基于虛擬仿真技術(shù)的懸膜中空玻璃裝配生產(chǎn)線設(shè)計＊

李乃崢 孫江宏② 何雪萍 何宇凡 高 鋒

（①北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192；②清華大學(xué)機械電子工程研究所，北京 100084）

隨著制造業(yè)技術(shù)逐漸完善，懸膜中空玻璃在眾多發(fā)達國家中覆蓋率已超過85%。2018年國內(nèi)上線四玻三腔中空玻璃生產(chǎn)線，對玻璃懸窗深加工行業(yè)的發(fā)展起到推進作用。但對于生產(chǎn)線的布局規(guī)劃及其中關(guān)鍵部件設(shè)計缺乏成熟方案，進而使懸膜中空玻璃整體生產(chǎn)效率較低。生產(chǎn)線虛擬仿真技術(shù)可對生產(chǎn)線進行建模仿真，模擬機器人工作空間及機械手動作，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備干涉以及其他工藝規(guī)劃不合理等問題，并及時進行布局調(diào)整[1]。

應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)已成為機器人生產(chǎn)線組建的趨勢[2-4]。在生產(chǎn)線仿真方面，王猛等人利用Visual Components應(yīng)用在新建自動化制造車間的設(shè)計中，對多種布局方案進行直觀分析評價，效果顯著[5]。Laemmle A等減少了三維仿真環(huán)境下的布局自動生成所需時間，實現(xiàn)自動布局生成[6]。Kousi N等人引入了能夠在動態(tài)變化的環(huán)境中與人類協(xié)作的移動機械臂，確保可分配最優(yōu)資源并自動生成無沖突路徑，以此獲得車間實時狀態(tài)的有效重構(gòu)方案[7]。Papakostas N等對生產(chǎn)線仿真進行集成處理，可減少最終確定布局和生產(chǎn)線設(shè)計所需的總時間[8]。 Shan D R等提出搬運機器人同步運動算法，提高了自動壓力機生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍[9]。

本文以雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)核心組件薄膜的繃緊、焊接過程以及多機械臂協(xié)作生產(chǎn)線為研究對象，基于Visual Components虛擬仿真軟件模擬薄膜繃緊及焊接生產(chǎn)過程，通過對六軸機器人末端機械手設(shè)計、繃膜焊接工藝研究、生產(chǎn)線總體布局及生產(chǎn)線節(jié)拍計算等，動態(tài)仿真出生產(chǎn)線工作流程，為懸膜中空玻璃生產(chǎn)線規(guī)劃、多機器人協(xié)作生產(chǎn)提供了理論依據(jù)，對實體生產(chǎn)線升級改造具有指導(dǎo)意義。

1 基于虛擬仿真技術(shù)的生產(chǎn)線設(shè)計流程

基于虛擬仿真技術(shù)的懸窗生產(chǎn)線設(shè)計如下：

（1）根據(jù)預(yù)期性能和相關(guān)技術(shù)參數(shù)等要求，進行生產(chǎn)線的研究與方案設(shè)計，包括關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)線布局規(guī)劃和生產(chǎn)線工作流程規(guī)劃等[10]。

（2）利用SolidWorks三維建模軟件對機械手等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)建模，進一步將模型導(dǎo)入Visual Components之中。

（3）根據(jù)負載系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等要求對工業(yè)機械臂進行選型。

（4）根據(jù)各設(shè)備的配合關(guān)系及空間姿態(tài)，對設(shè)備模型進行運動規(guī)劃，調(diào)整各執(zhí)行機構(gòu)的運動速度，使其生產(chǎn)節(jié)拍滿足設(shè)計要求。

（5）根據(jù)規(guī)劃布局對生產(chǎn)線進行仿真并記錄仿真結(jié)果。

（6）檢測機械臂之間是否存在碰撞、干涉等情況。分析仿真結(jié)果，調(diào)整布局方案，得出最優(yōu)設(shè)計。具體設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 懸窗生產(chǎn)線設(shè)計流程

2 懸膜中空玻璃生產(chǎn)線設(shè)計

2.1 總體生產(chǎn)線布局

懸膜中空玻璃生產(chǎn)線總體布局包括以下部分：

（1）六軸機器人，分布于5個不同工位，通過相互之間的協(xié)作完成懸窗裝配。

（2）上框設(shè)備，需要與上框機器人相配合，采用皮帶傳送帶輸送傳送繃膜框，在傳送帶上設(shè)計繃膜框定位、輸送導(dǎo)向和檢測及停止裝置，可以使繃膜框準(zhǔn)確傳輸至上框位置。

（3）控制系統(tǒng)，以控制柜形式置于圍欄之外，便于操作人員隨時調(diào)整生產(chǎn)線。

（4）裁膜設(shè)備，與夾膜機器人配合，將PET薄膜裁剪成指定尺寸。

（5）下料設(shè)備，將加工完的繃膜框通過傳送帶輸送出加工區(qū)域。

（6）檢測平臺，在繃膜焊接完成后，檢測薄膜平整度。

（7）防護圍欄，其尺寸需根據(jù)生產(chǎn)車間規(guī)范制定，其高度不低于設(shè)備高度。在無人通過的情況下，圍欄與設(shè)備間距最小5 m，有人通過則間距最小8 m。具體效果圖如圖2所示。

圖2 懸膜中空玻璃生產(chǎn)線總體布局

2.2 機器人布局及工作流程

整條生產(chǎn)線之中最為核心的部分是各機器人的布局與配合。機器人共分為5個工位，其具體布局及運動軌跡如圖3所示。①為夾膜機器人。②為上框機器人。③為換位機器人。④⑤為左右側(cè)焊接機器人。圖中虛線為機器人動作軌跡。①號機器人在薄膜放置點夾取薄膜，運動至入位處。②號機器人在繃膜框存放點夾取繃膜框，運動至入位處，薄膜與繃膜框入位、繃膜和完成上下側(cè)薄膜焊接固定。上下側(cè)焊接完成后，夾膜機器人①的鋼框打開，向上移動一段距避開繃膜框，上框機器人②帶動繃膜框移動至換位處。換位機器人③夾取繃膜框?qū)⑵渌椭磷笥覀?cè)焊接工位，④⑤號機器人至繃膜框位置夾緊繃膜框完成左右側(cè)焊接。兩側(cè)焊接完成后，換位機器人抓取繃膜框?qū)⑵渌椭料乱还の弧?/p>

圖3 機器人布局及運動軌跡示意

2.3 機器人選型

機器人帶動機械手入位，因此其所選型號需根據(jù)機械手參數(shù)確定?？嚹ず附訖C械手用于完成雙懸膜中空玻璃加工核心工藝，是生產(chǎn)線裝配過程中的核心部件，參考指標(biāo)包括長度、寬度和質(zhì)量等數(shù)據(jù)。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括底座、線性模組移動裝置、斜坡板、磁耦合無桿氣缸、鋼框、氣囊、焊接系統(tǒng)以及移動裝置。

圖4 繃膜焊接機械手結(jié)構(gòu)

繃膜機械手重128.75 kg，寬720 mm，長2 176 mm。因此，本文選擇安川GP-180機器人，其最大負載為180 kg，工作空間垂直可達范圍為3 393 mm，水平可達范圍為2 702 mm，以圖5所示方式與機械手連接。經(jīng)過負載核算，符合裝配要求。負載核算過程如圖6所示。

圖5 繃膜焊接機械手裝配示意圖

圖6 負載核算

各機器人裝配流程包括：取膜-入位-繃緊-夾框-焊接-松開薄膜-繃膜框換位-左右側(cè)繃膜、焊接。通過設(shè)置六軸機器人S、L、U、R、B、T關(guān)節(jié)及機械手各運動關(guān)節(jié)Jx（x表示不同關(guān)節(jié)位置）實現(xiàn)各個機械臂與機械手的入位、換位、繃膜、焊接及松開等動作，如圖7所示。通過信號輸入輸出的變化實現(xiàn)抓取、釋放等動作。當(dāng)輸出信號為0時，即Set OUT[a]=True時，機械手輸出抓取動作，當(dāng)Set OUT[a]=False時，機械手輸出釋放動作。其中a表示不同工位輸出的信號。

圖7 MOTOMAN-GP180示意圖

通過Visual Components軟件檢測機器人工作空間，如圖8所示。仿真情況說明，所設(shè)計仿真生產(chǎn)線能夠連續(xù)運行模擬生產(chǎn)。在整體運行過程中，機器人之間無碰撞干涉。

圖8 機器人工作空間示意圖

2.4 生產(chǎn)節(jié)拍計算

繃膜焊接工藝段共包括取膜（上側(cè)焊接）、上框（下側(cè)焊接）、換位、左側(cè)焊接和右側(cè)焊接5個工位。根據(jù)工藝流程將各工位作業(yè)內(nèi)容按各個工序劃分為作業(yè)單元，共包括30個作業(yè)單元。再根據(jù)系統(tǒng)中設(shè)定好的動作時間計算各個運動部件和機器人的作業(yè)時間，得出裝配作業(yè)時間表，如表1所示[11]。生產(chǎn)線平衡對企業(yè)生產(chǎn)秩序的正常運作起著重要的作用[12]。對于一條合格的生產(chǎn)線來說，其生產(chǎn)線平衡率一般要求達到 70%以上[13-14]。

表1 作業(yè)時間表[11]

由作業(yè)時間表可計算裝配線平衡率

由式(1)可知，裝配線平衡率為85%，滿足生產(chǎn)要求。式中：Ti為第i工 作單元作業(yè)時間；C為各工位操作總時間的最大值；N為總工位數(shù)。

3 結(jié)語

本文利用虛擬仿真軟件完成了雙懸膜中空玻璃生產(chǎn)線建模、繃膜焊接機器手設(shè)計、生產(chǎn)線布局、軌跡規(guī)劃及生產(chǎn)節(jié)拍計算，將機器人與專用機械手之間的接口進行連接，實現(xiàn)設(shè)備之間信號傳遞。最大程度仿真出雙懸膜中空玻璃的自動化生產(chǎn)情況。仿真結(jié)果表明：

（1）自主設(shè)計的繃膜焊接機械手可達到工藝要求。在裝配過程中其自身各部件之間不會發(fā)生干涉，與各工位機器人配合良好。

（2）該生產(chǎn)線可完成取膜、上框、入位、施加預(yù)張力繃緊、上下側(cè)焊接、換位和左右側(cè)焊接等一系列工序，實現(xiàn)了完全自動化雙懸膜中空玻璃裝配。

（3）該虛擬仿真的技術(shù)，可以以較低的成本模擬出整條生產(chǎn)線裝配工藝。在整體布局和生產(chǎn)節(jié)拍方面為其他產(chǎn)品自動化生產(chǎn)方案的優(yōu)化、升級改造提供了參考。