基于PDPS的設(shè)備工裝干涉驗(yàn)證及機(jī)器人路徑優(yōu)化*

陳 浩，王體金，劉 毅，唐靈聰，石 剛,2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引 言

隨著我國智能制造水平的快速發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化程度越來越高，產(chǎn)品的也更多樣化，對產(chǎn)品線要求具備柔性化，能夠?qū)τ诓煌臋C(jī)型能夠快速換型。同時(shí)企業(yè)為了降低生產(chǎn)線改造成本，自主改造對于各主機(jī)廠也在逐步加快，自主改造周期縮減。故在項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段采用PDPS 數(shù)字化工廠軟件對項(xiàng)目進(jìn)行虛擬仿真，借助虛擬仿真技術(shù)對于項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行提前干涉驗(yàn)證及機(jī)器人軌跡進(jìn)行優(yōu)化，以提前避免是否存在設(shè)計(jì)隱患，縮短項(xiàng)目規(guī)劃周期。筆者以某發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)線某工位為例，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行工藝規(guī)劃，分配工藝任務(wù)，待資源分配到位后，開展工藝流程驗(yàn)證、設(shè)備動(dòng)作及機(jī)器人軌跡進(jìn)行驗(yàn)證。其仿真結(jié)果為工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)工程師評估設(shè)計(jì)方案的可行性具有重要意義。

1 仿真工位模型建立

1.1 Process Designer中創(chuàng)建項(xiàng)目及資源節(jié)點(diǎn)

創(chuàng)建新項(xiàng)目、項(xiàng)目名稱與根目錄的命名，因不同的主機(jī)廠都有不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其子目錄資源文件夾結(jié)構(gòu)不同。文中引用某主機(jī)廠仿真標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所創(chuàng)建項(xiàng)目及子目錄名字，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)建項(xiàng)目 圖2 創(chuàng)建項(xiàng)目資源節(jié)點(diǎn)

創(chuàng)建項(xiàng)目資源節(jié)點(diǎn)，一般情況下包含Libraries(庫文件)、Product(產(chǎn)品文件)、Process(工藝資源文件)、Working Folder(工作文件夾)、StudyFolder(工位數(shù)據(jù)文件夾)等基本資源節(jié)點(diǎn)文件夾，如圖2所示。

1.2 資源數(shù)模的導(dǎo)入

本工位以某發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的凸輪軸承蓋工位為例，其包含ABB機(jī)器人(1臺)、設(shè)備進(jìn)、出料機(jī)動(dòng)摩擦輥道系統(tǒng)(1套)、抬起定位機(jī)構(gòu)(3套)、電動(dòng)打標(biāo)機(jī)(1套)、電動(dòng)擰緊軸(5套)、缸蓋罩分離裝置(1套)、剔料輥道系統(tǒng)(1套)等，工件數(shù)模及設(shè)備數(shù)模在導(dǎo)入之前也需要事先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將其轉(zhuǎn)化為帶有*.cojt殼文件的*.jt格式文件，再針對不同的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性定義，其導(dǎo)入后的工件資源也是以庫文件形式顯示，可以針對庫文件數(shù)據(jù)進(jìn)行展開，如圖3所示。

圖3 資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入

1.3 創(chuàng)建工藝文件及操作庫

創(chuàng)建工藝文件是PD/PS軟件仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，工藝文件分為數(shù)據(jù)資源和工藝操作，數(shù)據(jù)資源節(jié)點(diǎn)用以存放仿真產(chǎn)品數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)等資源信息，工藝操作節(jié)點(diǎn)可以存放工藝操作信息，包含操作順序及工藝順序。工藝資源一般按照“車間”→“線體”→“區(qū)域”→“工位”層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建完成數(shù)據(jù)資源和工藝操作，進(jìn)行更新同步操作。創(chuàng)建操作庫，并在操作標(biāo)準(zhǔn)庫資源節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建工藝操作，比如設(shè)備夾具打開與關(guān)閉等操作，如圖4所示。

圖4 資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入

1.4 資源分配到工位

在所創(chuàng)建的StudyFolder節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)資源、工藝操作文件和產(chǎn)品文件夾統(tǒng)一放置在StudyFolder資源文件中，如以上操作，PD軟件的仿真操作基本結(jié)束，如圖5所示。

圖5 資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入

2 仿真模型工藝操作

2.1 Process Simulate操作

在上述操作StudyFolder節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的工位通過“Open with Process Simulate”操作進(jìn)行工位加載，就可以直接加載PD工位數(shù)據(jù)，然后根據(jù)layout布局對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整及安裝，例如創(chuàng)建參考坐標(biāo)、逐步導(dǎo)入設(shè)備(帶地腳)、 并將其移動(dòng)到相應(yīng)的地腳安裝位置進(jìn)行布局、導(dǎo)入設(shè)備工裝(如：機(jī)器人雄克夾具)，然后將其移動(dòng)到相應(yīng)工裝上進(jìn)行安裝，如圖6所示。

圖6 設(shè)備工位數(shù)模

2.1.1 工具屬性及運(yùn)動(dòng)學(xué)定義

對于機(jī)器人首先需要?jiǎng)?chuàng)建機(jī)器人工具坐標(biāo)，將工具設(shè)置為可編輯狀態(tài)，在Object Tree中的Gripper圖標(biāo)出現(xiàn)紅色標(biāo)志，則表示已經(jīng)進(jìn)入編輯模式，創(chuàng)建Base frame基準(zhǔn)坐標(biāo)和TCP工作坐標(biāo)，然后選擇Tool Definition裝載機(jī)器人夾具。關(guān)于設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)需要了解現(xiàn)場工藝，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)關(guān)系，選擇其Base模塊，建立鏈接及相 關(guān)參數(shù)設(shè)定，重復(fù)以上操作直到所有模塊參數(shù)設(shè)定完成，例如工位設(shè)備擰緊槍機(jī)構(gòu)如圖7所示。

圖7 設(shè)備工位數(shù)模

2.1.2 創(chuàng)建機(jī)器人路徑操作

本工位機(jī)器人為抓取、搬運(yùn)和放置的作用， 其具體機(jī)器人工藝過程為機(jī)器人抓取輥道上的工件，放置到凸輪軸承蓋螺栓反松設(shè)備的夾具， 機(jī)器人抓取反松完的工件，進(jìn)行螺栓檢測，檢測螺栓是否存在遺漏，檢測完成后放置輥道舉升位。在PS虛擬仿真軟件中機(jī)器人工藝操作、操作路徑需要添加到路徑編輯器中。對于機(jī)器人而言，機(jī)器人夾爪手上分別創(chuàng)建Base坐標(biāo)和Tcp坐標(biāo)，機(jī)器人第六軸法蘭端面與夾爪進(jìn)行裝配也需要?jiǎng)?chuàng)建Tool 坐標(biāo)，在仿真軟件機(jī)器人屬性設(shè)置中就可以設(shè)置Mount Tool 進(jìn)行夾爪與機(jī)器人法蘭端面進(jìn)行裝配，機(jī)器人夾爪裝載完成后就可以設(shè)置機(jī)器人夾取與放置，機(jī)器人夾取與放置軌跡點(diǎn)，將其設(shè)置為Pick和Put點(diǎn)，機(jī)器人抓取位置如圖8所示。

圖8 機(jī)器人抓取位置

機(jī)器人軌跡是機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中所走的路徑，機(jī)器人路徑也是由機(jī)器人軌跡點(diǎn)所構(gòu)成。在仿真軟件中路徑編輯器Path Editor窗口中點(diǎn)選機(jī)器人焊接操作New Weld Operation，然后在“Operation”菜單欄下，點(diǎn)擊“Add Current Location”命令按鈕，添加機(jī)器人當(dāng)前位置作為示教點(diǎn)，同樣也可以點(diǎn)擊“Manipulate Lacation”手動(dòng)添加路徑點(diǎn)，增加初始位置點(diǎn)，可以在路徑編輯器Path Editor窗口中點(diǎn)選機(jī)器人Home點(diǎn)，然后在“Operation”菜單欄下，點(diǎn)擊“Add Current Location”命令按鈕，并將其重命名為Home位置點(diǎn)，對于軌跡點(diǎn)也可以進(jìn)行復(fù)制，當(dāng)然機(jī)器人路徑點(diǎn)示教可不是只是簡單的復(fù)制粘貼，需要觀察機(jī)器人的姿態(tài)、周邊相關(guān)設(shè)備等，避免發(fā)生干涉現(xiàn)象，依照上述操作，為機(jī)器人添加路徑點(diǎn)，路徑點(diǎn)的添加要包含以下幾個(gè)原則：精確性、可行性、高效性，按上述步驟，創(chuàng)建機(jī)器人軌跡點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 機(jī)器人軌跡點(diǎn)

2.1.3 創(chuàng)建仿真時(shí)序

在PDPS仿真軟件，生產(chǎn)線或工位的規(guī)劃一般都是基于時(shí)序驅(qū)動(dòng)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)仿真，在軟件左側(cè)Operation Tree窗口中仿真時(shí)序節(jié)點(diǎn)，仿真時(shí)序節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)獨(dú)立操作、也可以是機(jī)器人整個(gè)路徑、也可以是一個(gè)完整的工位。本仿真時(shí)序是一個(gè)完整的工位，選中仿真操作節(jié)點(diǎn)，在菜單欄選擇“Set Current Operation”命令，就可以看到工藝操作節(jié)點(diǎn)時(shí)序甘特圖，可以直觀的看到長短不一的線條，反應(yīng)每個(gè)獨(dú)立的設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間，其中指向箭頭表示工藝操作中設(shè)備運(yùn)行的先后順序關(guān)系，其中對于設(shè)備運(yùn)行的相應(yīng)關(guān)系需要調(diào)整，可以在時(shí)序甘特圖中針對此操作進(jìn)行Unlink解除，再根據(jù)正確的順序進(jìn)行Link連接，同樣也可以設(shè)備運(yùn)行順序在甘特圖中同步進(jìn)行，重復(fù)以上操作直至所有的設(shè)備運(yùn)行順序調(diào)整完成，如圖10所示。

圖10 時(shí)序甘特圖

3 工位模型仿真分析

3.1 創(chuàng)建碰撞檢測操作

碰撞檢測設(shè)置對于虛擬仿真是必不可缺的重要步驟，通過在設(shè)備或機(jī)器人在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中自動(dòng)檢測是否發(fā)生干涉現(xiàn)象，就可以提前規(guī)避方案設(shè)計(jì)階段發(fā)生的缺陷問題，達(dá)到提前預(yù)知設(shè)計(jì)方案的風(fēng)險(xiǎn)，從而提升設(shè)計(jì)效率。

在PS仿真軟件中，碰撞檢測功能在軟件窗口“Collision Viewer”中進(jìn)行設(shè)置，若在界面未顯示界面窗口，可以在“Viewers”界面下拉菜單中選中“Collision Viewer”則界面就可以顯示，其功能主要有三個(gè)功能區(qū)域，左側(cè)功能區(qū)域?yàn)閯?chuàng)建設(shè)定干涉集合；中間功能區(qū)域顯示為碰撞檢測結(jié)果，發(fā)生主碰撞顯示顏色為紅色，被動(dòng)碰撞為藍(lán)色；右側(cè)功能區(qū)域顯示為碰撞曲線，是由碰撞對象命名。在干涉檢查之前需要?jiǎng)?chuàng)建碰撞集合，在窗口“Collision Set Editor”中添加檢測主對象和可能發(fā)生碰撞的對象，如圖11所示。

圖11 碰撞檢測設(shè)置 圖12 輥道干涉檢查

3.2 工位模型仿真

碰撞干涉檢查按以上操作重復(fù)設(shè)置完成后，就可以運(yùn)行工藝操作路徑，將所創(chuàng)建的工藝操作“Set Current Operation”，在“Sequence Editor”界面點(diǎn)擊“Plays Simulation Forward”按鈕，本工位工藝仿真就按照所創(chuàng)建完的時(shí)序路徑進(jìn)行模擬，設(shè)備運(yùn)行期間所發(fā)生的干涉現(xiàn)象在碰撞界面上以紅色顯示，同時(shí)也可以設(shè)置檢測到干涉區(qū)停止仿真，更加方便直觀看到方案設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。例如本工位通過仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)主要存在以下干涉點(diǎn)。

(1) 本工位輥道舉升位頂升過程中工件零點(diǎn)定位銷與傳感器裝置發(fā)生干涉，需要對檢測裝置布局調(diào)整或進(jìn)行方案優(yōu)化，如圖 12所示。

(2) 機(jī)器人抓取工件螺栓反松后的工件進(jìn)行螺栓檢測，凸輪軸承蓋螺栓與檢測裝置存在干涉現(xiàn)象，需要對螺栓孔檢測裝置進(jìn)行調(diào)整，如圖13所示。

圖13 螺栓檢測裝置 圖14 擰緊槍螺栓拆卸裝置

(3) 螺栓拆卸工裝中擰緊槍拆卸凸輪軸承蓋螺栓時(shí)，擰緊槍與工件發(fā)生干涉現(xiàn)象，同樣需要擰緊槍裝置進(jìn)行調(diào)整，如圖14所示。

3.3 機(jī)器人仿真路徑優(yōu)化

機(jī)器人路徑進(jìn)行仿真對于設(shè)備現(xiàn)場安裝、調(diào)試起到非常重要的作用，優(yōu)化機(jī)器人軌跡能夠減少機(jī)器人軌跡的運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人節(jié)拍的優(yōu)化，機(jī)器人路徑在規(guī)劃階段就需要考慮機(jī)器人在起始點(diǎn)運(yùn)行過程中就要避開障礙物，從而能夠獲得在空間中最優(yōu)的路徑。在PS仿真軟件中，可以先增加機(jī)器人抓取點(diǎn)及主要的機(jī)器人點(diǎn)位，在路徑規(guī)劃器中點(diǎn)擊“Automatic Path Planner”,就可以根據(jù)創(chuàng)建的機(jī)器人點(diǎn)位自動(dòng)增加過渡點(diǎn)，然而自動(dòng)創(chuàng)建的過渡點(diǎn)存在過多的現(xiàn)象，可以在運(yùn)行過程中進(jìn)行刪除。對于不同機(jī)器人路徑操作，機(jī)器人Home點(diǎn)可以重復(fù)運(yùn)用，這樣可以保證機(jī)器人不同的路徑能夠返回所創(chuàng)建的Home點(diǎn)位，重復(fù)以上操作直至所有路徑創(chuàng)建完成，如圖15所示。

圖15 機(jī)器人軌跡優(yōu)化

4 結(jié) 語

文中系統(tǒng)的完成了發(fā)動(dòng)機(jī)某工位的工藝仿真，從而使工藝流程和機(jī)器人路徑規(guī)劃更加清晰、明確，同時(shí)運(yùn)用PDPS軟件對工藝規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，從而解決了設(shè)計(jì)階段存在的弊端，降低現(xiàn)場發(fā)生的問題頻率，使虛擬仿真與現(xiàn)場更貼近。

隨著數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到各行各業(yè)，PDPS仿真實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員與仿真人員同步進(jìn)行，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，為實(shí)體行業(yè)創(chuàng)造無限可能。