0 引言
近年來,汽車行業(yè)的競爭日益激烈,客戶對于汽車的要求也不斷提高;面對著目前汽車產(chǎn)品車型周期短,市場變化快的情況,高精度高、高柔性化的汽車混合焊裝線已成為車身焊接技術(shù)的發(fā)展方向。
在汽車白車身的焊裝前期工藝規(guī)劃與仿真過程中,WorkSpace、Robcad、IGRIP以及DELMIA等仿真分析軟件在白車身焊裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中Dassault System公司系列軟件DELMIA以基于物理的虛擬設(shè)計與制造及機器人等模塊表現(xiàn)最為優(yōu)異。
結(jié)合白車身自動線工藝規(guī)劃的特點,本文采用DELMIA的虛擬仿真技術(shù),對白車身焊裝線項目進行工藝規(guī)劃和仿真驗證。
1 數(shù)模轉(zhuǎn)換及工作站的建立
根據(jù)確定的仿真流程,首先要將設(shè)計完成的白車身、輸送裝置、夾具與相關(guān)工裝設(shè)備的數(shù)模導(dǎo)入DELMIA中。DELMIA具有UG、CATIA等常用三維軟件的數(shù)據(jù)接口,也有IGES等通用數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換接口,通過接口,可以將三維數(shù)模導(dǎo)人到DELMIA環(huán)境,保證了仿真設(shè)計與實際應(yīng)用的統(tǒng)一性。
機器人數(shù)量依據(jù)生產(chǎn)線節(jié)拍和工作站工作數(shù)量確定以后,根據(jù)適用性和經(jīng)濟型進行選型。不同品牌的機器人在負載和工作范圍方面均有差異,因此需要進行對比驗證之后導(dǎo)人仿真工位中。
將設(shè)計完成的白車身、輸送裝置、夾具與相關(guān)工裝導(dǎo)入DEMIA中,(所有模型的導(dǎo)入均以車身坐標系的原點為參考點)依據(jù)設(shè)計好的二維布局圖進行大致的布局,建立工作站。圖1為初步建立的某工位點焊工作站。
圖1 基于DELMIA的仿真工位建立
2 工位的仿真驗證
2.1 焊點導(dǎo)入
工位模型建立之后,要將焊點導(dǎo)入并進行分配。進入DELMIA的Workcell Sequencing模塊,通過Import Io Info調(diào)入焊點信息,焊點信息格式如圖2。機器人工位任務(wù)分配,應(yīng)根據(jù)節(jié)拍的要求來合理的分配焊點,使得機器人工作量達到平衡。
圖2 某工位焊點信息文件
2.2 概念焊槍的設(shè)計
焊槍是焊裝線中最重要的焊接設(shè)備,焊鉗與焊接夾具、工位中焊接資源之間的仿真驗證對焊裝設(shè)計非常重要。
根據(jù)分配后的焊點初步確立焊槍類型(C型槍和X型槍),在DELMIA示教模塊中綜合考慮每一種車型的焊點,最終確定焊槍參數(shù)(喉深、喉寬、大小開行程、上下電極臂的長度)及焊槍安裝法蘭的形式,同時在保證焊接時不出現(xiàn)干涉的前提下,應(yīng)盡量的減少焊槍的尺寸,以便減少機器人的負載。圖3是概念焊鉗設(shè)計效果圖,圖中可以看出焊點所在的板件剖切面集合與焊槍中心剖切型面組合驗證焊槍的通過性。
圖3 焊點斷面圖及焊槍形狀的驗證
2.3 機器人的布局
將焊槍安裝到機器人上,使用Auto Place功能,通過Selected Groups選擇機器人任務(wù)包含所有焊點的Tag Croup,驗證可達的焊點,在確保所有焊點可達的情況下,選擇機器人的站位點,然后依據(jù)后續(xù)仿真工作調(diào)整機器人,確定出最佳站位。機器人位置點和可達區(qū)域如圖4、圖5所示。這樣前期的工作的可靠性很高,不會出現(xiàn)機器人和工件位置的不合理而造成焊點不可達的現(xiàn)象。
圖4 工位機器人位置點計算
圖5 機器人可達區(qū)域位置
2.4 焊接路徑的優(yōu)化
在點焊工作站中,一臺機器人的焊點很少集中在同一區(qū)域,通常需要變換幾種姿態(tài)才能完成焊接工作。因此,應(yīng)使機器人在盡量少的姿態(tài)下完成預(yù)定工作,同時又能在焊接過程中避開與相鄰機器人的干涉。
在Device Task Definition模塊中,使用Teach a Device就可以對路徑進行仿真優(yōu)化,在仿真運行的同時,需要效驗每個焊點處機器人的六軸姿態(tài)是否合適,確保機器人各關(guān)節(jié)正常、順暢,如圖6所示。在DELMIA中可以直觀的了解工作站中各個機器人的焊接位置,從而安排焊接先后順序,避免兩臺機器人同時出現(xiàn)在同一區(qū)域,造成互相等待耽誤節(jié)拍。
圖6 焊接路徑仿真(左邊是仿真按鈕右是機器人六軸狀態(tài))
2.5 干涉分析
在機器人焊接過程中需要分析焊接機器人、車身數(shù)模、焊裝夾具與焊槍之間是否發(fā)生干涉現(xiàn)象,對于焊槍可以通過對焊點處斷面圖來進行分析(如上圖3所示)。
在點焊工作站中,通常會有4臺甚至是更多臺機器人,在工作時機器人之間相互干涉是很難避免的,因此需要干涉區(qū)。如圖7,機器人1和機器人2同時進行B柱焊接時,機器人之間會發(fā)生干涉。通過路徑優(yōu)化,使機器人2先通過干涉區(qū),這樣兩臺機器人同時工作時就不會發(fā)生干涉。但是當機器人2在干涉區(qū)工作時發(fā)生故障停留在干涉區(qū),后進入干涉區(qū)的機器人就會與其發(fā)生碰撞。因此機器人之間的安全性就需要干涉區(qū)的設(shè)置來保障。例如在側(cè)圍點焊工作站,機器人較多,焊點分布較廣,同時又不能通過路徑的優(yōu)化來避免干涉,這種情況下干涉區(qū)的設(shè)置是必不可少的環(huán)節(jié)。
圖7 機器人干涉區(qū)的設(shè)置
3 三維工廠的建立
依據(jù)DELMIA進行的仿真工藝規(guī)劃,利用PLAYT LAYOUT模塊生成焊接三維工廠。從整體空間上把握焊裝生產(chǎn)線的布局,提高工藝規(guī)劃的合理性。圖8是某項目前后蓋的二維布局圖,圖9是某項目前后蓋的三維布局圖。
圖8 某項目前后蓋二維布局圖
圖9 某項目前后蓋三維布局圖
4 離線編程
目前機器人的編程可分為示教編程和離線編程兩種方式。離線編程技術(shù)的一大特點是在離線的情況下,生成機器人程序。在DELMIA中Robot Offline Programming模塊可實現(xiàn)離線編程,編程前需要安裝java 2 SDK 1.4.2或更高的版本的軟件。相比較示教編程,離線編程具有如下優(yōu)點:
(1)減少機器人不工作的時間。
(2)使編程者遠離危險的工作環(huán)境。
(3)便于修改機器人的程序。
(4)可結(jié)合相關(guān)人工智能技術(shù)提高編程效率。
(5)預(yù)測生產(chǎn)節(jié)拍是否滿足生產(chǎn)要求。
離線編程中機器人運動時間、焊接時間、運動軌跡等都是虛擬的,與現(xiàn)場的實際情況有一定的偏差,通過現(xiàn)場示教反饋,反過來修改仿真中的參數(shù),并通過現(xiàn)場示教經(jīng)驗,對仿真軌跡進行修改和優(yōu)化,從而使離線編程更好的指導(dǎo)現(xiàn)場示教調(diào)試。
如下程序為某點焊工作站機器人部分程序:
5 結(jié)束語
本文基于DELMIA軟件對焊裝線項目進行了前期的工藝規(guī)劃和仿真驗證。
(1)實現(xiàn)了對產(chǎn)品數(shù)據(jù)和焊點信息的管理;
(2)充分模擬現(xiàn)場生產(chǎn)場景,消除動靜態(tài)干涉,提高規(guī)劃的合理性;
(3)輔助設(shè)計人員進行工裝設(shè)計,在設(shè)計階段較早的發(fā)現(xiàn)問題及時更正,提高設(shè)計效率和較低生產(chǎn)成本;
(4)離線編程能夠輔助現(xiàn)場調(diào)試,降低現(xiàn)場調(diào)試人員的工作量,提高調(diào)試效率。
通過DELMIA軟件平臺將焊裝工藝規(guī)劃、焊裝機構(gòu)設(shè)計、焊裝仿真系統(tǒng)集成于一體,實現(xiàn)了數(shù)字化工廠的建立。
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