淺議機器人仿真的可達性和通過性

伍 佳，黃西利，陳 快

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著智能制造策略提出，車身焊裝線正在向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，機器人在車身焊裝線上得到廣泛應(yīng)用。車身焊裝線一般應(yīng)用6 自由度工業(yè)機器人，運動過程復(fù)雜、面臨周邊設(shè)備的約束多，無法通過經(jīng)驗來進行評判，需要專門的仿真軟件來進行機器人仿真。機器人仿真技術(shù)在布局驗證、工裝干涉檢查、工位聯(lián)動分析、節(jié)拍分析、離線程序?qū)氲拳h(huán)節(jié)都起著重大作用。目前常用的機器人仿真軟件包括RoboGuide、Delmia、RobCad、PD/PS 等，能夠?qū)崿F(xiàn)從單個工位到整條生產(chǎn)線的機器人仿真。

機器人仿真是工藝設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，焊裝線應(yīng)用的機器人數(shù)量和種類多，承擔的功能各不相同，仿真驗證內(nèi)容差別很大，仿真時容易顧此失彼、抓不住重點。一旦機器人仿真有遺漏，將面臨現(xiàn)場更改工作量大、更改周期長、甚至需要整個方案推倒重來的狀況，項目周期和成本難以控制。因此，提出機器人仿真的核心概念——可達性和通過性，可以迅速抓住仿真要點，并結(jié)合常用機器人功能，探討可達性和通過性驗證的具體應(yīng)用。

1 自動化工位構(gòu)成

一個自動化工位包含工裝、機器人、焊鉗、抓手、修磨器、其他外圍設(shè)備等，機器人是整個工位的核心，工位的布局規(guī)劃需要圍繞機器人進行。不同機器人的功能也不同，如搬運、裝件、焊接、涂膠等。在同一功能里，還可以根據(jù)具體工作形式繼續(xù)細分，例如抓件又分從對中臺抓件、從普通料框抓件、從夾具上抓件等。圖1 為一個補焊工位示意圖，包含2 臺搬運機器人和4 臺焊接機器人。

圖1 機器人工位示意

2 機器人的可達性和通過性

雖然不同機器人的仿真?zhèn)戎攸c不同，但是通過梳理，可以把大部分仿真工作歸納到兩種基本類型里，即可達性和通過性。

可達性，指的是機器人通過關(guān)節(jié)的協(xié)同工作，使末端工具點達到指定位置。不同機器人的可達范圍不同，一般可以在機器人資料中查看到可達范圍具體數(shù)值，也可以在仿真軟件里查看。需要注意的是，可達范圍只是初步評估。具體的還要結(jié)合機器人工具、工裝等進行判斷。為了確?？蛇_性，需要給機器人預(yù)留一定的行程余量，一般預(yù)留5% ～ 10%[1，2]。一方面可以避免現(xiàn)場安裝累積誤差導(dǎo)致超出機器人可達范圍，另一方面避免機器人運行時達到關(guān)節(jié)極限位置影響關(guān)節(jié)壽命。同時，進行可達性評估時，還要關(guān)注機器人4、6 軸的相對轉(zhuǎn)動，以避免機器人運行時管線包拉扯或纏繞。

通過性，指的是機器人程序運行時，機器人與周邊設(shè)備之間有足夠的空間，供機器人本體及附件（如管線包、管線夾等）及其末端工具（如焊鉗、抓手及零件）通過。雖然部分仿真軟件具有干涉檢查或碰撞分析的功能[3，4]，然而實際工作環(huán)境中，不同情形需要的空間各不相同。會出現(xiàn)通過了軟件自帶干涉檢查或碰撞分析，卻無法滿足現(xiàn)場調(diào)試需要的情形。例如機器人焊鉗運動時，與周圍的距離要大于25 mm[5]；機器人搬運時，考慮機器人運動速度、急停時的抱閘延遲和抖動等因素，搬運路徑上機器人及抓手與周圍設(shè)備的距離要大于200 mm。因此，是否滿足通過性要求，仍然需要仿真工程師結(jié)合具體情況進行判斷。

明確了可達性和通過性的概念及一般要求，就抓住了機器人仿真驗證的關(guān)鍵點。在實際的焊裝線中，仿真時需要根據(jù)具體的功能對可達性和通過性進行具體的展開。

圖2 仿真環(huán)境里的機器人可達范圍

3 常用功能仿真驗證重點

3.1 搬運功能的仿真驗證

搬運是車身車間機器人的常用功能，根據(jù)搬運物體、位置的差異，又可以細分為總成搬運、零件搬運?？偝砂徇\，指的是把焊接好的焊接總成，從上一個工位搬運到下一個工位上。零件搬運，指的是把零件從料框抓取出來，并安裝到工位的焊合總成上。

3.1.1 總成搬運

車身車間的焊接總成重量和尺寸大，使用機器人搬運可以減輕勞動強度。總成搬運機器人的可達性驗證，首先需確保取件點、放件點可達。同時，工件為了從工裝的定位單元脫離，需要從取件點沿某一方向（一般是平行于定位銷方向）直線運動一段距離（≥50 mm）。因此，需要確保在取件點、放件點時，機器人仍然有向各個方向運動的余量。

總成搬運機器人的通過性驗證，需要驗證以下內(nèi)容：

（1）在取件點或放件點，抓手打開、關(guān)閉過程與工裝或輸送距離足夠；

（2）取件/放件后能沿X/Y/Z或其他單一方向脫離工裝或輸送；

（3）取件/放件過程中，抓手（包含打開、關(guān)閉狀態(tài)）及零件與周邊設(shè)備距離足夠；

（4）取件/放件過程中機器人本體與周邊設(shè)備距離足夠。

其中，抓手打開、關(guān)閉時與工裝的干涉是比較容易忽略的。圖3 為某車型的初始抓手設(shè)計方案，抓手與輸送無靜態(tài)干涉，但是抓手打開時夾緊機構(gòu)會與輸送干涉。為了避免此類問題，需要仿真時確認抓手打開、關(guān)閉兩種狀態(tài)下是否干涉，并注意夾緊機構(gòu)打開時的掃掠空間。

圖3 抓手打開時與輸送干涉（虛線箭頭為打開時掃掠示意）

3.1.2 零件搬運

隨著自動化率提高，越來越多機器人代替人工用于零件抓取和安裝。零件搬運的仿真比總成搬運要復(fù)雜得多，在取件端和裝件端因為工裝形式不同，要考慮的因素也不同。

在取件端，根據(jù)零件對中定位方式不同，可以分為對中臺、積放式可移動料框（以下簡稱積放式料框）、積放鏈幾種方式。其中積放式可移動料框可以兼顧裝件數(shù)量和切換靈活性，適用于前艙上邊梁等小總成上件[6]。

從積放鏈或者對中臺抓件，取件點的位置是唯一的。而視覺抓件或者從積放式料框抓件，零件數(shù)量不同，抓件位置也不同，進行可達性驗證時，最好逐一確認每一個位置的可達性。若零件位置是連續(xù)的，機器人抓件時姿態(tài)相似，則可以只確認首件、末件可達即可。抓件時，也同樣存在零件脫離銷子的過程，需要確保行程余量。

從對中臺或者積放鏈抓件，只有一個取件點，通過性檢查相對簡單。若要從積放式料框中抓件，需要確認抓取首件、末件時抓手與料框距離是否足夠。對于抓焊一體機器人，還需要檢查抓件時焊鉗與積放式料框、圍欄有足夠距離。其次，要檢查零件脫離銷子過程中，抓手、焊鉗等與積放式料框的距離是否足夠。另外，需要確認抓件過程中抓手關(guān)閉過程距離是否足夠。圖4 為某車型抓手從前側(cè)板積放式料框抓件，抓手關(guān)閉過程，壓緊離相鄰的零件距離太小，現(xiàn)場若零件放不到位很容易發(fā)生干涉。

圖4 抓手關(guān)閉時與零件間距小

在裝件端，根據(jù)零件定位方式不同，可以分為機器人直接定位、線旁夾緊定位、Docking 定位。前兩種定位方式在仿真時相對簡單。對于Docking 定位的方式，因為多了抓手進入或脫離Docking、Docking 夾緊打開關(guān)閉等步驟，仿真驗證時需要額外注意。

3.2 點焊功能的仿真驗證

電阻點焊是車身車間的主要工藝。進行仿真驗證時，前期一般只做粗略的焊接軌跡。在工裝數(shù)據(jù)基本鎖定后，才會完成詳細的焊接軌跡。在前期評估時，焊鉗可達性方面首先要確保所有焊點位置可達，且有一定行程余量。其次，需要檢查重要的過渡點是否可達。例如，對于喉深較大的X 型焊槍，若機器人底座正對焊接位置，有可能焊鉗進出時尾部與機器人本體干涉，如圖5 所示。

圖5 焊鉗退出時與機器人本體有干涉風險

焊鉗通過性，除了要檢查在焊點位置時焊鉗與工裝、零件距離是否足夠，還要注意焊鉗進出路徑上的關(guān)鍵過渡點是否存在焊鉗干涉的情況。如圖6 所示，焊接中央通道頂部焊點時，焊鉗進出需要從大梁底部經(jīng)過，這是整個軌跡的最低點。需要確保經(jīng)過此點時，焊鉗與工裝之間有足夠的安全距離。如圖7 所示，焊鉗進入過孔中焊接，不僅需要確認焊接狀態(tài)時焊鉗與零件的安全間距，還需要確認焊鉗下電極從過孔中通過時與零件的安全間距是否足夠。

圖6 中央通道頂部焊接

圖7 焊鉗通過過孔的空間不足

焊鉗焊接一定數(shù)量焊點后需要進行電極修磨，因此同樣需要對修磨功能進行可達性和通過性驗證。

3.3 自動涂膠功能的仿真驗證

車身車間常用的機器人自動涂膠有兩種形式，一種為膠槍固定，機器人抓著工件進行涂膠；另一種為工件固定，膠槍安裝在機器人上進行涂膠。前者一般用于門蓋內(nèi)板等體積比較小的分總成上，利用工位間搬運機器人的等待時間進行涂膠，設(shè)備利用率高，對尺寸精度的要求低。后者一般應(yīng)用于下車體等大總成上，可以允許多個機器人同時作業(yè)，對尺寸精度要求高。

涂膠軌跡與焊接軌跡不同，焊點是離散的，而涂膠軌跡是連續(xù)的。進行涂膠可達性驗證時，不可能在軌跡上每個點都驗證，對于直線涂膠，一般取起止點和中間點進行驗證即可；對于曲線涂膠，則可以多取幾個點。涂膠時，優(yōu)先確保膠槍與工件表面垂直。為了確保軌跡連續(xù)性或者機器人無法實現(xiàn)垂直姿態(tài)時，可以偏轉(zhuǎn)一定角度涂膠。機器人涂膠調(diào)試時，起膠/收膠位置容易堆膠，為避免此問題，一般會在一段膠兩端的延長線上增加過渡點，配合膠槍提前開啟/關(guān)閉功能，確保涂膠尺寸均勻。因此，進行可達性驗證時，需要在涂膠起止點附近預(yù)留足夠的機器人行程余量。

自動涂膠通過性驗證，需要確保在涂膠過程中，膠槍與零件（翻邊、支架、螺柱等）無干涉。如圖8 所示，首先在前側(cè)板涂膠仿真驗證時，需要確保膠槍與圖示支架、零件翻邊有足夠的安全距離。若使用固定膠槍，固定膠槍周圍需要有足夠空間，便于搬運機器人進入涂膠位置；其次，還需要檢查涂膠過程中，抓手、機器人本體、管線包與固定膠槍支架距離是否足夠。

圖8 前側(cè)板自動涂膠示意

3.4 抓手或焊鉗切換功能的仿真驗證

多車型柔性線在車型切換時，若部分工位的抓手、焊鉗無法兼容各個車型，需要進行切換。抓手切換方式包括固定抓手放置架、活動切換小車、帶Docking功能的夾具等。焊鉗切換時，一般放到固定放置架上。抓手或焊鉗切換的可達性驗證，與搬運基本相同。而抓手或焊鉗切換的通過性驗證，需要重點確認以下方面：（1）抓手或焊鉗切換路徑與周邊設(shè)備距離足夠；（2）抓手或焊鉗能沿X/Y/Z或其他單一方向放到或脫離放置裝置；（3）抓取、放下軌跡與放置裝置的防塵蓋打開狀態(tài)距離足夠；（4）對于抓手，還要確保抓手在放置裝置上時，無論處于打開狀態(tài)還是關(guān)閉狀態(tài)，都要與周邊設(shè)備距離足夠。

4 機器人工位仿真分析案例

圖9 為車身線下車體某工位，左右各1 臺機器人。雖然機器人數(shù)量少，但是工藝內(nèi)容多，設(shè)備數(shù)量多，場地緊湊，稍有遺漏就容易導(dǎo)致現(xiàn)場干涉，仿真難度很大。按照前述思路，可以根據(jù)工藝要求，梳理出該工位機器人承擔的具體功能為取件、自動涂膠、裝件、焊接，在車型切換時要進行抓手切換。明確了機器人具體功能后，分別按照對應(yīng)功能的仿真要點去一一進行可達性和通過性驗證，就可以確保仿真評估結(jié)果全面而準確。

圖9 機器人少但仿真復(fù)雜的工位

圖10 為車身線前車體某工位，左右各2 臺機器人、1 臺搬運機器人，合計6 臺機器人。雖然機器人數(shù)量多，可是根據(jù)按照上述思路分析，機器人只承擔總成搬運、點焊兩種功能，整個仿真工作反而相對比較簡單。

圖10 機器人多但仿真簡單的工位

5 結(jié)語

焊裝線機器人種類和數(shù)量眾多，周邊設(shè)備復(fù)雜，機器人仿真時要考慮的因素多，仿真驗證工作繁瑣。提出了機器人可達性和通過性概念，總結(jié)了可達性和通過性的一般驗證要點，通過抓住機器人可達性和通過性兩個核心因素，可以快速抓住仿真驗證重點。并結(jié)合典型實例，探討不同類型或功能機器人仿真時可達性和通過性驗證的側(cè)重點和常見問題。實際工位的機器人功能和面臨約束更加復(fù)雜，需要結(jié)合具體情況進行具體分析。以上只是討論了機器人仿真的可達性和通過性，機器人仿真時還需要綜合考慮節(jié)拍、路徑、姿態(tài)等多種因素，才能高效率、高質(zhì)量地完成數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計與開發(fā)。