銑削機器人加工離線軌跡仿真方法應用研究

周俊鋒，李盛良，茅衛(wèi)東，王成文

1.奇瑞新能源汽車股份有限公司 安徽蕪湖 21000

2.新能源汽車輕量化技術安徽省重點實驗室 安徽蕪湖 21000

我國制造業(yè)已經(jīng)從“有沒有”向“好不好”的高質(zhì)量發(fā)展時代轉(zhuǎn)變，必須全面準確實施新發(fā)展理念，推進新型工業(yè)化[1～3]。

汽車產(chǎn)業(yè)是制造業(yè)中典型的集聚產(chǎn)業(yè)，具有產(chǎn)業(yè)鏈長、新技術迭代超前、自動化要求高及制造工序長等特點[4]。隨著汽車產(chǎn)業(yè)對自動化需求不斷增長，機器人在汽車零部件加工過程中的應用越來越廣泛，為快速實現(xiàn)機器人加工初始安裝和縮短產(chǎn)品切換調(diào)試周期，需借助虛擬仿真技術手段對機器人加工進行規(guī)劃，提前設計加工路徑和優(yōu)化加工姿態(tài)等離線加工程序，一鍵導入現(xiàn)場機器人設備中，快速實現(xiàn)機器人銑削加工投產(chǎn)運行[5]。本文基于西門子Tecnomatix軟件，以新能源汽車鋁框架車身頂邊梁的機器人銑削加工為例，在工藝設計虛擬環(huán)境中進行數(shù)字化模型工藝規(guī)劃，分配工藝任務、定義資源（工裝、工具等）運動類型，在仿真虛擬環(huán)境中對工藝流程定義并對產(chǎn)品和資源進行分配，規(guī)劃銑削機器人加工軌跡?？梢詷O大地提升機器人銑削產(chǎn)線虛擬規(guī)劃設計與離線仿真調(diào)試的工程實現(xiàn)方法，對機器人作業(yè)系統(tǒng)加工軌跡精度控制方法的研究具有重要的工程應用價值。

銑削機器人工作站工藝設計

基于Tecnomatix軟件中的工藝設計模塊，在三維環(huán)境中進行數(shù)字化制造過程規(guī)劃[6]，通過建立資源庫并導入三維數(shù)據(jù)、創(chuàng)建產(chǎn)品PBOM和加工特征、生產(chǎn)線工藝流程框架、銑削機器人生產(chǎn)線規(guī)劃布局、操作和資源分配到工位等操作步驟完成數(shù)字化機器人銑削生產(chǎn)線設計，實現(xiàn)驗證設計制造流程、節(jié)拍和制造可行性驗證，如圖1所示。

圖1 銑削工藝設計流程

1.建立資源庫并導入三維數(shù)據(jù)

新建新項目名稱（NewCar_BIW）并設置在根目錄下，并在這個目錄下創(chuàng)建資源庫（Libraries）、產(chǎn)品資源（Product）、工藝資源（Process）等若干個子目錄，如圖2所示。

圖2 創(chuàng)新一個新的項目及資源庫

采用CATIA等建模軟件，完成銑削機器人產(chǎn)線所需的產(chǎn)品、工裝、設備及工具等三維數(shù)據(jù)模型，將數(shù)模轉(zhuǎn)換成JT輕量化格式，按資源庫文件夾分類擺放，如圖3a所示，導入到Tecnomatix軟件中并對數(shù)據(jù)類型進行逐個定義類型，如圖3b所示。

圖3 導入資源庫及定義類型

（1）創(chuàng)建產(chǎn)品PBOM結(jié)構(gòu)樹 在已有的產(chǎn)品資源（Product）目錄下，新建產(chǎn)品集合（CarBody），并在其下方創(chuàng)建若干個零件集合（Front等），最后從導入的產(chǎn)品庫中將零件按加工工序依次分配到對應產(chǎn)品集合中，完成產(chǎn)品PBOM結(jié)構(gòu)樹創(chuàng)建，如圖4所示。

圖4 導入資源庫及定義類型

（2）創(chuàng)建產(chǎn)品加工特征 將頂邊梁數(shù)模孔的法線中心線特征提取出來作為加工特征，如圖5a所示，并依次將頂邊梁上所有的中心線開始和結(jié)束的位置投影坐標，如圖5b所示，可以在后續(xù)軌跡仿真的過程中讓機器人快速準確定位到加工位置。

圖5 銑削加工特征建立

2.建立生產(chǎn)線工藝流程框架

在工藝資源目錄下，按工藝規(guī)劃逐層建立車間（PrLine）、生產(chǎn)線（PrLine）、若干區(qū)域（Zone）以及若干工位（Station），形成如圖6所示的銑削加工生產(chǎn)線工藝流程框架。

圖6 銑削加工生產(chǎn)線工藝流程框架

3.銑削機器人生產(chǎn)線規(guī)劃布局

采用AutoCAD等二維軟件，繪制生產(chǎn)線平面布置圖并轉(zhuǎn)換成JT格式，導入至Tecnomatix軟件中，將準備好的工裝、設備等三維數(shù)據(jù)模型與生產(chǎn)線平面圖進行精確定位，并將產(chǎn)品與工裝、工具與設備定位，構(gòu)建三維虛擬環(huán)境機器人銑削加工生產(chǎn)線規(guī)劃布局，如圖7所示。

圖7 銑削加工生產(chǎn)線布局

4.操作和資源分配到工位

在工藝資源→工藝流程工位目錄下，先創(chuàng)建相對應工藝操作（Operation）工步，并在每個工步內(nèi)分配加工特征、加工零件和加工時間，如圖8a所示；在工藝資源目錄下創(chuàng)建工裝（Fxcture）、機器人（Robot）、設備（Device）及工具（Tool）等資源集合，將相對應的夾具、機器人、機器人底座、電主軸及刀庫等從資源庫中拖著至工藝資源工位，如圖8b所示，完成銑削數(shù)字化生產(chǎn)線工藝設計工作。

圖8 操作和資源分配到工位

銑削機器人工作站工藝仿真

基于Tecnomatix軟件中的工藝仿真模塊，將工藝設計模塊中定義完成的銑削機器人仿真產(chǎn)線（Study Folder），加載至工藝仿真模塊（Open with Process Simulate），在三維環(huán)境中進行數(shù)字化制造過程仿真，通過運動資源機構(gòu)動作設置、產(chǎn)品裝卸動作設置、銑削機器人運動軌跡設置完成銑削機器人生產(chǎn)線工藝仿真（見圖9），可對工裝、工具及產(chǎn)品等工程數(shù)據(jù)進行制造可行性分析，快速發(fā)現(xiàn)設計問題；還可以導出仿真程序至現(xiàn)場機器人中，大幅縮短人工試教周期。

圖9 操作和資源分配到工位

1.工藝資源運動機構(gòu)動作定義

工裝夾具是產(chǎn)品加工尺寸精度一致性的定位裝置[7]。首先通過模型編輯（Modeling）中的創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)軸坐標（Frame），對夾具的直線運動副行程或旋轉(zhuǎn)運動的旋轉(zhuǎn)軸進行定義，如圖10a所示；再采用運動編輯器（Kinematics Editor）創(chuàng)建連桿機構(gòu)關節(jié)，對連桿剛性體、運動軸參數(shù)和連桿之間運動關系進行定義，如圖10b所示，并逐一創(chuàng)建單一夾頭的開啟（Open）、關閉（Close）姿態(tài)開關。后在工藝流程工位（Station）目錄下，新建一整套夾具運動操作（Open Fixture），按工藝要求將逐個夾頭的開關姿態(tài)定義放入此操作下如圖11a所示，可將整套夾具的操作加載到序列編輯器（Edit Viewer）中，調(diào)整夾具開關時間和順次如圖11b所示。實現(xiàn)工裝夾具在三維軟件中動態(tài)位置，能模擬分析夾頭打開和關閉狀態(tài)下與周邊物體干涉狀態(tài)，為工裝夾具設計提供參考依據(jù)。

圖10 運動夠設置

圖11 運動夠設置

2.零件裝配運動仿真

主要是仿真零件從料箱向夾具移動的過程。新建取件運動操作（Load right_wing part）如圖12a所示，并選擇零件取出的開始點和結(jié)束點坐標，即完成零件從料箱到工裝夾具的裝配運動仿真如圖12b所示，為使仿真更符合實際取件位姿，可手動增加零件過程移動多個位置點（Add Location After）如圖12c所示，可直觀分析零件在取件裝配過程中裝配可行性。

圖12 零件運動仿真

3.銑削機器人運動軌跡仿真

主要是機器人對頂邊梁零件鉆銑孔和面加工過程軌跡進行仿真。定義工藝流程（Station）中的銑削加工工藝操作（Operation）與機器人和電主軸工具綁定如圖13a所示，并將該操作加入到事件編輯器（Edit Viewer）中，通過可達性測試（Reach Test）對機器人加工產(chǎn)品可達性進行判定如圖13b所示，后采用跳轉(zhuǎn)機器人至該位置（Jump Assigned Robot）對可達性不達標的位置逐一調(diào)整至操作可達。最后將所有操作（Station）加載至事件編輯器（Edit Viewer）中，將彼此工步的時間和順次連接起來，形成該工位完整的工藝仿真時序如圖13c所示。

圖13 加工運動軌跡和仿真時序

銑削機器人仿真結(jié)果

1.加工過程中碰撞干涉情況分析

銑削加工過程中的碰撞干涉情況分析，是銑削加工數(shù)字化仿真關鍵功能，將機器人及設備加載到序列編輯器（Edit Viewer）中模擬運行，可檢測出是否與周邊物體發(fā)生干涉（Collision Viewer），可提前發(fā)現(xiàn)工裝夾具、設備、零件設計方案的缺陷問題如圖14所示，需要對機器人銑削工藝布局調(diào)整或進行方案優(yōu)化，減少設計變更周期和費用，提升設計效率。

圖14 碰撞干涉檢查結(jié)果

2.銑削機器人仿真路徑優(yōu)化分析

銑削機器人加工過程路線仿真對于提升實物設備安裝定位精度、縮短零件加工調(diào)試周期效果明顯，可以通過人工精調(diào)機器人路徑點并觀察機器人的位姿、周圍設備圍欄等避免發(fā)生干涉現(xiàn)象，創(chuàng)建銑削機器人軌跡點，對機器人軌跡進行最優(yōu)設計，可大幅提升機器人運行效率并提升生產(chǎn)節(jié)拍[8]，從而能夠獲得在空間中最優(yōu)的路徑，如圖15所示。

圖15 路徑仿真優(yōu)化結(jié)果

3.仿真離線程序驗證分析

通過在Tecnomatix軟件中安裝對應品牌機器人的離線程序插件[9]，先將銑削機器人工藝操作加載至路徑編輯器（Path Editor）中，創(chuàng)建離線程序（Robot Program）并將現(xiàn)場測量機器人原點坐標、工裝夾具Base坐標、工具TCP坐標在導出系統(tǒng)中進行設置，保證銑削機器人能按照加工路徑運行[10]。最后對目標程序進行離線程序輸出（Download）。利用該離線程序?qū)氍F(xiàn)場銑削機器人中，可實現(xiàn)頂邊梁零件生產(chǎn)加工，如圖16所示。將加工零件委托安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院進行檢測，尺寸精度達到±0.04mm，與五軸機床加工效率提升65%。

圖16 離線仿真程序?qū)С?/p>

結(jié)語

基于Tecnomatix三維虛擬仿真技術，規(guī)劃了三維虛擬環(huán)境機器人銑削加工生產(chǎn)線規(guī)劃布局，模擬了車身頂邊梁加工工位銑削過程，通過銑削機器人加工可達性、機器人及設備運動碰撞分析，可避免機器人與周邊物體的干涉。并將仿真軟件中的離線程序?qū)氍F(xiàn)場機器人中進行了驗證，可滿足實際生產(chǎn)需求，為工裝夾具、零件、設備前期集成設計和工藝規(guī)劃提供理論參考依據(jù)。