基于Processsimulate的機(jī)器人工位仿真節(jié)拍優(yōu)化方法

在汽車制造業(yè)快速發(fā)展的背景下，車身焊接生產(chǎn)線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提升，并且這類生產(chǎn)線具有高度自動(dòng)化和設(shè)備復(fù)雜的特點(diǎn)。

生產(chǎn)節(jié)拍是指在一定時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量，工藝規(guī)劃階段必須對各工位的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行精確測算，生產(chǎn)節(jié)拍 每一天或一段時(shí)間/每天產(chǎn)出量或一段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)量。例如：一條汽車生產(chǎn)線要求生產(chǎn)每小時(shí)為30件，線體開動(dòng)率 90% ，則每個(gè)工位每臺(tái)車節(jié)拍=60×60/30×0.9=108 （s）。實(shí)踐表明，生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行節(jié)拍往往難以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，需要投入大量時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試優(yōu)化。而焊接自動(dòng)化工位主要依賴工業(yè)機(jī)器人作業(yè)，其運(yùn)行效率直接決定了該工位的生產(chǎn)節(jié)拍。因此，若未能精確計(jì)算工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)周期時(shí)間，將造成實(shí)際生產(chǎn)過程中機(jī)器人運(yùn)行效率顯著低于預(yù)期值，從而延長產(chǎn)線節(jié)拍優(yōu)化周期。

本研究選取典型機(jī)器人工作站為研究對象，整合車身制造工藝開發(fā)流程與數(shù)字化產(chǎn)線仿真技術(shù)，基于西門子ProcessSimulate仿真平臺(tái)開展點(diǎn)焊機(jī)器人作業(yè)周期模擬分析，最終提煉出一套點(diǎn)焊機(jī)器人工位節(jié)拍優(yōu)化方案，為汽車自動(dòng)化生產(chǎn)線工位節(jié)拍計(jì)算與效率提升提供技術(shù)指導(dǎo)及優(yōu)化路徑。

模型構(gòu)建

ProcessSimulate作為一款專業(yè)的工藝仿真平臺(tái)，在制造業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用于產(chǎn)線工藝規(guī)劃階段的虛擬驗(yàn)證環(huán)節(jié)。汽車白車身焊裝生產(chǎn)線由多個(gè)功能各異的工位組成，每個(gè)工位配備不同類型的工業(yè)機(jī)器人和專用工裝設(shè)備，故在仿真建模過程中，需首先導(dǎo)入包括工裝夾具、工業(yè)機(jī)器人、焊接設(shè)備、夾持裝置、安全防護(hù)系統(tǒng)、修磨設(shè)備及旋轉(zhuǎn)平臺(tái)等多種設(shè)備在內(nèi)的三維數(shù)字模型。

隨后，需要采集實(shí)際產(chǎn)線的運(yùn)行參數(shù)，如焊接點(diǎn)位信息、生產(chǎn)節(jié)拍、焊接工藝參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為仿真軟件可識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)格式。最終，將處理后的工藝數(shù)據(jù)與仿真模型進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，開展虛擬驗(yàn)證及工藝優(yōu)化工作。工位模型搭建如圖1所示。

機(jī)器人軌跡優(yōu)化

在工業(yè)機(jī)器人焊接工藝規(guī)劃中，焊接路徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵性技術(shù)環(huán)節(jié)，其核心在于對實(shí)際生產(chǎn)線上機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真與規(guī)劃。具體到仿真環(huán)境中，當(dāng)焊點(diǎn)位置在車身零件上完成精確投影后，即可基于這些焊點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)制作相應(yīng)的機(jī)器人焊接運(yùn)動(dòng)軌跡。

在焊接路徑規(guī)劃中，不僅涉及焊點(diǎn)間的連接，還需考慮焊槍與車身結(jié)構(gòu)、工裝夾具及周邊設(shè)備的空間干涉問題。為此，通常會(huì)在焊點(diǎn)間設(shè)置必要的過渡點(diǎn)。而設(shè)置的冗余過渡點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人執(zhí)行加減速控制，從而延長運(yùn)動(dòng)周期，影響整體生產(chǎn)效率。因此，合理優(yōu)化過渡點(diǎn)數(shù)量，可顯著提升機(jī)器人作業(yè)效率。

通過對路徑反復(fù)的觀察與運(yùn)行，使用鎖軸以及Movetolocation指令在兩個(gè)過渡點(diǎn)中間反復(fù)跳點(diǎn)，可以刪除這兩個(gè)點(diǎn)之間不必要的過渡點(diǎn)，提升機(jī)器人運(yùn)行效率，提升工位節(jié)拍。

路徑制作時(shí)，應(yīng)將機(jī)器人設(shè)置為主要通過PointtoPoint（PTP）運(yùn)動(dòng)方式來執(zhí)行焊接路徑（見圖2）。通過PTP這種運(yùn)動(dòng)方式，機(jī)器人沿最快的軌跡將機(jī)器人的工具中心點(diǎn)位置（ToolCenterPosition，TCP）移動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)，這是耗時(shí)最短也是最優(yōu)化的移動(dòng)方式。這種運(yùn)動(dòng)方式下，時(shí)間最優(yōu)路徑往往并非空間最短路徑，而是呈現(xiàn)非線性軌跡特征。

由于機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸進(jìn)行同步回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，曲線軌跡的運(yùn)動(dòng)效率通常高于直線軌跡。所有軸的運(yùn)動(dòng)同時(shí)開始和結(jié)束，這些軸必須同步，因此無法精確地預(yù)計(jì)機(jī)器人的軌跡，與線性運(yùn)動(dòng)（LIN，沿直線移動(dòng)）和圓周運(yùn)動(dòng)（CIRC，沿圓弧移動(dòng)）相比，PTP效率最高但路徑可控性最低。因此，在保證機(jī)器人不與周邊干涉的前提下，運(yùn)行方式都采用PTP會(huì)使得其運(yùn)行效率最高，可提升工位節(jié)拍。

工位準(zhǔn)作業(yè)程序SOP優(yōu)化

在多設(shè)備協(xié)同作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人工作站中，各類自動(dòng)化裝備的運(yùn)動(dòng)軌跡在時(shí)空維度上往往存在交叉重疊，各生產(chǎn)單元必須實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的協(xié)同配合。其中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于工序間的有序銜接，這一過程被定義為生產(chǎn)時(shí)序規(guī)劃。通過科學(xué)合理的時(shí)序優(yōu)化策略，特別是將傳統(tǒng)的串行時(shí)序調(diào)整為并行時(shí)序結(jié)構(gòu)，能夠有效避免設(shè)備間的運(yùn)動(dòng)干涉及等待問題，同時(shí)顯著提升工作空間的利用率，最終實(shí)現(xiàn)整體生產(chǎn)效率的優(yōu)化提升。

具體而言，需要在ProcessSimulate構(gòu)建包含一個(gè)工位中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡和設(shè)備動(dòng)作序列的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序，以此驗(yàn)證單個(gè)工位的生產(chǎn)周期是否滿足整條產(chǎn)線的產(chǎn)能要求。

使用“序列編輯器”功能可對一個(gè)工位的各種設(shè)備的運(yùn)行時(shí)序進(jìn)行規(guī)劃，例如有轉(zhuǎn)臺(tái)和七軸同時(shí)運(yùn)行的工位，在七軸機(jī)器人運(yùn)行到前一個(gè)工位取件的同時(shí)，該工位的轉(zhuǎn)臺(tái)可同時(shí)運(yùn)行到焊接位置。同時(shí)，兩臺(tái)機(jī)器人也可以在時(shí)序上錯(cuò)開，通過調(diào)整機(jī)器人焊點(diǎn)焊接焊點(diǎn)的時(shí)序，減少兩臺(tái)機(jī)器人運(yùn)行過程中的相互等待，從而優(yōu)化工位節(jié)拍，如圖3所示。

干涉區(qū)優(yōu)化

在焊裝生產(chǎn)線上，多機(jī)器人的工作空間通常存在重疊區(qū)域。機(jī)器人各關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中存在相互碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，這種運(yùn)動(dòng)干涉不僅會(huì)引發(fā)生產(chǎn)安全事故，還會(huì)嚴(yán)重影響整條生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。

具體而言，干涉問題主要包含以下四種類型：機(jī)器人與工裝夾具的干涉、機(jī)器人與安全防護(hù)裝置的干涉、機(jī)器人與其他生產(chǎn)設(shè)備的干涉，以及機(jī)器人互相之間的運(yùn)動(dòng)干涉。其中，機(jī)器人與夾具等的靜態(tài)設(shè)備的干涉可以通過干涉檢查手段進(jìn)行識(shí)別，而對于機(jī)器人之間的動(dòng)態(tài)干涉問題，則需要采取調(diào)整焊接時(shí)序、重新規(guī)劃機(jī)器人站位以及設(shè)置機(jī)器人干涉區(qū)等方法來避免多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

如圖4所示，兩臺(tái)機(jī)器人在焊接紅圈處的焊點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生焊槍之間的干涉，即機(jī)器人干涉區(qū)產(chǎn)生的原因。減少機(jī)器人干涉區(qū)內(nèi)過渡點(diǎn)的數(shù)量也可以提升該工位的節(jié)拍。

在完成機(jī)器人路徑規(guī)劃后，首先運(yùn)用SweptVolume功能對各個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，生成機(jī)器人的包絡(luò)體，如圖5所示。隨后通過

InterferenceVolume功能對多機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)進(jìn)行交集分析，確定其重疊區(qū)域，即圖6所示的紅色區(qū)域。

值得注意的是，在ProcessSimulate仿真環(huán)境中，這些干涉區(qū)域是可視化呈現(xiàn)的，而實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場的機(jī)器人控制系統(tǒng)則無法直接顯示。為此，現(xiàn)場機(jī)器人程序通過預(yù)設(shè)干涉區(qū)前過渡點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)干涉識(shí)別。

由于PLC信號(hào)傳輸存在延遲，機(jī)器人進(jìn)入干涉區(qū)時(shí)會(huì)出現(xiàn)短暫停頓現(xiàn)象。為提高工位效率，建議在工藝優(yōu)化過程中盡量減少機(jī)器人間的干涉區(qū)域數(shù)量。圖6所示工位機(jī)器人的干涉區(qū)就優(yōu)化成了兩個(gè)，仿真所做的工作即將機(jī)器人路徑優(yōu)化，減少干涉區(qū)數(shù)量，以及縮小干涉區(qū)，減少機(jī)器人干涉區(qū)內(nèi)的路徑點(diǎn)。

結(jié)語

在智能制造技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，汽車焊裝生產(chǎn)領(lǐng)域正經(jīng)歷著由傳統(tǒng)制造向無人化、智能化方向的轉(zhuǎn)型。隨著生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜度不斷提升和工藝流程持續(xù)優(yōu)化，基于數(shù)字化仿真技術(shù)開展設(shè)備節(jié)拍優(yōu)化研究，已成為當(dāng)前提升汽車制造效率的重要技術(shù)路徑，這需要建立在扎實(shí)的理論研究和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。

ProcessSimulate作為專業(yè)的仿真軟件，能夠精準(zhǔn)模擬實(shí)際生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，在線體投產(chǎn)前有效計(jì)算生產(chǎn)節(jié)拍，識(shí)別生產(chǎn)流程中的瓶頸環(huán)節(jié)與優(yōu)化空間，可通過優(yōu)化機(jī)器人軌跡、調(diào)整工位設(shè)備運(yùn)行時(shí)序、優(yōu)化機(jī)器人干涉區(qū)等措施，顯著提升生產(chǎn)線的綜合效能。基于仿真技術(shù)的預(yù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可確保生產(chǎn)線在實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到最佳性能表現(xiàn)。

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