基于Tecnomatix的白車身連續(xù)性制造特征仿真技術(shù)應(yīng)用

李愛(ài)冉 成正勇

（重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院智能制造與工業(yè)安全系，重慶 404020）

1 前言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)周期、產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本提出了更高要求，加之用工成本逐漸提升，工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)制造中開始大規(guī)模應(yīng)用。在汽車白車身制造過(guò)程中，部分企業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化應(yīng)用程度更是高達(dá)100%，以往主要依靠生產(chǎn)前的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試已不能滿足全面的機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)要求[1]，而機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程仿真可以在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中模擬整個(gè)白車身生產(chǎn)制造過(guò)程，大大縮短生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間并提高生產(chǎn)質(zhì)量。

本文運(yùn)用Tecnomatix PS仿真軟件中的連續(xù)性制造特征和機(jī)器人等模塊，以頂蓋涂膠工位、頂蓋弧焊工位和左前車門滾邊工位為例，分析了白車身制造過(guò)程中的連續(xù)性制造特征仿真的一般流程和技術(shù)方法。

2 Tecnomatix介紹

Tecnomatix是一套大型數(shù)字化制造軟件的合稱，如圖1所示，包含ProcessDesigner(PD)、Process-Simulate(PS)、RobotExpert、PlantSimulation、Factory-CAD、FactoryFlow和Intosite 7個(gè)軟件模塊，其中Tecnomatix PS被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造過(guò)程的三維設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證[2]。應(yīng)用Tecnomatix PS的連續(xù)性制造特征（Continuous）和機(jī)器人（Robotics）功能可以完成白車身制造過(guò)程中涂膠、電弧焊和滾邊的創(chuàng)建、處理與仿真，大大提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

圖1 Tecnomatix軟件

3 連續(xù)性制造特征仿真

3.1 制造特征處理

制造特征處理包括2部分內(nèi)容，一部分是在Tecnomatix PS軟件外部處理，一部分是在Tecnomatix PS軟件內(nèi)部處理。

Tecnomatix PS軟件外部處理首先是在CATIA、UG等三維CAD產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件中沿產(chǎn)品的連續(xù)性制造位置繪制出路徑曲線。如圖2a所示，黑色線條為在CATIA中繪制的頂蓋外板涂膠路徑曲線。如圖2b所示，黑色線條為在CATIA中繪制的頂蓋弧焊路徑曲線。如圖2c所示，黑色線條為在CATIA中繪制的左前車門滾邊路徑曲線。其次是路徑曲線提取。在三維CAD產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件中對(duì)上述繪制的路徑曲線與產(chǎn)品分離保存。為了便于機(jī)器人工作分配和特征投影，提取保存時(shí)，不連續(xù)的分段路徑曲線要每一段單獨(dú)保存。最后應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具，將提取保存的路徑曲線文件轉(zhuǎn)換成Tecnomatix PS軟件支持的cojt數(shù)據(jù)格式，并存放在sysroot目錄下的制造特征文件夾。

圖2 連續(xù)性制造特征路徑曲線繪制

Tecnomatix PS軟件內(nèi)部處理首先是在軟件里的制造特征庫(kù)中創(chuàng)建對(duì)應(yīng)數(shù)量的連續(xù)性制造特征，并在制造特征屬性3D文件路徑中關(guān)聯(lián)sysroot目錄下的cojt格式路徑曲線文件，圖3a為完成創(chuàng)建后的部分涂膠特征。其次，把連續(xù)性制造特征關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的連續(xù)性生產(chǎn)操作上，如圖3b所示，并加載到仿真環(huán)境中。最后在仿真環(huán)境中對(duì)路徑曲線進(jìn)行投影。所謂投影即是利用路徑曲線生成一系列坐標(biāo)點(diǎn)，用這些坐標(biāo)點(diǎn)逼近加工路徑。

圖3 連續(xù)性制造特征創(chuàng)建與關(guān)聯(lián)

在投影過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置投影參數(shù)可以控制投影點(diǎn)的生成方式及質(zhì)量。方式1為利用分隔長(zhǎng)度和公差控制投影點(diǎn)的生成，生成的投影點(diǎn)兩點(diǎn)之間的間距和公差不超過(guò)設(shè)置的最大值，如圖4a所示。方式2為等距生成，生成的投影點(diǎn)兩點(diǎn)之間的間距相等，近似等于設(shè)置值，并且可以設(shè)置開始和結(jié)尾不投影的偏置距離，如圖4b所示。

圖4 投影點(diǎn)生產(chǎn)方式

頂蓋涂膠與車門滾邊的路徑曲線投影應(yīng)用一般投影功能（Project Continuous Mfgs），投影點(diǎn)的生成方式選擇方式1，設(shè)置要投影到的零件和面，設(shè)置最大分隔長(zhǎng)度為10 mm，公差為1 mm，并且選擇優(yōu)化點(diǎn)的創(chuàng)建，設(shè)置最小線性長(zhǎng)度5 mm，如圖5所示。投影完成后的頂蓋涂膠投影點(diǎn)軌跡和車門滾邊投影點(diǎn)軌跡如圖6所示，直線路徑只生成開始和結(jié)尾2個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)坐標(biāo)Z軸為投影面的法向，X軸為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向，遵循右手系原則。

圖5 頂蓋涂膠與車門滾邊投影參數(shù)設(shè)置

圖6 投影點(diǎn)軌跡生成

弧焊投影要應(yīng)用弧焊投影功能（Project Arc Seam），與一般投影功能類似，通過(guò)選擇焊接面，設(shè)置對(duì)應(yīng)的投影參數(shù)，可以控制投影點(diǎn)的生成，其中投影參數(shù)除了可以設(shè)置一般投影功能中的參數(shù)外，還可以設(shè)置焊接角度和焊縫偏移參數(shù)。這里為頂蓋弧焊每段分別設(shè)置焊接面，焊接角度和焊縫偏移保持系統(tǒng)默認(rèn)值，即行走角為0°，工作角為0°（焊槍軸線與焊件表面夾角45°）[3]，焊槍旋轉(zhuǎn)為0°，偏移為0 mm，如圖7a所示。其它參數(shù)與前面投影一致，生成后的弧焊投影點(diǎn)軌跡如圖7b所示，各點(diǎn)Z軸為兩焊接面夾角平分線方向，X軸為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向，遵循右手系原則。

圖7 弧焊投影

3.2 工具坐標(biāo)定義

工具是指涂膠槍、弧焊槍和滾邊頭，工具坐標(biāo)定義主要是定義工具的工具中心點(diǎn)（Tool Center Point，TCP）坐標(biāo)和安裝坐標(biāo)。

頂蓋涂膠采用膠槍固定、機(jī)器人抓取頂蓋涂膠的方式，分別涂結(jié)構(gòu)膠和減振膠2種膠型，所以膠槍采用的是1個(gè)支架、2個(gè)槍頭的固定式膠槍。膠槍不安裝在機(jī)器人上，只需要定義TCP坐標(biāo)，如圖8a所示，TCP坐標(biāo)定義在槍嘴處，距離槍嘴的距離等于槍嘴與涂膠面的距離，Z軸由槍頭指向外部，X軸與進(jìn)給方向一致。

圖8 工具定義

弧焊槍的定義與涂膠槍的定義基本一樣。由于頂蓋弧焊槍是安裝在機(jī)器人六軸上，除了定義TCP坐標(biāo)外，還要定義安裝坐標(biāo)。TCP坐標(biāo)定義在焊絲端部，Z軸由槍頭指向外部，X軸與進(jìn)給方向一致。安裝坐標(biāo)定義要參照機(jī)器人六軸上的工具安裝坐標(biāo)，保證弧焊槍能以正確的姿態(tài)安裝到機(jī)器人上。完成TCP坐標(biāo)和安裝坐標(biāo)定義后的頂蓋弧焊槍如圖8b所示。

現(xiàn)在車門包邊廣泛采用機(jī)器人自動(dòng)化滾邊的方式，滾頭是其中1個(gè)重要部件，滾頭安裝在機(jī)器人六軸上，由滾頭的滾動(dòng)和壓力實(shí)現(xiàn)車門包邊[4]。左前車門滾邊采用3道滾邊工序，第1道滾60°，第2道滾30°，第3道滾0°，為了提高效率，其中60°和30°由雙輪一次成型。滾頭需要定義滾輪的TCP坐標(biāo)和滾頭的安裝坐標(biāo)，如圖8c所示，TCP坐標(biāo)定義在滾輪輪面上1/2處，Z軸指向壓緊的方向，Y軸沿輪面由內(nèi)指向外。安裝坐標(biāo)的定義要參照機(jī)器人六軸上的工具安裝坐標(biāo)，保證滾頭的姿態(tài)安裝正確。

3.3 機(jī)器人仿真

資源設(shè)備布局完成后，利用軟件Mount Tool工具安裝功能將工具安裝到機(jī)器人六軸上，如圖9所示，Mounted Tool處選擇被安裝的工具和工具的安裝坐標(biāo)，Mounting Tool處選擇機(jī)器人和機(jī)器人六軸的安裝坐標(biāo)。仿真原理即是利用工具TCP坐標(biāo)與路徑曲線的投影點(diǎn)軌跡坐標(biāo)重合模擬制造過(guò)程。仿真時(shí)，先對(duì)需要驗(yàn)證干涉的物體設(shè)置干涉檢查條件，系統(tǒng)不僅可以檢查碰撞干涉，還能夠?qū)﹂g隙和接觸進(jìn)行檢查，并以紅、黃、橙3種不同的顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)。一般通常設(shè)置的干涉檢查條件包括產(chǎn)品與工具及周邊設(shè)備、工具與夾具及周邊設(shè)備、機(jī)器人間及機(jī)器人與周邊設(shè)備的干涉檢查。如圖10所示，為定義的頂蓋與弧焊槍、機(jī)器人、夾具的干涉檢查條件。

圖9 機(jī)器人工具安裝

圖10 干涉條件定義

在操作的屬性中定義完成此操作的機(jī)器人和工具，由于頂蓋涂膠采用的是固定涂膠槍，要選擇External TCP外部TCP選項(xiàng)。應(yīng)用Location manipulation功能，通過(guò)選擇單個(gè)點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)仿真。仿真過(guò)程中主要通過(guò)調(diào)整投影點(diǎn)沿3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整機(jī)器人工作姿態(tài)，使得工作過(guò)程中不發(fā)生干涉且工作姿態(tài)最佳。投影點(diǎn)位置代表著制造特征位置，一般不作移動(dòng)。如果Z軸正向投影不滿足要求，系統(tǒng)支持沿Z軸翻轉(zhuǎn)坐標(biāo)。滾邊仿真時(shí)，調(diào)整投影點(diǎn)Z軸旋轉(zhuǎn)角度，可以調(diào)整進(jìn)給方向，一般限制在3°以內(nèi)，調(diào)整X軸旋轉(zhuǎn)角度可以調(diào)整滾邊角度，調(diào)整投影點(diǎn)Y軸旋轉(zhuǎn)角度可以調(diào)整滾頭傾斜角度。左前車門滾邊是采用60°-30°-0°滾邊工序，并且60°-30°是雙輪一次成型，因此還需要復(fù)制一遍投影點(diǎn)軌跡，并將所有點(diǎn)沿X軸旋轉(zhuǎn)60°，生成60°-30°的滾邊軌跡。涂膠仿真時(shí)，調(diào)整投影點(diǎn)Z軸旋轉(zhuǎn)角度，可以調(diào)整涂膠進(jìn)給方向和姿態(tài)，調(diào)整投影點(diǎn)X、Y軸旋轉(zhuǎn)角度可以調(diào)整涂膠槍傾斜角度，從而保證涂膠姿態(tài)合理同時(shí)避免干涉。弧焊仿真時(shí)，調(diào)整投影點(diǎn)Z軸旋轉(zhuǎn)角度，可以調(diào)整弧焊進(jìn)給方向和姿態(tài)，調(diào)整X軸選裝角度，可以調(diào)整工作角度，調(diào)整Y軸旋轉(zhuǎn)角度，可以調(diào)整焊槍傾角。如圖11所示，為頂蓋涂膠、弧焊和車門滾邊的仿真過(guò)程。此外操作順序不一定滿足工藝、節(jié)拍要求，需要結(jié)合工藝要求、機(jī)器人間的配合、工作姿態(tài)多個(gè)因素進(jìn)行調(diào)整。機(jī)器人的路徑仿真包括特征投影點(diǎn)軌跡路徑和過(guò)程路徑，因此特征的投影點(diǎn)仿真完成之后，還要定義機(jī)器人進(jìn)入、退出和切換操作的過(guò)程點(diǎn)。優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)路徑是機(jī)器人工作過(guò)程不產(chǎn)生干涉、運(yùn)動(dòng)路徑短、姿態(tài)良好且切換過(guò)程平穩(wěn)，2個(gè)路徑點(diǎn)之間不產(chǎn)生奇異點(diǎn)及路徑點(diǎn)盡量少。PS軟件中創(chuàng)建路徑非常方便，用Robot Jog工具直接手動(dòng)拖動(dòng)或沿坐標(biāo)軸精確移動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)器人TCP到所需創(chuàng)建路徑點(diǎn)位置，然后在路徑規(guī)劃菜單（Path）中完成對(duì)路徑點(diǎn)的添加、刪除操作和分析。通過(guò)仿真，在虛擬環(huán)境中完成車間布局和工裝設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證以及最優(yōu)工作姿態(tài)和工作路徑調(diào)整。

圖11 機(jī)器人仿真

4 離線程序應(yīng)用

仿真完成后，可以導(dǎo)出離線程序應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。輸出離線程序需要用到虛擬機(jī)器人控制器系統(tǒng)RCS，RCS的類型、版本必須與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際機(jī)器人控制器的品牌、型號(hào)和版本對(duì)應(yīng)。設(shè)置好輸出參數(shù)，即可直接導(dǎo)出離線程序，再將導(dǎo)出的離線程序?qū)氲杰囬g現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人控制器。由于安裝誤差原因，現(xiàn)場(chǎng)仍需要對(duì)導(dǎo)入的離線程序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化調(diào)試后，涂膠、弧焊和滾邊的加工效果滿足生產(chǎn)要求，減少了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人調(diào)試時(shí)間30%～40%，大大提高了調(diào)試效率，降低了調(diào)試成本。離線編程成為代替示教編程機(jī)器人的主要編程方式。

5 結(jié)論

在汽車白車身現(xiàn)場(chǎng)試生產(chǎn)之前，應(yīng)用Tecnomatix PS軟件對(duì)白車身的機(jī)器人涂膠、機(jī)器人弧焊和機(jī)器人滾邊進(jìn)行建模與仿真，提前對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，應(yīng)用Tecnomatix PS對(duì)機(jī)器人涂膠、機(jī)器人弧焊和機(jī)器人滾邊進(jìn)行仿真并將離線程序應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)具有實(shí)用性，可以有效減少現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，提高開發(fā)質(zhì)量與效率。此方法不僅可以完成涂膠、弧焊和滾邊仿真，還可以拓展應(yīng)用到機(jī)器人激光焊接、機(jī)器人噴涂等其它自動(dòng)化生產(chǎn)中。