基于Roboguide的商用車(chē)門(mén)框機(jī)器人焊接的設(shè)計(jì)與仿真

宋琳,劉煒,曾耀華,蔡玉偉,李保鋒

(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司重慶分公司，重慶 401120)

0 引言

汽車(chē)白車(chē)身是一個(gè)復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)件，主要應(yīng)用點(diǎn)焊、凸焊、CO2氣體保護(hù)焊等焊接工藝[1]，其中應(yīng)用最多的是點(diǎn)焊，一般車(chē)型白車(chē)身的焊點(diǎn)數(shù)有4 000～5 000個(gè)[2]。目前商用車(chē)車(chē)門(mén)常用的焊接方式有人工焊、自動(dòng)焊、機(jī)器人焊等。人工焊存在焊點(diǎn)一致性差、效率低、人機(jī)工程量大等缺點(diǎn)[3]；自動(dòng)焊存在穩(wěn)定性差、故障率高[4]、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)；而工業(yè)機(jī)器人能有效降低用工成本和提升生產(chǎn)效率，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)并保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人焊接已成為汽車(chē)白車(chē)身焊裝的主流[5]。

Roboguide是日本FANUC公司為本公司機(jī)器人研發(fā)的離線編程軟件,包括建模、布局、編程和仿真四大模塊[6]，擁有處理搬運(yùn)、弧或點(diǎn)焊、噴涂等機(jī)器人離線仿真功能，具有 FANUC 公司的各種型號(hào)機(jī)器人模型及與機(jī)器人通信等基本功能[7]。

作者以某商用車(chē)車(chē)門(mén)焊接為例，從機(jī)器人選型、仿真環(huán)境建立、離線編程、仿真驗(yàn)證等方面，詳細(xì)論述了基于Roboguide的FANUC機(jī)器人離線仿真的具體操作步驟，驗(yàn)證了使用機(jī)器人進(jìn)行該車(chē)型門(mén)框焊接的可行性，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 機(jī)器人及焊鉗的選型

通過(guò)數(shù)模分析可知焊接尾門(mén)框時(shí)焊鉗的運(yùn)動(dòng)直徑在1 800 mm內(nèi)，而機(jī)器人的焊鉗可以沿用目前自動(dòng)焊接機(jī)械手的氣動(dòng)焊鉗，需要增加焊鉗連接法蘭，與機(jī)器人法蘭相配合。該氣動(dòng)焊鉗約95 kg，加上機(jī)器人管線包約15 kg，故所選機(jī)器人載質(zhì)量需大于120 kg?？紤]到機(jī)器人型號(hào)的通用性及備品備件共用性，F(xiàn)ANUC R-2000iB 210F型號(hào)的機(jī)器人滿足要求，其運(yùn)動(dòng)直徑可達(dá)2 655 mm，如圖1所示。

圖1 FANUC R-2000iB 210F型號(hào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍示意圖

2 建立仿真環(huán)境

Roboguide能夠利用軟件自帶的模型庫(kù)和外部導(dǎo)入的格式為igs或iges的模型，進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備及外圍設(shè)備的布局，建立符合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)的仿真環(huán)境，大大提高了離線編程的效率和質(zhì)量[8]。下面具體介紹仿真環(huán)境的搭建。

2.1 建立Work Cell工作單元

打開(kāi)Roboguide V9.0軟件，進(jìn)入后在提示畫(huà)面中選擇New Cell新建單元，在機(jī)器人工藝選擇畫(huà)面選中HandingPRO，點(diǎn)擊Next進(jìn)入下一步給工程命名(這里作者取名為HandingPRO)，點(diǎn)擊Next選擇建立機(jī)器人的方式：第一項(xiàng)“Create a new robot with the default HandingPRO config(根據(jù)缺省配置新建)”；點(diǎn)擊Next 選擇機(jī)器人版本為V9.0 R-30iB Plus，點(diǎn)擊Next 選擇機(jī)器人應(yīng)用類(lèi)型為SpotTool+(H590)焊接應(yīng)用軟件包；點(diǎn)擊Next 選擇機(jī)器人型號(hào)為R-2000iB/210F(載質(zhì)量為210 kg)；由于沿用之前的氣動(dòng)焊鉗，所以機(jī)器人不需要增加附件軸控制，點(diǎn)擊Next跳過(guò)附加軸運(yùn)動(dòng)組設(shè)置；默認(rèn)選擇軟件功能項(xiàng)Ascii Program Loader(R796)和PC Interface(R641)；點(diǎn)擊Next進(jìn)入信息概覽畫(huà)面，點(diǎn)擊Finish完成Work Cell的建立，如圖2所示。

圖2 Roboguide中機(jī)器人添加完成

2.2 導(dǎo)入焊鉗數(shù)模及進(jìn)行焊鉗設(shè)置

首先將得到的焊鉗數(shù)模通過(guò)UG拆分成3個(gè)部分，分別為焊鉗本體GUN.prt.igs、焊鉗靜臂jingbi.prt.igs、焊鉗動(dòng)臂dongbi.prt.igs。下一步進(jìn)行工具添加，在樹(shù)形工具欄中展開(kāi)機(jī)器人設(shè)置項(xiàng)GP∶1-R-2000iB/210F，雙擊UT∶1(Eoat1),通過(guò)CAD File導(dǎo)入本地文件GUN.prt.igs，焊鉗本體添加完成。接下來(lái)，在焊鉗本體上添加靜臂，右擊UT∶1(Eoat1)—Add Link—CAD File—jingbi.prt.igs，Link1即為靜臂；同理添加焊鉗動(dòng)臂UT∶1(Eoat1)—Add Link—CAD File—dongbi.prt.igs，Link2即為動(dòng)臂。由于在焊接過(guò)程中氣動(dòng)焊鉗的兩個(gè)臂都有焊接動(dòng)作(這樣設(shè)計(jì)是為了避免焊鉗與鈑金干涉)，所以焊鉗的靜臂和動(dòng)臂都需要添加虛擬電機(jī)。雙擊進(jìn)入Link1—Motion選項(xiàng)卡，Motion Control Type選擇Device I/O Controlled 即D網(wǎng)控制方式，Axis Type選擇Linear直線運(yùn)動(dòng)方式，Speed默認(rèn)為15 mm/s，Inputs輸入信號(hào)分別設(shè)置為Robot Controller1 RO[1] ON 0、Robot Controller1 RO[2] ON 5、Robot Controller1 RO[3] ON 5，Outputs輸出信號(hào)分別設(shè)置為Robot Controller1 RI[1] ON 0、 Robot Controller1 RI[2] ON 5、Robot Controller1 RI[3] ON 5，如圖3所示。同理進(jìn)行Link2焊鉗動(dòng)臂的相關(guān)設(shè)置，如圖4所示。

圖3 氣動(dòng)焊鉗靜臂的設(shè)置

圖4 氣動(dòng)焊鉗靜臂的設(shè)置

下一步進(jìn)行焊鉗工具坐標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置，雙擊UT∶1(Eoat1)，在屬性界面中找到UTOOL界面，勾選Edit UTOOL后，用鼠標(biāo)拖動(dòng)工具坐標(biāo)點(diǎn)至正確的位置(焊鉗工具坐標(biāo)點(diǎn)是以焊鉗靜臂電極帽的豎直向上為+Z方向，沿靜臂向外為+X方向)，確定位置后點(diǎn)擊屬性框中單擊Use Current Triad Location，然后點(diǎn)擊Apply應(yīng)用，焊鉗工具坐標(biāo)點(diǎn)TCP設(shè)置完成，如圖5所示。

圖5 焊鉗工具坐標(biāo)點(diǎn)TCP的設(shè)置

下面通過(guò)IO信號(hào)的關(guān)聯(lián)設(shè)置，在Roboguide中便可以點(diǎn)動(dòng)焊鉗。首先調(diào)出示教器畫(huà)面，點(diǎn)擊MENU→SETUP→F1→Spot Config，將9 Enable Backup gun置為ENABLED，18 Backup stroke置為ENABLED，29 Backup open detect置為ENABLED，30 BU close/gun open detect置為ENABLED，31 Close gun immediately置為ENABLED，46 Reset WC with Robot置為ENABLED。繼續(xù)進(jìn)行IO信號(hào)關(guān)聯(lián)，點(diǎn)擊MENU→IO→F1→0 NEXT→Interconnect,按下F3 SELECT選擇DI-RO界面，將DI[1]對(duì)應(yīng)RO[1]，DI[2]對(duì)應(yīng)RO[2]，DI[3]對(duì)應(yīng)RO[3]并置為ENABLE；再進(jìn)行焊接信號(hào)配置，點(diǎn)擊MENU→IO→F1→Spot Config→OUT DO，將1 Close gun 設(shè)為DO[1]，Close backup 設(shè)為DO[2]，Open backup 設(shè)為DO[3]。切換為IN DI畫(huà)面，將4 BU open detect 設(shè)為DI[3]，5 BU close detect設(shè)為DI[2]。至此，氣動(dòng)焊鉗的配置完成，可以在示教器界面通過(guò)Shift+GUN 或Shift+Backup組合鍵進(jìn)行焊鉗的閉合、小開(kāi)口和大開(kāi)口之間的切換。

2.3 導(dǎo)入工裝數(shù)模及相應(yīng)布局

在進(jìn)行仿真環(huán)境布局時(shí)要首先考慮機(jī)器人的工作空間。機(jī)器人工作空間是指在機(jī)器人正常運(yùn)行過(guò)程中所能達(dá)到的區(qū)域[9]，所以仿真環(huán)境中的工裝、零件的位置一定要布置在機(jī)器人的工作空間內(nèi)。

添加機(jī)器人底座，右鍵單擊GP∶1-R-2000iB/210F,選擇Add Dressout-Base(可以用軟件自帶的數(shù)模庫(kù)或本地的數(shù)模)，這里通過(guò)CAD Lirary→Obstacles→robot_base→ARCM_A290-7904-X377選擇一款底座，雙擊底座設(shè)置空間坐標(biāo)值，Location X=0,Y=0,Z=-500；雙擊機(jī)器人本體，設(shè)置機(jī)器人空間坐標(biāo)值，Location X=0,Y=0,Z=500,這樣機(jī)器人便附著于底座上，勾選Lock All Location Values鎖定機(jī)器人位置。下一步導(dǎo)入工裝數(shù)模，在樹(shù)形工具欄中，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊Fixtures,選擇Add Fixture，通過(guò)Single CAD File導(dǎo)入本地文件LIFTGATE.igs(尾門(mén)、工裝及夾具)，同樣通過(guò)調(diào)節(jié)Location XYZ的坐標(biāo)值，將工裝調(diào)節(jié)至合適的位置(在機(jī)器人Current UTool當(dāng)前工具坐標(biāo)點(diǎn)可達(dá)范圍內(nèi))，機(jī)器人可達(dá)范圍如圖6所示。

圖6 機(jī)器人Current UTool當(dāng)前工具坐標(biāo)點(diǎn)可達(dá)范圍示意圖

2.4 布局外圍設(shè)備

根據(jù)車(chē)間布局圖，規(guī)劃出機(jī)器人安全圍欄的布置，在樹(shù)形工具欄中右鍵單擊Obstacles→Add Obstacle→CAD Library→Obstacles→fence→FENCE_EXP_H2000_W1000，完成一塊安全圍欄的添加，同理導(dǎo)入另外的安全圍欄并編號(hào)FENCE_1-16(通過(guò)Location中XYZ及WPR調(diào)節(jié)圍欄的空間位置)。下一步添加機(jī)器人控制柜，右鍵單擊Obstacles→Add Obstacle→CAD Library→controllers→RJ_3ib_cabnet,并調(diào)節(jié)機(jī)器人控制柜的空間位置Location。為了使仿真環(huán)境更貼切生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用同樣的方法添加現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)PC_Rack、柱燈控制盒Hand_Stand01、Hand_Stand02以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員FANUC Man等。完成后的工位布局如圖7所示。

3 運(yùn)用Roboguide進(jìn)行離線編程

機(jī)器人編程主要有示教編程和離線編程兩種方法[10]，離線編程可通過(guò)一些專(zhuān)用機(jī)軟件來(lái)編程可以提高控制精度[11],且能完成一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡。下面介紹尾門(mén)框焊點(diǎn)軌跡的離線編程方法。

3.1 進(jìn)行焊點(diǎn)錨點(diǎn)

在Roboguide菜單欄上點(diǎn)擊Show/Hide Target tools選項(xiàng)，調(diào)出Target工具欄，點(diǎn)擊工具欄上Surface表面錨點(diǎn)按鈕，在尾門(mén)數(shù)模上合適的位置單擊左鍵，則錨點(diǎn)T1生成，雙擊樹(shù)形工具欄上T1，在屬性設(shè)置界面中可以通過(guò)Location XYZ和WPR調(diào)節(jié)T1的位置，使T1錨點(diǎn)垂直于尾門(mén)工藝焊點(diǎn)處。按此方法，根據(jù)工藝焊點(diǎn)位置，生成T1—T28共28 個(gè)錨點(diǎn)，來(lái)作為Roboguide可識(shí)別的焊點(diǎn)位置。焊點(diǎn)分布如圖8所示。

圖8 門(mén)框焊點(diǎn)分布圖

3.2 機(jī)器人程序編輯

首先確定機(jī)器人的Home點(diǎn)位置，Home點(diǎn)位置需要避免和工裝、圍欄、相鄰設(shè)備及人員產(chǎn)生干涉，在機(jī)器人BYPASS屏蔽時(shí)，Home點(diǎn)位置也需要是絕對(duì)安全無(wú)干涉的位置。通過(guò)點(diǎn)動(dòng)示教器將機(jī)器人移至適合的位置(此處機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)值為J1：0、J2：-26、J3:0、J4：0、J5：-90、J6：0)，點(diǎn)擊示教器MENU→SETUP→F1 TYPE→0 NEXT→Ref Position→F3 DETAIL,然后按住Shift+F5 RECORD記錄當(dāng)前點(diǎn)為Home點(diǎn)位置，PREV返回Ref Position界面將NO.1位置啟用。同時(shí)，可以建立宏程序MOVE_HOME，按住Shift+F1 POINT將當(dāng)前位置記錄為J P[1]100% FINE。下一步確定機(jī)器人等待點(diǎn)POUNCE點(diǎn)的位置，一般取機(jī)器人離白車(chē)身距離較近的點(diǎn)，目的為提前啟動(dòng)，節(jié)約循環(huán)時(shí)間。建立宏程序POUNCE，點(diǎn)動(dòng)機(jī)器人離開(kāi)Home點(diǎn)移至距離白車(chē)身較近的適合位置，按住Shift+F1 POINT將當(dāng)前位置記錄為POUNCE點(diǎn)。為避免機(jī)器人焊鉗與鈑金干涉，需要在焊點(diǎn)位置之前添加過(guò)渡點(diǎn)，此處過(guò)渡點(diǎn)設(shè)置為P[2]、P[3]。然后開(kāi)始添加焊點(diǎn)指令，在樹(shù)形工具欄Targets中雙擊點(diǎn)T1，在屬性界面點(diǎn)擊Move To按鈕，則機(jī)器人的工具坐標(biāo)點(diǎn)則會(huì)移動(dòng)到T1的焊點(diǎn)位置，在示教器中點(diǎn)擊F2對(duì)應(yīng)的SPOT選項(xiàng)，記錄第一個(gè)焊點(diǎn)程序?yàn)長(zhǎng) P[4： SPOT_001]2 000 mm/sec FINE SPOT[BU=C, S=1, BU=*]，焊點(diǎn)編號(hào)為SPOT_001。同理依次記錄出T2—T28的焊點(diǎn)程序，注意若焊點(diǎn)間有工裝或兩點(diǎn)間拐角過(guò)大，需要添加過(guò)渡點(diǎn)，最后調(diào)用回原點(diǎn)的宏程序MOVE_HOME。如下是編輯的程序示例：

/STYLE01

1:UTOOL_NUM=1 ;

2:UFRAME_NUM=0 ;

3:

4:J P[1] 100% FINE ;

5: POUNCE ;

6:J P[2] 100% CNT100 ;

7:J P[3] 100% CNT100 ;

8:L P[4:SPOT_001] 2000mm/sec FINE

: SPOT[BU=C,S=1,BU=* ] ;

9:L P[5:SPOT_002] 2000mm/sec FINE

: SPOT[BU=C,S=1,BU=* ] ;

……

39:L P[31:SPOT_028] 2000mm/sec FINE

: SPOT[BU=C,S=1,BU=* ] ;

40:J P[32] 100% CNT50 ;

41:J P[2] 100% CNT100 ;

42: MOVE_HOME ;

4 離線仿真驗(yàn)證

使用 Roboguide的仿真功能可以模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，可以對(duì)未來(lái)該工位的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和前瞻性研究[12]。

按住示教器面板上的 SHIFT+FWD或SHIFT+BWD 組合鍵，分別能正序或倒序執(zhí)行機(jī)器人程序，STEP單步按鈕可切換程序單步或連續(xù)執(zhí)行，如圖9所示。仿真中可以看出機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程有無(wú)干涉(程序運(yùn)行時(shí)機(jī)器人干涉部分會(huì)高亮顯示)，通過(guò)軌跡修正、增加干涉區(qū)或調(diào)整物體位置，從設(shè)計(jì)上來(lái)避免機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與周邊產(chǎn)生干涉。仿真得到機(jī)器人整個(gè)循環(huán)周期時(shí)間約為53 s，而現(xiàn)場(chǎng)目前所使用的自動(dòng)焊設(shè)備的循環(huán)周期為75 s，通過(guò)離線仿真可以得出使用機(jī)器人進(jìn)行該商用車(chē)尾門(mén)框焊接完全滿足使用要求，并且單個(gè)循環(huán)周期可以節(jié)約22 s，大大提升了生產(chǎn)效率。

圖9 機(jī)器人仿真運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

目前機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用成熟，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)也愈發(fā)明顯，隨著汽車(chē)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇、用工日趨緊張，推廣應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是大勢(shì)所趨。使用機(jī)器人焊接能保證焊點(diǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率，且故障率低、保養(yǎng)維修方便，滿足了企業(yè)生產(chǎn)的需求。以某商用車(chē)車(chē)門(mén)焊接為例，論述了使用Roboguide進(jìn)行FANUC機(jī)器人離線仿真的具體方法，驗(yàn)證了使用機(jī)器人進(jìn)行該車(chē)型門(mén)框焊接的可行性，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)，同時(shí)文中論述的方法也可為FANUC機(jī)器人用于其他應(yīng)用時(shí)的離線仿真提供借鑒。