白車身車門焊裝線工藝規(guī)劃及數(shù)字化工廠技術(shù)研究

徐小劍， 段 偉

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603)

焊裝線的設(shè)計過程繁瑣,焊接設(shè)備制造周期長、成本高。如何高效可靠地設(shè)計汽車焊裝線已成為汽車工業(yè)的迫切問題。隨著制造技術(shù)和軟件系統(tǒng)的不斷發(fā)展和研究,“數(shù)字化工廠”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。使用該技術(shù),可以完成生產(chǎn)線的過程模擬、人體工程學(xué)模擬、離線編程等,能驗證和優(yōu)化工藝,設(shè)計出高質(zhì)量的自動化焊裝線。它為制造商及供應(yīng)商提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺,涵蓋生產(chǎn)制造中的各個環(huán)節(jié),并及時共享信息。

當(dāng)前,應(yīng)用于汽車白車身焊裝線設(shè)計的數(shù)字化軟件平臺主要有德國西門子公司產(chǎn)品eM-workplace(Robcad)和Process design/Process simulation(pd/ps)及法國達(dá)索公司產(chǎn)品Delmia,以前兩者應(yīng)用較廣。

1 車門焊裝線工藝規(guī)劃

汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異很大,車身的類型多種多樣,其焊接工藝也各不相同。對某車廠某車型車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到焊裝工藝流程如圖1所示。

圖1 車門焊裝工藝流程圖

車門焊裝線是單車型大批量生產(chǎn)線。該車型生產(chǎn)計劃要求為180000輛/年(Q),設(shè)備的年工作日為320天(D),每天雙班8小時(H)工作制,設(shè)備利用率為80%(S),底板線自動化率為25%。年有效工作時間(F)為:

F=(H×60)×D×S×n

=8×60×320×80%×2=245760(min)

每輛車可利用時間為:

計算出車門焊裝線節(jié)拍為81.9s。根據(jù)自動化率,該項目為半自動焊裝線,前門工藝信息如表1所列。

表1 前車門工藝信息統(tǒng)計

如何在每個工作站中依次完成這些焊點和膠條是焊裝生產(chǎn)線需要規(guī)劃的首要任務(wù)。焊點可分為定位焊點和補(bǔ)焊點,定位焊點的焊接在補(bǔ)焊點之前完成。各工作站的內(nèi)容主要包括:上件、夾具夾緊、焊接、涂膠、下件、搬運(yùn)等。各操作花費(fèi)的時間都有經(jīng)驗值如表2所列。

表2 各動作耗費(fèi)時間經(jīng)驗值

工作有效時間:

其中,Ei為事件數(shù)量,ti為對應(yīng)事件單個元素的耗費(fèi)時間。機(jī)器人焊點的數(shù)量等于焊點的總數(shù)乘以自動化率,即24個。此車門焊裝線工作站間運(yùn)輸時間P1按10s計算,每個工作站裝/卸件時間按15s計算,得到有效焊接時間:

Te1=96×4+15=399(s)

生產(chǎn)線節(jié)拍為81.9s每個工作站的節(jié)拍應(yīng)該小于或等于整個生產(chǎn)線的節(jié)拍,得出工作站能利用的有效時間P2為:

P2=P-P1=81.9-10=71.9(s)

焊接工作站所需的操作員(機(jī)器人或工人)數(shù)目為:

給每個工作站分配2個操作員,可以規(guī)劃2個定位焊接工作站和2個補(bǔ)焊工作站。因為車門內(nèi)板與門鎖扣加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板焊接時,工件較多,裝夾工件耗時較長,所以該工作站選用可旋轉(zhuǎn)的兩面轉(zhuǎn)臺作為裝件設(shè)備,允許裝件和焊接工作能同時進(jìn)行,并且使用2臺工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行焊接操作,其余工作站都采用人工焊接?？紤]節(jié)拍、產(chǎn)能、成本和質(zhì)量等各種因素,使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行涂膠工作,選用壓機(jī)進(jìn)行車門內(nèi)外板包邊扣合。初步規(guī)劃的車門焊裝線平面布局如圖2所示。

圖2 車門焊裝線布局規(guī)劃圖

工藝規(guī)劃是焊裝線設(shè)計的重要內(nèi)容,1條焊裝線的成敗取決于其工藝方案是否合理。規(guī)劃內(nèi)容,主要包括各工作站操作順序、焊接參數(shù)、工件運(yùn)輸方式等。該車門(前門)焊裝線,整線工藝規(guī)劃如表3所列。

表3 車門焊裝線工藝規(guī)劃

2 數(shù)字化工廠建模

圖3 FD-010數(shù)字化工廠模型

使用數(shù)字工廠技術(shù),可以在計算機(jī)中模仿真實的工廠環(huán)境,并且可以根據(jù)實際大小和比例將車間中的所有資源放置在虛擬軟件環(huán)境中。在初步確定各工作站產(chǎn)品數(shù)模、焊點、焊槍及夾具結(jié)構(gòu)后,將各種資源導(dǎo)入到軟件中。圖3是建立的FD-010工作站數(shù)字化工廠模型。

機(jī)器人點焊工作站數(shù)字化工廠的建模遵循以下流程:①根據(jù)初始工藝規(guī)劃、布局和焊點分配,建立點焊工作站仿真模型;②設(shè)置各種參數(shù),比如焊接參數(shù)和工藝參數(shù)等;③按照規(guī)劃方案,建立工作站操作順序圖Sop(Sequence of Operations),在Sop中運(yùn)行仿真模型。如果方案出現(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉、節(jié)拍超時、機(jī)器人不可達(dá)等問題時,必須作出修改及優(yōu)化,具體措施有:修改夾具結(jié)構(gòu)、更改焊槍、調(diào)整機(jī)器人、優(yōu)化路徑、重新分配焊點等。數(shù)字化工廠建模流程如圖4所示。

方案驗證通過后,機(jī)器人必須進(jìn)行編程調(diào)試。機(jī)器人編程分為示教編程和離線編程兩種。示教編程要求調(diào)試工程師在現(xiàn)場使用1臺與機(jī)器人控制柜相連的示教盒操作,邊運(yùn)行機(jī)器人邊示教,反復(fù)優(yōu)化軌跡后,最后將程序?qū)懭霗C(jī)器人存儲。離線編程則是在數(shù)字化工廠模型中應(yīng)用OLP模塊,在軟件里提前規(guī)劃好路徑,設(shè)置每個焊點焊接參數(shù),經(jīng)校準(zhǔn)消除誤差后導(dǎo)入到機(jī)器人運(yùn)行。與示教編程相比,離線編程具有以下優(yōu)點:①編程時不影響機(jī)器人工作,減少機(jī)器人停機(jī)時間;②改善編程工作環(huán)境,工程師可以遠(yuǎn)離危險工作環(huán)境;③便于CAD/CAM/ROBOTICS一體化;④通過數(shù)字化工廠技術(shù)驗證,能對復(fù)雜運(yùn)行軌跡編程,可以提高程序的精度和可靠性。Robcad離線編程通過RRS協(xié)議建立與機(jī)器人的 RCS 的通信,完成兩者之間的離線程序接口對接。RCS生成的離線程序采用.pe格式,其中的代碼為ASCII碼。但是,由于真實環(huán)境的機(jī)器人只能使用以二進(jìn)制代碼編寫的.tp文件,因此必須經(jīng)過RJ TRANSLATOR進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,生成的離線程序才能在機(jī)器人上運(yùn)行,按照圖5所示流程進(jìn)行。

圖4 數(shù)字化工廠建模流程圖

圖6 用戶坐標(biāo)系校準(zhǔn)法

離線程序存在誤差,來源于2個方面:一方面是外部誤差,比如機(jī)器人和工裝設(shè)備的安裝誤差、加工誤差等;另一方面是內(nèi)部誤差,如機(jī)器人結(jié)構(gòu)加工制造誤差。如何消除這種誤差是離線編程技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。一般是基于用戶坐標(biāo)系校準(zhǔn)法,借助于三坐標(biāo)測量儀,設(shè)置用戶坐標(biāo)系來消除數(shù)字化工廠模型與現(xiàn)實環(huán)境之間的誤差。生成的程序也可以用記事本打開,可以直接進(jìn)行編輯。用戶坐標(biāo)系校準(zhǔn)法應(yīng)用流程如圖6所示。

3 結(jié)束語

本文以某車廠某車型車門焊裝線為研究對象,對其工藝規(guī)劃過程做了詳細(xì)分析,并建立了機(jī)器人焊接工作站數(shù)字化工廠模型,最后將生成的離線程序?qū)氲浆F(xiàn)場機(jī)器人中運(yùn)行,提高了焊裝線的設(shè)計效率和可靠性,縮短了項目周期,對企業(yè)生產(chǎn)具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。實施“數(shù)字化工廠”技術(shù)將為國內(nèi)汽車制造企業(yè)帶來巨大的收益,當(dāng)前這方面人才尤其緊缺,需要積極向國外學(xué)習(xí)。