基于DELMIA的電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃研究*

崔嘉嘉, 陳繼文, 楊紅娟, 陳清朋, 姬 帥

(山東建筑大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

基于DELMIA的電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃研究*

崔嘉嘉a, 陳繼文a, 楊紅娟b, 陳清朋a, 姬 帥a

(山東建筑大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101)

高精度、高柔性化的電梯轎壁自動焊裝線是電梯轎廂制造領(lǐng)域急需解決的一個關(guān)鍵問題。基于數(shù)字化工廠仿真平臺DELMIA軟件，研究了電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃。將產(chǎn)品實(shí)體模型導(dǎo)入DELMIA軟件獲得產(chǎn)品數(shù)據(jù)，配置裝配資源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)線布局規(guī)劃。從產(chǎn)品實(shí)體模型采集獲得焊點(diǎn)的位置信息，基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)電梯轎壁焊接路徑規(guī)劃。通過干涉檢測分析，確保工作空間內(nèi)執(zhí)行焊接時安全可靠。將離線程序輸送給機(jī)器人，完成特定的焊接任務(wù)。某型號的載客電梯轎壁的焊接工藝規(guī)劃實(shí)例驗(yàn)證了文中方法的有效性和可行性。

焊接工藝規(guī)劃；DELMIA；遺傳算法；電梯

0 引言

隨著中國城市化進(jìn)程迅猛發(fā)展，城市高層建筑日益增多，電梯作為高層建筑不可缺少的垂直運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)入快速增長階段。電梯轎廂承擔(dān)著運(yùn)送乘客與貨物的作用，是影響電梯安全及運(yùn)行質(zhì)量的重要部件之一[1]。轎廂裝配占整個轎廂制造周期的一半以上。焊接是電梯轎廂裝配中耗時比較多的一個環(huán)節(jié)。電梯轎廂轎壁面積大，傳統(tǒng)的人工焊接操作方式，工作量大，勞動強(qiáng)度高、質(zhì)量不易保證。同時，在焊接路徑規(guī)劃時往往不能快速的找出一條最優(yōu)的路徑，耗費(fèi)時間過長，效率較低[2]。面對著目前電梯市場增長快、周期短的情況，高精度、高柔性化的電梯轎壁自動焊裝線已成為電梯轎廂制造領(lǐng)域急需解決的一個關(guān)鍵問題。

應(yīng)用數(shù)字化仿真技術(shù)開展轎壁焊接工藝規(guī)劃可及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計中存在的結(jié)構(gòu)性、空間性等問題，有效減少裝配缺陷，降低產(chǎn)品的裝配風(fēng)險，保證產(chǎn)品裝配的質(zhì)量，最大限度地減少了設(shè)計返工與制造返修。根據(jù)數(shù)字化仿真模擬、分析結(jié)果對裝配工藝規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化[3]，為有效提高裝配效率提供了一種可行方案。

DELMIA軟件是基于物理的數(shù)字化設(shè)計與制造的“數(shù)字化工廠”仿真平臺[4-6]，已經(jīng)應(yīng)用到汽車[7-8]、飛機(jī)[9]等制造行業(yè)。本文將DELMIA軟件引入電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃的數(shù)字化仿真中，對某型號載客電梯中的轎壁加強(qiáng)筋及轎壁封頭的焊接過程進(jìn)行工藝規(guī)劃進(jìn)行研究，采用遺傳算法對機(jī)器人焊接路徑進(jìn)行優(yōu)化，按照工作的需要尋找最優(yōu)路徑，模擬機(jī)器人運(yùn)動軌跡及其工作空間，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)動過程中不與任何設(shè)施、設(shè)備產(chǎn)生沖突，執(zhí)行焊接工序時安全可靠。

1 基于DELMIA的焊接工藝規(guī)劃過程

基于DELMIA的焊接工藝規(guī)劃過程如圖1所示。首先，利用三維制圖軟件建立產(chǎn)品的三維實(shí)體模型，導(dǎo)入DELMIA的產(chǎn)品目錄，獲得產(chǎn)品數(shù)據(jù)；配置焊接工藝規(guī)劃需要的裝配資源數(shù)據(jù)(工具、工裝、卡具等)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)線布局規(guī)劃。焊接生產(chǎn)線布局規(guī)劃是焊接工藝規(guī)劃的基礎(chǔ)，焊接生產(chǎn)線布局規(guī)劃合理，可以在完成工作任務(wù)的前提下，盡可能的節(jié)省工作空間，減少資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。其次，分析影響焊接生產(chǎn)線效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，依據(jù)產(chǎn)品的三維實(shí)體模型，采集獲得焊點(diǎn)的位置信息，基于遺傳算法對焊接路徑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)焊接路徑規(guī)劃，并進(jìn)行路徑規(guī)劃的仿真，避免焊接過程中的干涉，確保焊接過程中機(jī)器人的工作位置合理、可靠。然后，通過干涉分析、碰撞檢測、焊接仿真，發(fā)現(xiàn)在焊接過程中存在的問題，并且及時修正，避免在實(shí)際生產(chǎn)中造成資源損失。最后，生成離線程序，簡化用戶操作，節(jié)省制造、編程和調(diào)試的時間、提高工作效率。

圖1 基于DELMIA的工藝規(guī)劃過程

2 電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃

2.1 焊接生產(chǎn)線布局規(guī)劃

分析電梯轎壁焊接的工作要求，共需要三臺機(jī)器人，其中，機(jī)器人1主要負(fù)責(zé)將加強(qiáng)筋及轎壁封頭安放到轎壁板上的正確位置，機(jī)器人2主要負(fù)責(zé)進(jìn)行加強(qiáng)筋的點(diǎn)焊過程，機(jī)器人3主要負(fù)責(zé)進(jìn)行轎壁封頭的二氧化碳保護(hù)焊過程。機(jī)器人的工作任務(wù)決定了它們對工作空間位置的具體要求。以ABB為代表，從應(yīng)用程序、有效載荷和有效工作空間三個方面進(jìn)行選型分析，選擇型號為IRB4400的機(jī)器人，有效載荷10kg，達(dá)到2.55m的工作范圍。采用DELMIA仿真軟件Layout Tools工具，調(diào)整機(jī)器人到合適的位置。

從焊點(diǎn)的可達(dá)性要求出發(fā)，選擇型號為ROCKER4的焊鉗。采用DELMIA仿真軟件Perform a weld gun search for the selected weld功能，調(diào)整合適的位置使所選擇的焊鉗型號、空間姿態(tài)對應(yīng)適合的焊點(diǎn)，避免發(fā)生干涉現(xiàn)象。選擇的機(jī)器人2及焊鉗如圖2所示。

圖2 機(jī)器人及焊鉗

將設(shè)計的電梯轎壁三維模型導(dǎo)入DELMIA，獲得電梯轎壁數(shù)據(jù)；配置工作臺和機(jī)器人及焊鉗等焊接裝配資源，按照合理的位置進(jìn)行布局，焊接生產(chǎn)線布局規(guī)劃如圖3所示。

圖3 三維仿真工位的布局

分析電梯轎壁焊接機(jī)器人的工作任務(wù)和工作范圍要求，進(jìn)行機(jī)器人工作空間的檢查。機(jī)器人1的工作范圍需要滿足對于加強(qiáng)筋及轎壁封頭的有效抓取在可操作的范圍內(nèi)，并且將加強(qiáng)筋及轎壁封頭移動到轎壁板上的正確位置。機(jī)器人2的工作范圍需要滿足將加強(qiáng)筋上的15個焊點(diǎn)全部包含在內(nèi)，并完成焊接動作，雖然該加強(qiáng)筋所有的焊點(diǎn)包含在機(jī)器人2的工作空間范圍內(nèi)，但是在仿真時發(fā)現(xiàn)對于遠(yuǎn)離機(jī)器人方向的3個焊點(diǎn)機(jī)器人2并不能正確的完成焊接動作，需要對該仿真方案的布局進(jìn)行合適的調(diào)整。機(jī)器人3的工作范圍需要保證將轎壁封頭上的6個焊點(diǎn)全部包含在工作空間范圍內(nèi)。機(jī)器人的工作空間檢查如圖4所示。

圖4 機(jī)器人的工作空間檢查

由機(jī)器人工作空間的檢查分析可知，機(jī)器人3無法完成所分配給的任務(wù)，因此在設(shè)計工作臺時，應(yīng)將工作臺加上一個旋轉(zhuǎn)的動作，保證工作任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于遺傳算法的焊接路徑優(yōu)化

在電梯轎壁焊接的主要目的是對轎壁的關(guān)鍵位置進(jìn)行加固和強(qiáng)化，提高轎壁的強(qiáng)度，保證轎壁的質(zhì)量，因此機(jī)器人3要完成的焊接動作遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于機(jī)器人2，分配給機(jī)器人3的焊點(diǎn)僅僅6個。因此，對機(jī)器人3完全可以依靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)劃，路徑優(yōu)化的主要工作是對機(jī)器人2的焊接路徑進(jìn)行優(yōu)化。

(1)問題描述

電梯轎壁焊接路徑規(guī)劃是機(jī)器人2在最初位置到全部焊點(diǎn)焊接完畢返回到最初位置所經(jīng)過的線路最短或時間最少的優(yōu)化問題。

采用機(jī)器人2的焊接路徑最短的倒數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù):

(1)

其中，n為焊點(diǎn)個數(shù)，(xi,yi,zi)為焊點(diǎn)空間坐標(biāo)，可以通過人機(jī)交互的方式測量獲得。

采用路徑表達(dá)方式進(jìn)行編碼，省去解碼的過程，易于編程的實(shí)現(xiàn)[10]。在生成初始種群之前是確定種群的規(guī)模，種群的規(guī)模取較大值時，容易在全局范圍內(nèi)找到最優(yōu)解，但是使得該算法的效率低下；如果種群規(guī)模過小，又容易造成局部最優(yōu)解。仿真中的焊點(diǎn)個數(shù)為16個(包含機(jī)器人2的起始點(diǎn))，因此選擇的種群規(guī)模為30。

在對于機(jī)器人2的路徑規(guī)劃中，由于采用種群達(dá)到最大迭代數(shù)的準(zhǔn)則，因此設(shè)置該遺傳算法的迭代終止條件為S=200。

(2)焊接路徑的優(yōu)化

以某型號的載客電梯中轎壁的三個加強(qiáng)筋的焊接過程為例，對機(jī)器人2進(jìn)行焊接路徑進(jìn)行優(yōu)化。其中，機(jī)器人2所要完成的任務(wù)就是完成16個(包含機(jī)器人2的起始點(diǎn))焊點(diǎn)的焊接，部分焊點(diǎn)空間位置信息如圖5所示。

圖5 焊點(diǎn)空間位置信息

設(shè)群體的設(shè)群體大小為m，其中個體i的適應(yīng)度值為fi，則個體i選擇的概率pi為：

(2)

由公式可知，個體適應(yīng)度越高，被選中的概率越大。

焊接路徑規(guī)劃采用比例選擇算子，執(zhí)行這種選擇方式的是輪盤選擇；采用經(jīng)常使用的兩點(diǎn)交叉法，遺傳算法交叉概率為pc=0.8；采用互換變異作為變異算子，對染色體上的某些值進(jìn)行替換來實(shí)現(xiàn)變異操作的變異概率為pm=0.005。

傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃是由工藝人員憑借多年的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)劃，如圖6a所示，得到的路徑長度為1988；利用MATLAB軟件對該路徑進(jìn)行優(yōu)化后得到的路徑如圖6b所示。最優(yōu)焊接路徑為：7>8>3>2>1>9 >10>11>12>13> 16>15 >14>5>6>4>7，計算得到的最短路徑長度為1537。

(a)經(jīng)驗(yàn)得到的路徑

(b)優(yōu)化后的路徑圖6 機(jī)器人2的焊接路徑優(yōu)化

由得到的路徑長度進(jìn)行對比可知，使用遺傳算法對焊接路徑的優(yōu)化取得了明顯的效果，使得機(jī)器人2的焊接路徑達(dá)到最短，即優(yōu)化后的機(jī)器人2用時最少。

全部的焊接過程并不是一次完成的，而是在考慮規(guī)劃機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3和工作臺等若干個因素的前提下進(jìn)行焊接路徑的規(guī)劃，并整理規(guī)劃好邏輯順序以達(dá)到用時最短，效率最高和可靠型最佳的目的。因此，機(jī)器人2應(yīng)在做出最少的動作變化下，同時又在焊接過程中避開其他機(jī)器人的干涉。使用RobotManagement工具管理機(jī)器人，對機(jī)器人2的運(yùn)動情況進(jìn)行規(guī)劃，在仿真運(yùn)行的過程中，使用對話框中的Jog命令，分析機(jī)器人各軸的運(yùn)行情況，看是否超出機(jī)器人2的極限位置，避免在接下來的仿真過程中出現(xiàn)錯誤，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人2的焊接路徑仿真

2.3 干涉檢測

電梯轎壁焊接過程中，由于轎壁的橫向跨度較大，加工空間相對較小，又有多個機(jī)器人同時工作，而所需要加工的焊點(diǎn)又比較多，機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3、轎壁和工作臺在工作空間的工作過程中極有可能發(fā)生各種運(yùn)動干涉。如果在機(jī)器人運(yùn)動的過程中發(fā)生了干涉，那么就說明機(jī)器人運(yùn)動路徑規(guī)劃不合理，需要做出相應(yīng)的調(diào)整。因此需要在仿真的過程中發(fā)現(xiàn)干涉區(qū)域，并解決干涉問題，使得機(jī)器人與動態(tài)機(jī)器人之間、機(jī)器人與工作臺之間避免發(fā)生碰撞。

利用DELMIA仿真軟件，通過距離和帶分析可以檢測間隙；通過橫截面分析可以檢查內(nèi)部干涉；通過波及體積分析可以檢測零件裝配空間，判斷電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃的可行性。使用SimulationAnalysisTools工具設(shè)置檢查碰撞條件，設(shè)置的類型為間隙、接觸和碰撞，并在所有部件之間都執(zhí)行此命令，結(jié)果如圖8所示。分析圖8DELMIA干涉檢測仿真結(jié)果可知，機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3和工作臺之間沒有發(fā)生碰撞。

圖8 檢查碰撞

2.4 離線程序的生成

機(jī)器人離線編程技術(shù)對提高工作效率、簡化用戶操作，節(jié)省制造、編程和調(diào)試的時間有著重要的意義。將機(jī)器人及其工作的環(huán)境建立模型，利用相關(guān)的算法，在離線情況下進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過建立起來的三維仿真來驗(yàn)證編程的正確性和合理性，最后將程序輸送給機(jī)器人，使其完成特定的任務(wù)目標(biāo)。電梯轎廂焊接工藝規(guī)劃離線編程中，利用Create Robot Program生成機(jī)器人離線程序，離線程序的生成需要在計算機(jī)上安裝JAVA 2 SDK,版本應(yīng)在1.4.2以上才可以保證正常的運(yùn)行。機(jī)器人2的離線編程程序如圖9所示。

圖9 機(jī)器人2離線編程程序

3 結(jié)論

高精度、高柔性化的電梯轎壁自動焊裝線已成為電梯轎廂制造領(lǐng)域急需解決的一個關(guān)鍵問題?；谖锢淼臄?shù)字化設(shè)計與制造的“數(shù)字化工廠”仿真平臺DELMIA軟件，研究了電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃。以焊接生產(chǎn)線布局規(guī)劃為基礎(chǔ)，采用遺傳算法對焊接路徑進(jìn)行優(yōu)化，尋找最優(yōu)焊接路徑，通過干涉檢測分析，確保工作空間內(nèi)執(zhí)行焊接時安全可靠。將離線程序輸送給機(jī)器人，使其完成特定的焊接任務(wù)。本文的研究方法為高精度、高柔性化的電梯轎壁焊接工藝規(guī)劃提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方案，可以推廣應(yīng)用到電梯轎頂、轎底等其他部件的焊接生產(chǎn)與制造中。

[1] Georgios A,Karaoglanidis,Nickolas S.et al. 3D methodology for modeling and analysis of medium-complexity mechanical assemblies: Application in elevator-car design[J]. 3D Research,2012.

[2] 李曉延,武傳松,李午申.中國焊接制造領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,48(6):19-31.

[3] 景武,趙所,劉春曉.基于DELMIA的飛機(jī)三維裝配工藝設(shè)計與仿真[J].航空制造技術(shù),2012(12):80-86.

[4] 吳杰,孫剛.DELMIA系統(tǒng)在航空維修中的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù),2011(18):42-46.

[5] 張輝,孫茜,吳曉瑜.DELMIA虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2012(Z1):89-91.

[6] 李景新,鄭國磊. DELMIA系統(tǒng)在飛機(jī)裝配模擬中的應(yīng)用研究[J].航空制造技術(shù),2008(11):90-93.

[7] 林巨廣,戴淮初.基于Delmia白車身側(cè)圍焊接的研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2014(1):132-135.

[8] 張青青.基于DELMIA的機(jī)器人柔性滾邊系統(tǒng)仿真研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2014(8):84-86.

[9] 楊敬萍,杜寶瑞,郭洪杰. DELMIA在某民機(jī)前貨艙門裝配仿真中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2010(24):99-101.

[10] 玄光男，程潤偉.遺傳算法與工程設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，科學(xué)出版社，2000.

(編輯 李秀敏)

Research on Elevator Car Wall Welding Process Planning in DELMIA

CUI Jia-jiaa, CHEN Ji-wena, YANG Hong-juanb, CHEN Qing-penga, JI Shuaia

(a.School of Mechanical and Electrical Engineering；b.School of Information & Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China)

Elevator wall automatic welding line with high precision and high flexibility is the key issues need to be solved in the elevator car manufacturing field. Based on the digital plant simulation platform DELMIA software, the elevator car wall welding process planning is researched. The product 3D model is imported into DELMIA software to obtain product data. The assembly resource data is configured to realize the layout planning of welding production line. The position information of solder joints is collected from the product 3D model. The elevator car wall welding path is optimized based on genetic algorithm. The safe and reliable work is ensured through analysis of interference detection within the space of welding. The off-line program is delivered to the robot to complete the specific welding tasks. The car wall welding process planning example of a certain type passenger elevator shows the validity and feasibility of the proposed method.

welding process planning; DELMIA; genetic algorithm; elevator

1001-2265(2017)01-0145-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.040

2016-04-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61303087)；山東省高等學(xué)?？萍加媱濏?xiàng)目(J14LB04,J12LN32)；山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心團(tuán)隊(duì)建設(shè)科研基金(LSXT201513)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2016GGX103042)

崔嘉嘉(1990—)，男，山東曲阜人，山東建筑大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計與制造，(E-mail)cuijiajia110120119@163.com；通訊作者：陳繼文(1978—)，男，山東昌邑人，山東建筑大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電精密測控系統(tǒng)及機(jī)器人工程、數(shù)字化設(shè)計與制造、現(xiàn)代電梯機(jī)電技術(shù)，(E-mail)chenjiwen-888@163.com。

TH16;TG506

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