汽車焊裝車間數(shù)字化工廠關鍵技術研究

□ 楊 昆

廣汽乘用車有限公司 廣州 511458

1 研究背景

汽車制造廠商進行數(shù)字化工廠轉型已成為各大主機廠的共識,但所取得的成果各有不同。目前,國內實施較好的自主品牌主要為吉利、長安等,大部分廠商仍處于對Tecnomatix PD/PS軟件的基礎應用階段。

Tecnomatix PD/PS軟件可以在新車導入階段提高同步工程效率,縮短新車導入調試時間[1]。在汽車焊裝車間,因為減少了逐點示教的工作量,效果更加明顯[2]。但是,此層面的應用與真正的數(shù)字化工廠還存在一定差距,縮短這一差距的關鍵是建立數(shù)字化工廠標準。只有建立完善的數(shù)字化工廠標準,才有可能實現(xiàn)真正的數(shù)字孿生,提高仿真能力[3]。

2 數(shù)據(jù)準備與管理規(guī)劃

一般而言,數(shù)據(jù)包括車身產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造特征數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)。這三種數(shù)據(jù)是開展項目的前提,構成數(shù)字化工廠的基礎數(shù)據(jù)層[4]。汽車焊裝車間是典型的混合作業(yè)車間,資源繁多,有必要對其格式、表達方式、機構等進行詳細規(guī)定[5]。

(1) 車身產(chǎn)品管理。白車身數(shù)據(jù)屬于Tecnomatix PD/PS軟件基本對象中的產(chǎn)品,一般由主機廠提供。主機廠的產(chǎn)品多樣性,決定了在建立標準時需要注意產(chǎn)品迭代數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存放邏輯、線體劃分[6]。

(2) 制造特征管理。焊裝車間最常用的制造特征為焊點,通過車型+層級+序號的方式命名,可以滿足唯一性要求,也能夠方便識別。

(3) 設備管理。設備是資源的主要組成部分,數(shù)字化工廠的維護在很大程度上就是資源的維護。在建立數(shù)字化工廠時,提前對各類設備,包括機器人、焊槍、夾具、臺車、抓手、滑撬、往復桿等進行詳細規(guī)定,規(guī)定內容為拆分原則、機構定義、參考坐標、顏色等,這樣有利于各線體統(tǒng)一標準,方便后期迭代,形成默認規(guī)范。

以機器人伺服焊槍為例,可對焊槍機構進行定義,對分隔原則進行規(guī)定。焊槍機構定義為伺服焊槍,分為C槍和X槍。焊槍分隔原則為采購件,按照原始數(shù)據(jù)導入。坐標定位分為工具坐標與基架坐標,分別如圖1、圖2所示。顏色定義見表1。

▲圖1 工具坐標

▲圖2 基架坐標

表1 焊槍顏色定義

3 資源庫管理

數(shù)字化工廠的核心基礎是資源庫,無論是對現(xiàn)有傳統(tǒng)車間進行數(shù)字化改造,還是在線體規(guī)劃時就進行數(shù)字化工廠建設,對資源庫的管理都是一項龐雜而重要的工作。

資源庫內包含通用資源與專用資源。通用資源指線體規(guī)劃時導入的各類設備,焊裝車間中較為常見的通用資源包括夾具庫、機器人、通用伺服焊槍、運輸機構等。專用資源指特定車型的各類設備,較為常見的有新車專用夾具等。為有序管理,在制定標準時應將這兩類資源存放于標準庫(LIB_STD)及項目資源庫(ROOT)中。

資源存放從工廠層級開始,一直遞進至具體設備,如圖3所示。

▲圖3 資源存放層級

設置資源分類有利于明確資源的存放邏輯,在進行具體項目時,還可以為資源樹的節(jié)點設置提供參考。類別資源分類見表2。

表2 資源分類

資源庫管理包含的內容較多,比較重要的還有資源命名、工裝夾具單元劃分、根目錄設置等。焊裝資源繁多,主機廠應實時對資源庫進行迭代調整,并確保各自動線集成商嚴格執(zhí)行。

4 結構樹管理

導航樹如圖4所示,導航樹節(jié)點見表3。

▲圖4 導航樹

表3 導航樹節(jié)點

資源樹是在建立具體項目時在 Tecnomatix PD軟件中形成的,一般而言,按照工廠、線體、工位、設備的層級進行擺放。資源樹在布局中正確擺放,可以有效減少產(chǎn)品導入過程中的測試和安裝流程[7]。資源樹結構如圖5所示。

按照數(shù)字孿生結構建立操作樹,各供應商對工藝類型及簡稱進行命名,見表4,對制造特征類型進行命名,見表5,焊點數(shù)、焊縫長度、螺柱數(shù)、螺栓數(shù)可在工藝凍結后再寫入。

▲圖5 資源樹結構

表4 工藝類型

表5 制造特征

5 仿真標準

仿真標準指在Tecnomatix PS軟件中仿真時對模擬動作、干涉分析、節(jié)拍等各方面進行的規(guī)定。

仿真關鍵技術指標中,點定工位平均焊接時間不長于4 s/點,增打工位平均焊接時間不長于3 s/點,保證焊鉗電極與工件角度為90°±3°。仿真時設備安全距離要求見表6。

表6 設備安全距離要求

6 機器人仿真要求

機器人仿真要求包括七個方面。

(1) 軌跡生成。仿真模塊基于驗證可達性的需要,在仿真數(shù)據(jù)的基礎上編輯、修改或添加大量過渡點,生成合格的離線軌跡路徑[8]。所有軌跡編程應盡可能保證軌跡運行的平順性,在狹小空間運行時應當合理設置機器人的運行速度,合理使用軌跡指令。特殊位置,如前往工作位、離開工作位、等待位等,應特別考慮設置最優(yōu)指令。

(2) 抓手抓取工件時對銷、離開定位銷,切換抓手、焊鉗等工具時對銷、離開定位銷,應采用直線指令,且程序語句設置速度不高于20%最快速度。

(3) 運動指令參數(shù)包含軌跡類型、加速度、速度、逼近度,無特殊要求時采用程序語句默認參數(shù)。

(4) 干涉區(qū)設定。離線編程時,應充分考慮機器人的干涉區(qū),并將干涉區(qū)添加至軌跡中,保證與現(xiàn)場運行一致。

(5) 軌跡干涉檢查。所有機器人必須通過軌跡干涉檢查,軌跡干涉檢查時需包含機器人運行邏輯、干涉區(qū)等。對機器人運動過程中所有可能出現(xiàn)的干涉設備,如機器人、所持工具、管線包、工件等都需要考慮。

(6) 預工作位設定。所有機器人設置預工作位,每個車型軌跡的預工作位保證與運動設備、工件無干涉。

(7) 負載要求。根據(jù)機器人負載分析報告,原則上要求機器人六個軸的負載率均不高于92%。高速運動的機器人,精度控制能力會因為末端負載的變化而出現(xiàn)波動[9]。

7 結束語

數(shù)字化工廠標準的建立不是一蹴而就的,特別是資源庫的迭代更新,需要花費大量精力。長安汽車工廠在歷時6 a的數(shù)字化工廠建設中,歷經(jīng)了多次迭代才趨于完善。在焊裝車間,工藝設計使用虛擬仿真技術,涉及復雜工裝設計與大批量機器人應用,技術復雜度高,因此建立完善的數(shù)字化工廠標準更為重要。筆者研究了數(shù)據(jù)準備與管理規(guī)劃、資源庫管理、結構樹管理、仿真標準、機器人仿真要求等汽車焊裝車間數(shù)字化工廠關鍵技術,更深層次的離線程序生成標準、工藝文件傳遞[10]、標準工藝庫等則需要更為深入的探索。