時間。由于最后完成焊接工作的機(jī)器人對焊接時間產(chǎn)生重要影響，因此可通過以下兩種方式來縮短耗時：一是合理安排每個機(jī)器人焊接順序，最大限度減少其作業(yè)時間；二是采用多臺機(jī)器人聯(lián)合焊接，合理安排任務(wù)量，避免分配不均的情況。由于路徑優(yōu)化方式是基于任務(wù)分配，因此只能通過細(xì)化每個機(jī)器人所承擔(dān)的任務(wù)量來實(shí)現(xiàn)縮短工時的目的[5]。

2.3 數(shù)學(xué)模型

由上述生產(chǎn)可知，要想完成焊接工作，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)從規(guī)定的原點(diǎn)開始，逐漸焊接夾具上的每個零件。由于每個焊點(diǎn)對車身質(zhì)量都會產(chǎn)生影響，因此必須確保機(jī)器人按時按質(zhì)焊接全部的焊點(diǎn)。為了簡化模型，在基于模型科學(xué)的基礎(chǔ)上，本次研究所設(shè)計的模型必須符合以下兩個條件：一是焊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)比較接近TCP真實(shí)移動長度；二是倘若機(jī)器人在焊點(diǎn)間移動，則可對其距離取平均值。由于進(jìn)行路徑優(yōu)化的對象是制造資源、工藝以及零件，因此本次研究構(gòu)建如下模型：

其中，制造資源、工藝、零件這三大對象的表達(dá)式分別記做、、，而數(shù)學(xué)算法記做。而每個對象的含義也有所不同。其中指的是零件焊點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)；指的是焊接變形情況；指的是機(jī)器人的運(yùn)動、焊接原點(diǎn)、干涉問題等情況對路徑優(yōu)化產(chǎn)生影響。本次研究綜合分析各種數(shù)學(xué)算法，最終選取遺傳算法進(jìn)行路徑優(yōu)化，其具有如下優(yōu)勢：最大限度查找最優(yōu)解；將定性、定量兩種分析方法進(jìn)行有效結(jié)合；可合理安排機(jī)器人的作業(yè)順序；計算比較簡易，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)約計算時間的目的。

2.4 基于遺傳算法進(jìn)行設(shè)計

本文主要從兩個方面分析該項(xiàng)設(shè)計：一方面是編碼情況。該方案設(shè)計焊點(diǎn)共計m個，并且將其分配給每臺機(jī)器人，同時自行產(chǎn)生長度為m的一串基因編碼，而每個基因座都與獨(dú)一無二的焊點(diǎn)對應(yīng)。另一方面是選遺傳操作。從以下三點(diǎn)進(jìn)行分析：一是選取算子。在選取算子方面，遺傳算法中存在很多方法，而本次研究選取輪盤賭法。研究表明，將該種方法應(yīng)用于算子選取過程中，個體選取可能性越大，適應(yīng)度也會越大；二是選取正確的適應(yīng)度。在遺傳算法的使用過程中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)將該函數(shù)設(shè)置為正值。由于路徑優(yōu)化方案的函數(shù)是為了探究機(jī)器人用時最短的方案，因此該函數(shù)等于機(jī)器人耗時的倒數(shù)，也就是F=1/Tmin；三是交叉。本次研究從中隨機(jī)抽取兩個單獨(dú)個體，并且研究兩點(diǎn)交叉。

3 仿真分析

由于CATAI軟件可構(gòu)建零件清晰、具體的三維模型，并且可仿真其焊接的運(yùn)動軌跡，因此本次研究通過CATAI軟件進(jìn)行仿真。仿真工作的技術(shù)路線大致為：建立數(shù)學(xué)模型-輸入焊接路徑方案-對路徑方案進(jìn)行仿真-仿真結(jié)果。其中，可進(jìn)行進(jìn)行離線編程，最后編寫機(jī)器人程序。

本文將汽車下車體點(diǎn)焊機(jī)器人工位的第二臺焊接機(jī)器人作為案例。（1）構(gòu)建模型。在仿真工作前，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)構(gòu)建側(cè)圍工位的相關(guān)模型，該模型含有下車體、焊點(diǎn)等數(shù)據(jù)模型。（2）進(jìn)入DMU單元進(jìn)行路徑仿真。具體來說，先幫助焊接機(jī)器人創(chuàng)建驅(qū)動命令、固定桿等，然后進(jìn)入模擬仿真的界面，通過Mechanism選項(xiàng)，選取本次研究模擬機(jī)構(gòu)，并且設(shè)置速度為36°/s，其中通過Command/Angle來設(shè)置驅(qū)動命令。（3）設(shè)置步驟。在本次研究通過Number of steps選項(xiàng)來完成對于步驟的設(shè)置，模擬運(yùn)動過程中，操作與操作間的時間秒數(shù)等于機(jī)器人行程總數(shù)與步數(shù)的商。倘若時間間隔秒數(shù)為20s，步驟數(shù)總計200，則20s/200=0.1s的時間會形成一個畫面。然而，值得注意的是，在干涉分析前，仿真人員應(yīng)當(dāng)添加干涉項(xiàng)目，此操作可通過Analysis選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)，具體見圖2。經(jīng)過仿真該工位事實(shí)上要求生產(chǎn)節(jié)拍時間是119s，但是實(shí)際為109s，經(jīng)優(yōu)化，該工位機(jī)器人的焊接效率明顯增加13.9%。路徑仿真結(jié)果表明，全部都未出現(xiàn)干涉情況，而且仿真時間較短，進(jìn)而縮短機(jī)器人的生產(chǎn)耗時，證明該優(yōu)化方案是可行的。

本次研究為優(yōu)化機(jī)器人焊接順序提供借鑒，然而還存在很多問題值得思考。例如，在優(yōu)化作業(yè)順序過程中，路徑還受到諸多影響的影響，特別是焊接地點(diǎn)的設(shè)備布局情況，原因在于每個機(jī)器人都是不會出現(xiàn)變動，只是其六軸發(fā)生改變。由此可見，倘若零件位置出現(xiàn)變化，則機(jī)器人難以按照預(yù)定設(shè)計完成焊接工作，對路徑造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。為此，優(yōu)化路徑不僅需要改善機(jī)器人的焊接運(yùn)動軌跡，而且需要對其進(jìn)行合理布局。

4 結(jié)語

機(jī)器人焊接已經(jīng)成為汽車白車身焊接的重要方式，但是目前機(jī)器人作業(yè)順序的安排方法仍然比較落后，延長整個生產(chǎn)周期，不利于提高汽車企業(yè)的生產(chǎn)效率，進(jìn)而不利于企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。為此，本次研究通過遺傳算法設(shè)計路徑優(yōu)化方案，制定焊接路徑模型，并且通過CATAI軟件進(jìn)行仿真來證實(shí)方案的可行性，為行業(yè)優(yōu)化機(jī)器人焊接路徑提供借鑒，有助于汽車企業(yè)提高白車身的焊接質(zhì)量，從而促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)效益提高。

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