基于DELMIA 的機器人柔性滾邊系統(tǒng)仿真研究*

張青青

(吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132000)

0 引言

機器人滾邊是指通過機器人及安裝在機器人末端執(zhí)行器上的滾邊工具將沖壓過后留有翻邊的外板(通常為汽車的左右前車門、后車門，發(fā)動機蓋和行李箱蓋或后背門)折疊到180°，使內(nèi)外板整合成一體。DE LMIA 又稱“數(shù)字化工廠”，它可與主要的CAD、PDM和ERP 系統(tǒng)集成，結(jié)合各種生產(chǎn)工藝信息，實現(xiàn)生產(chǎn)線三維仿真研究［1］。

本文首先創(chuàng)建滾邊工作站，研究滾邊工作站節(jié)拍，利用技術(shù)協(xié)議確定主線節(jié)拍、滾邊節(jié)拍等，通過DELMIA 對滾邊系統(tǒng)進行仿真研究，包括建立TCP Frame和Tag 點、夾具運動建模、連續(xù)運動仿真、節(jié)拍驗證，最后輸出離線程序。

1 滾邊工作站的創(chuàng)建

滾邊的加工方法可以是一機多模或者一模多機，這主要取決于生產(chǎn)節(jié)拍。本系統(tǒng)采用一機多模的形式，即一臺KUKA210 -2 機器人以及一套發(fā)動機艙夾具，一套車門夾具，同時兩套夾具固定在一個回轉(zhuǎn)臺上。具體的工作流程是:當機器人進行滾邊操作時工作人員進行板件上件操作，滾邊完成后，機器人切換滾邊工具同時回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)180°，此時工作人員可以取下滾邊完成的板件而機器人則進行下一輪滾邊操作。對于孤立的工作站，若一臺機器人同時有多個工作對象，以機器人原點為工位原點;若一個工作對象有多臺機器人對其工作，則以工件原點為工位原點。在本項目中每個工作站為單臺機器人對兩個工件進行滾邊，故選擇機器人為工位原點，以此為基礎(chǔ)來布置工件、夾具及其他相關(guān)工位器具。

在DELMIA 的Device Task Definition 模塊中使用Activity Management 工具條下的Insert Resource 指令將KUKA 機器人、滾邊夾具系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺、門蓋數(shù)模、滾邊工具等作為Resource 插入到PPR 結(jié)構(gòu)樹中，并調(diào)整它們相對于機器人的位置，直到所有需要滾邊的邊在機器人的包絡(luò)面之內(nèi)。圖1 為調(diào)整好的機器人滾邊工作站。

圖1 機器人滾邊工作站

2 滾邊節(jié)拍分析

仿真規(guī)劃的主要目的就是獲得較高的制造質(zhì)量、較高的生產(chǎn)率以及較低的制造成本。生產(chǎn)流水線需要滿足的基本要求之一是滿足生產(chǎn)效率。通過技術(shù)交流確定流水線的生產(chǎn)內(nèi)容、生產(chǎn)目標和綱領(lǐng)，從宏觀上把握規(guī)劃整線節(jié)拍［2］。根據(jù)焊裝線技術(shù)協(xié)議計算出主線節(jié)拍，假設(shè)一年生產(chǎn)線實際工作天數(shù)為α，年產(chǎn)量為β，γ 班制，每班工作δ 小時，設(shè)備開動率為η，則主線節(jié)拍為:

對于門蓋線而言，若同一輛車的門蓋包邊或焊接設(shè)備共用，n為白車身的門和蓋的數(shù)量，m為可同時生產(chǎn)的設(shè)備，則節(jié)拍為:

本文所研究對象為門蓋線滾邊工作站，所以理論生產(chǎn)節(jié)拍為T1，該生產(chǎn)節(jié)拍是由轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時間ta、夾具動作時間tb、機器人滾邊時間w等組成的，即

進行滾邊工藝規(guī)劃時必須要讓其仿真節(jié)拍小于或是等于理論節(jié)拍。

3 滾邊仿真分析與驗證

3.1 TCP Frame 和BASE Frame

機器人進行滾邊操作，其路徑就是TCP Frame 經(jīng)過各個Tag 點所形成，由于滾邊是連續(xù)性的作業(yè)，機器人需要不停變換姿態(tài)，為了能更方便地控制機器人的姿態(tài)需要在滾輪上設(shè)置多個TCP Frame，在滾邊時不同TCP Frame 之間可以相互切換，以保證滾邊過程中機器人的可達性以及良好姿態(tài)。本文為每個滾輪設(shè)置三個TCP Frame，TCP Frame 建立在滾輪母線上。

BASE Frame 的作用為了將滾邊工具精確的安裝在機器人末端執(zhí)行器上。沒有安裝工具的機器人默認TCP Frame 在其末端執(zhí)行器上，之后通過Set Tool 指令將BASE Frame 和機器人法蘭坐標重合，同時將TCP Frame轉(zhuǎn)移到滾輪上，那樣滾邊工具就能精確地安裝在機器人上了。圖2 為滾邊工具上的BASE 和TCP Frame。

圖2 滾邊工具坐標設(shè)定

3.2 動作目標點Tag

KUKA 機器人運動類型有三種:PTP(點到點)，LIN(直線)和CIRC(圓)。為了使機器人能夠順利的按照需要進行滾邊操作就需要在機器人的工具移動路徑上設(shè)置Tag，滾輪上TCP 經(jīng)過每個Tag，這樣機器人就能隨TCP 一起按照用戶需要的路徑移動。在每個Tag 之間的機器人運動類型可以通過修改機器人的Motion 來實現(xiàn)。滾邊由于其特殊性，Motion 全部選擇LIN 的形式。因為板件彎曲的過程中位置在不斷的變化，這時板件的理論輪廓和胎模的邊緣線始終重合，所以將Tag 點建立在胎膜的邊緣線上。Tag 數(shù)量根據(jù)實際需要來制定，數(shù)量越多滾輪行走路徑越接近預(yù)期路徑，滾邊效果越好，但生產(chǎn)節(jié)拍會因此慢下來。定好Tag 后，建立機器人的任務(wù)，然后通過Add Tag 指令將Tag 添加到機器人任務(wù)里，這樣機器人和滾邊工具一起就能沿Tag 連續(xù)運動了。圖3 為在滾邊路徑上設(shè)置的Tag。

圖3 滾邊路徑上的Tag

3.3 夾具運動建模

機器人在進行滾邊工作時，滾輪沿著門蓋的輪廓運動，滾邊工具以及機器人會和夾具干涉相撞，因此有必要讓夾具打開而避免這種情況發(fā)生。在Device Building 模塊中Device Building 工具條建立機械裝置。先把BRACKET 和氣缸缸體固定作為運動的基體，然后定義其他約束類型，本系統(tǒng)采用的TUNKERS 氣缸已經(jīng)把活塞桿的直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，故只要將ARM、CLAMP 等零件作為整體繞氣缸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)即可，旋轉(zhuǎn)角度不能過小，過小導(dǎo)致板件不能取放以及會與機器人干涉。最后加一個角度驅(qū)動就能實現(xiàn)夾具的開閉。如圖4 為設(shè)置好夾具動作的夾具系統(tǒng)。

圖4 夾具系統(tǒng)

3.4 連續(xù)運動仿真

在TCP、Tag 和夾具開合動作都建立之后需要對機器人進行示教，觀察TCP 在經(jīng)過各個Tag 點時機器人的位姿是否在一個正常范圍內(nèi)，在DELMIA 中Teach指令顯示有六軸狀態(tài)一般要求保證機器人在整個工作過程中各個軸角度的極限必須比軟限位或硬限位至少小5 度(也可以通過設(shè)置機器人Soft Limit 方式自動檢測)，在工作位置到極限位置至少有100mm 的余量，4、6 軸不能共線也就是避免路徑中存在奇異點。圖5 為機器人示教窗口。

圖5 機器人示教(左圖是示教面板 右圖是機器人六軸狀態(tài))

使用Workcell Sequencing 模塊的Insert Activity指令在PPR 樹的Process 下建立兩個動作庫，在PERT圖表里將三個動作排序連接。如圖6 為PERT 圖表。

圖6 PERT 圖表

將第一個和第三個動作庫和機器人任務(wù)連接。最后，利用Set an Active Task 指令對第一個和第三個動作指定一個Robot Task，通過Process Simulation 指令就能輸出連續(xù)的仿真過程了。圖7 為連續(xù)運動仿真。

圖7 連續(xù)運動仿真

3.5 節(jié)拍驗證

通過Open Gantt Chart 可以看到整個工位的節(jié)拍分析圖。圖中可以看到滾邊工程所用的時間t＇。如果t＇ ＞T1，表示滾邊屬于超負荷運轉(zhuǎn)，在這種情況下可以采取改變滾邊工藝即90°→45°→0°、提高機器人滾邊速度或者增加一臺機器人等。如果t＇ =T1，這是最理想的狀態(tài)。如果t＇ ＜T1，表示在節(jié)拍里還有一定的空閑時間。圖8 為甘特圖，出中可以看到整個工位的節(jié)拍。圖中可以看到t＇ =83s，而理論節(jié)拍T1為85s，故滿足節(jié)拍要求。

圖8 節(jié)拍分析圖

4 離線編程

機器人離線編程是利用計算機圖形學(xué)的成果，在計算機中建立機器人及其工作環(huán)境的仿真模型，通過對圖形的控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進行編程，進而產(chǎn)生機器人程序，該程序可在機器人控制器上在線編程［3］。滾邊由于其工藝的特殊性采用示教編程時示教人員很難掌握滾邊的速度，每次壓合的角度，滾邊力等等，以至于滾邊產(chǎn)生各種缺陷，造成不必要的損失。利用離線編程技術(shù)大大減少工人的勞動強度，提高編程效率及滾邊質(zhì)量。

對輸出的完整仿真動作進行研究，如果機器人動作合理，與夾具配合程度好以及節(jié)拍滿足要求，則可以使用DELMIA 的Robot Offline Programming 模塊的Offline Programming 工具條可以生成離線程序。該離線程序可以直接導(dǎo)入現(xiàn)場機器人控制器里，進行設(shè)當?shù)默F(xiàn)場標定即可。

5 結(jié)束語

門蓋的滾邊技術(shù)是白車身焊裝線的一項關(guān)鍵技術(shù)，滾邊質(zhì)量的好壞直接影響汽車的外觀和精度，通過采用機器人滾邊技術(shù)能精確控制滾邊的各項工藝參數(shù)從而保證滾邊質(zhì)量。

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