基于Process Simulate的焊裝前地板生產(chǎn)線工藝規(guī)劃與仿真驗(yàn)證

文／徐海搏，劉久月，吳政勛，董文彬，王亭力·一汽模具制造有限公司

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，在工廠的生產(chǎn)制造中，數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用十分普遍。使用數(shù)字化工廠技術(shù)可以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、線體生產(chǎn)制造等過程在虛擬的環(huán)境中完成，并對此進(jìn)行優(yōu)化。在焊裝生產(chǎn)線工藝模擬仿真中，西門子旗下的Process Simulate(以下簡稱“PS”)是比較常用的軟件之一，本文對于某國內(nèi)豪華自主品牌的前地板生產(chǎn)線工藝規(guī)劃與仿真驗(yàn)證就是基于這款軟件。

前地板工藝規(guī)劃

工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)生產(chǎn)線工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)基本上以單車型和雙車型為主。而本文的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)目標(biāo)是多種車型混線生產(chǎn)，可以保證同時(shí)生產(chǎn)A、B、C、D 四款車型?，F(xiàn)階段主要生產(chǎn)A 車型，A 車型又分為A1、A2 和A3 三款。A 車型前地板主要由兩大分總成構(gòu)成，第一分總成是前地板面板總成，第二分總成是由四根梁架搭接而成的井字梁總成。A1、A2 和A3 三款車型的區(qū)別在于面板上電池包的梁架不同，如圖1 所示。前地板總共44 個(gè)定位點(diǎn)焊，涂膠長度1760mm，其中1050工位16個(gè)定位點(diǎn)焊，1070工位28個(gè)定位點(diǎn)焊。因?yàn)檐囆洼^多，預(yù)留空間較大，所以增加了4 條行動(dòng)軸來搬運(yùn)產(chǎn)品。

A 車型前地板焊裝線的規(guī)劃布局如圖2 所示，工藝流程如下。

圖 1 三款車型結(jié)構(gòu)對比

圖2 前地板焊裝線的規(guī)劃布局

⑴1010 工位：人工上A 車型前地板面板總成。

⑵1015 工位：R1 機(jī)器人從1010 工位取件，涂膠后放入1060 轉(zhuǎn)臺(tái)。

⑶1030 工位：人工上A 車型井字梁總成。

⑷1045 工位：R2 機(jī)器人在1030 工位取件后放入1050 工位夾具。

⑸1050 工位：R3 ～R6 四臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行定位點(diǎn)焊，每臺(tái)機(jī)器人焊接4 個(gè)定位點(diǎn)。

⑹1055 工位：R7 機(jī)器人從1050 工位取件后放入1060 轉(zhuǎn)臺(tái)。

⑺1065 工位：1060 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°后，R8 機(jī)器人從1060 工位取件并放入1070 工位夾具。

⑻1070 工位：R9 ～R12 四臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行定位點(diǎn)焊，每臺(tái)機(jī)器人焊接7 個(gè)定位點(diǎn)。

⑼1075 工位：R13 機(jī)器人從1070 工位取件，打碼讀碼后放入1080 工位Buffer 上，Buffer 將前地板傳輸?shù)较乱还の痪€體中；又或者打碼結(jié)束后，機(jī)器人將前地板放入1080 的下料口。

B 車型在工藝上與A 車型有些許不同，工藝流程如下。

⑴1020 工位：人工上B 車型中通道。

⑵1015 工位：R1 機(jī)器人從1020 工位取件，涂膠后將面板放入1022 中轉(zhuǎn)臺(tái)。

⑶1040 工位：人工上B 車型前地板面板。

⑷1045 工位：R2 機(jī)器人從1040 工位第一次取件，再去1022 工位第二次取件，兩次取件結(jié)束后，將產(chǎn)品放入1050 工位夾具。

⑸1050 工位：R3 ～R6 四臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行定位點(diǎn)焊，每臺(tái)機(jī)器人焊接7 個(gè)定位點(diǎn)。

⑹1055 工位：R7 機(jī)器人從1050 工位取件并放入1060 工位的轉(zhuǎn)臺(tái)上。

然后1060 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，R8 機(jī)器人從1060 轉(zhuǎn)臺(tái)上取件，后續(xù)工藝和A 車型一致。C 和D 車型將在后續(xù)的改造項(xiàng)目中，陸續(xù)融入A 和B 車型中。

機(jī)器人選型

本項(xiàng)目采用ABB 品牌機(jī)器人，在滿足工藝的前提下，機(jī)器人各軸負(fù)載率需要控制在85%以下，以保證機(jī)器人可以正常使用。前地板工藝共需要5 臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人，8 臺(tái)焊接機(jī)器人，經(jīng)RobotLoad 計(jì)算后，選用了4 臺(tái)IRB7600_325_310 機(jī) 器 人，4 臺(tái)IRB6700_235_265機(jī)器人，5 臺(tái)IRB6700_245_300 機(jī)器人。

計(jì)算負(fù)載時(shí)，主要考慮三個(gè)因素：機(jī)器人管線包的質(zhì)量和慣性矩，快換盤的質(zhì)量和慣性矩，帶產(chǎn)品的抓具質(zhì)量和慣性矩。圖3 為R1 機(jī)器人抓取A1 產(chǎn)品的負(fù)載結(jié)果。

圖3 R1 機(jī)器人抓取A1 產(chǎn)品的負(fù)載結(jié)果

節(jié)拍計(jì)算

本項(xiàng)目計(jì)劃產(chǎn)能為年生產(chǎn)30 萬輛，年工作300天，每天2 班，每班工作時(shí)長8 小時(shí)，設(shè)備使用率88.5%。

有效工作時(shí)長：F=H×N×D×S，其中，F(xiàn) 為有效工作時(shí)間，H 為每班工作時(shí)長，N 為每天班數(shù)，D為每年工作天數(shù)，S 為設(shè)備使用率。代入以上數(shù)值后，得出F=8×2×300×88.5%×60×60=15292800s。在滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求的情況下，每輛車的生產(chǎn)節(jié)拍：P=F/Q，式中，P 為生產(chǎn)節(jié)拍，F(xiàn) 為有效工作時(shí)長，Q為產(chǎn)能。代入數(shù)值后，生產(chǎn)節(jié)拍為51s。

Process Simulate 應(yīng)用

焊槍選型與定義

⑴焊槍選型。

焊槍選型需要考慮諸多因素，主要為以下四點(diǎn)。

1)通過焊接點(diǎn)位置確定焊槍選擇C 型還是X 型焊槍。

2)通過焊點(diǎn)和夾具的位置關(guān)系，確定焊槍喉深和喉寬。

3)通過機(jī)器人焊接姿態(tài)，確定焊槍和機(jī)器人的連接方式。

4)和焊接廠家商討，焊槍的極臂是否能滿足焊接壓力。

本項(xiàng)目采用都銳(Duering)電伺服焊槍，因有A、B、C、D 四款車型混用，為滿足焊接壓力和焊接姿態(tài)，故而選用喉深800mm，喉寬420mm，最大焊接壓力4500N，最大開口角度16.5°的X 型焊槍，采用16mm×25mm 修磨量為12.5mm 的電極帽。焊鉗圖紙如圖4 所示。

圖4 焊鉗圖紙

⑵焊槍模型定義。

焊槍在CATIA 中建模完成后，需要將焊槍數(shù)據(jù)導(dǎo)入PS 中，并建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于后續(xù)的模擬仿真工作。

1)選中焊槍，在Modeling 模塊下選擇Set Modeling Scope 模塊。

2)在焊槍可編輯的情況下，選擇Kinematics Editor 模塊，建立6 個(gè)子集，2 個(gè)空子集和四連桿結(jié)構(gòu)的4 個(gè)子集，如圖5 所示。機(jī)器人調(diào)用空子集去控制焊槍開口狀態(tài)。焊槍四連桿結(jié)構(gòu)包括靜臂、動(dòng)臂、動(dòng)力輸入桿和聯(lián)動(dòng)桿。

圖5 焊槍機(jī)構(gòu)建立

我們需要將焊槍開口角度轉(zhuǎn)換成開口距離，這樣可以更為準(zhǔn)確的調(diào)整焊槍開口大小，以保證更為準(zhǔn)確的模擬現(xiàn)場情況。轉(zhuǎn)換公式：O=2×asin［D(zange)／(2×L)］，式中，O 為焊槍開口距離，D(zange)為靜臂和空集kdummy 的直線連接方式，L 為焊槍電極帽到回轉(zhuǎn)軸的距離。據(jù)此得到本焊槍錄入公式為：O=2×asin[D(zange)/(2×892)]。

焊槍的速度和加速度默認(rèn)即可?？占痥1、空集kdummy 和靜臂的連接需要設(shè)置極值，用來對修磨后的焊槍TCP 進(jìn)行補(bǔ)償，如圖6 所示。

建立焊槍的Home、TCP 和Base。Home 是焊槍工具坐標(biāo)，TCP 是焊槍修磨補(bǔ)償坐標(biāo)系，其中X 為進(jìn)槍方向，Y 為焊槍運(yùn)動(dòng)方向，Z 為垂直靜臂方向，Base為焊槍基準(zhǔn)坐標(biāo)系，如圖7 所示。

圖 6 焊槍極值設(shè)置

圖7 焊槍工具坐標(biāo)系

焊槍有HOME、SEMIOPEN、OPEN、CLOSE 四種姿態(tài)。HOME 是焊槍初始狀態(tài)，動(dòng)靜臂開口值均為0；SEMIOPEN 是靜臂開口值為0，動(dòng)臂開口值為30；OPEN 是靜臂開口值為0，動(dòng)臂開口值為最大，即258；CLOSE 是靜臂開口值為17，動(dòng)臂開口值為-24，如圖8 所示。

圖8 焊槍四種姿態(tài)

焊接路徑仿真

在PS 中，首先將焊點(diǎn)和產(chǎn)品關(guān)聯(lián)，選擇Process模塊下的Automatic Part Assignment 自動(dòng)關(guān)聯(lián)。需要注意的是，焊點(diǎn)關(guān)聯(lián)產(chǎn)品時(shí)不能關(guān)聯(lián)過多，以防產(chǎn)品投影后，焊點(diǎn)無法投影成功。接著將產(chǎn)品投影到工位器具上。選中產(chǎn)品，點(diǎn)擊Multiple Part Appearance，設(shè)置好投影的位置和關(guān)聯(lián)的操作后，產(chǎn)品和焊點(diǎn)投影成功。然后我們就需要制作焊接路徑，使用PS 中Operation 模塊下的Add Location 模塊即可完成。機(jī)器人軌跡制作需要注意以下幾點(diǎn)。

⑴軌跡中，機(jī)器人各軸需要預(yù)留10%的余量。

⑵機(jī)器人工作時(shí)，各軸姿態(tài)盡量保持一致、動(dòng)作連續(xù)、動(dòng)作變化小。

⑶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，焊槍和夾具最小距離應(yīng)該大于3mm。

⑷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡盡量避開干涉區(qū)。如果必須有，可以調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)順序，利用時(shí)間差，使機(jī)器人錯(cuò)位工作，節(jié)約工位節(jié)拍。

⑸機(jī)器人和周圍設(shè)備的距離大于100mm，周圍設(shè)備包括圍欄、周邊機(jī)器人、行動(dòng)軸、涂膠支架等設(shè)備。

⑹軌跡的初始位置應(yīng)避開其他機(jī)器人工作區(qū)間，不能和其他機(jī)器人有干涉區(qū)。

⑺軌跡結(jié)束時(shí)，機(jī)器人應(yīng)回到初始位置且各軸姿態(tài)均和初始姿態(tài)保持一致。

⑻機(jī)器人修磨時(shí)，修磨路徑不能和其他機(jī)器人有干涉區(qū)。

機(jī)器人干涉檢查

在前地板設(shè)計(jì)中，由于存在夾具設(shè)計(jì)不合理、抓具動(dòng)作順序不合理和焊接姿態(tài)不合理等問題，使得機(jī)器人與工件或夾具發(fā)生干涉。在PS 軟件中設(shè)置干涉檢查，在線調(diào)試后可以避免這些問題。主要使用到的模塊是Collision Viewer。每一個(gè)機(jī)器人需要設(shè)置三條約束，機(jī)器人和產(chǎn)品，機(jī)器人和夾具，機(jī)器人和周圍設(shè)備。其中，當(dāng)機(jī)器人和產(chǎn)品、夾具、周圍設(shè)備的距離分別小于3mm、5mm、100mm 時(shí)，機(jī)器人和產(chǎn)品、夾具、周圍設(shè)備均會(huì)變黃提醒；當(dāng)機(jī)器人和產(chǎn)品、夾具、周圍設(shè)備干涉時(shí)，機(jī)器人和產(chǎn)品、夾具、周圍設(shè)備均會(huì)變紅提醒。干涉約束設(shè)置如圖9 所示。

圖9 干涉約束設(shè)置

SOP 分析

SOP 的全稱是Sequence of Operations，用來定義焊裝自動(dòng)生產(chǎn)線體內(nèi)各個(gè)設(shè)備的工作順序。其中包含了工位內(nèi)所有的操作，比如氣缸的打開與夾緊、行動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)、涂膠工藝、焊接工藝等等。本項(xiàng)目SOP設(shè)置如圖10 所示，具體流程如下。

圖10 SOP 設(shè)置

⑴1015的R1機(jī)器人取件涂膠后放入1060轉(zhuǎn)臺(tái)上。

⑵1045 的R2 機(jī)器人取件放件后，1050 的R3 ～R6 四臺(tái)機(jī)器人同時(shí)焊接，焊接結(jié)束后，1055 的R7 機(jī)器人取件，放入1060 轉(zhuǎn)臺(tái)上。

⑶1060 轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180°后，1065 的R8 機(jī)器人從轉(zhuǎn)臺(tái)上取件并放入1070 夾具上。1070 的R9 ～R12四臺(tái)機(jī)器人同時(shí)焊接，焊接結(jié)束后，1075 的R13 機(jī)器人取件。

⑷1075 的R13 打碼、讀碼，放入Buffer 上；又或者1075 的R13 打碼讀碼后放入下料口。

控制器設(shè)置

為了使得仿真做出的路徑更為貼近實(shí)際，在PS中給每臺(tái)機(jī)器人安裝控制器。這樣模擬出來的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡和實(shí)際一樣，現(xiàn)場調(diào)試數(shù)據(jù)更為精確，可以減少現(xiàn)場機(jī)器人調(diào)試時(shí)間?？刂破餍枰O(shè)置的有：控制器版本、機(jī)器人型號(hào)、焊點(diǎn)信息、涂膠信息、工具車系等信息，控制器設(shè)置如圖11 所示。

圖11 控制器設(shè)置

控制器設(shè)置完成之后，還需要在路徑中添加電子信號(hào)。在路徑中找到OLP Commands，然后將相關(guān)的信號(hào)填寫進(jìn)去，填寫的語句包括機(jī)器人初始啟動(dòng)、檢查是否有工具、檢測到位點(diǎn)是否有工件等，設(shè)置如圖12 所示。

圖12 R1 機(jī)器人取件路徑信號(hào)設(shè)置

結(jié)束語

數(shù)字化工廠出現(xiàn)之前，焊裝線從規(guī)劃到設(shè)計(jì)再到現(xiàn)場安裝調(diào)試都是根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的，難免出現(xiàn)機(jī)器人和產(chǎn)品、機(jī)器人和夾具、機(jī)器人和周圍設(shè)備干涉的問題。在現(xiàn)場安裝調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)各種問題后需要及時(shí)整改，涉及到夾具結(jié)構(gòu)、制件擺放姿態(tài)、周邊設(shè)備布局等，從而導(dǎo)致整改周期長，成本增加。

本文通過PS 軟件，對某車型前地板的工藝方案進(jìn)行了充分的在線仿真驗(yàn)證，通過了機(jī)器人干涉檢查、夾具設(shè)計(jì)、焊槍選型、機(jī)器人選型、焊接路徑、抓放件路徑、電氣信號(hào)設(shè)置和工位內(nèi)各器具等的驗(yàn)證。為工藝方案、夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場安裝調(diào)試提供了充分的理論整改依據(jù)，做到提前發(fā)現(xiàn)問題，提前解決，規(guī)避了機(jī)器人和產(chǎn)品、機(jī)器人和夾具、機(jī)器人和周圍設(shè)備干涉問題。極大地減少了現(xiàn)場電氣信號(hào)調(diào)試人員和機(jī)器人調(diào)試人員的調(diào)試和整改時(shí)間，縮短了項(xiàng)目周期30%～40%的時(shí)間，具有十分重要的指導(dǎo)意義。