探討白車身焊接機器人的焊接路徑優化方法及仿真分析

韋樂樂 朱騰權

【摘 要】作為車身加工的重要環節，焊接水平高低直接關系白車身的質量情況，是提高整個汽車生產效率的關鍵環節，對企業的長遠發展產生重要影響。但是，在焊接過程中，每臺機器人需要焊接位置的很多。可見，探究焊接路徑的優化方法顯得尤為重要。然而，現階段，我國汽車企業在路徑優化方面的技術仍然處于落后狀態，普遍存在作業順序不當的問題，最終影響汽車生產節拍。為此，本文基于遺傳算法，構建數學模型，分析焊接路徑的方法，并且編寫相關的軟件，最后進行仿真，以發那科點焊機器人作為案例，將證實該路徑是可行的，旨在強化行業交流，為提高國內機器人焊接提供借鑒。

【關鍵詞】白車身焊接 焊接路徑優化 仿真分析

1 前言

白車身具有較多的零部件，是一個相當復雜的結構。據統計，它的零件制造占汽車全部零件制造的比重高達40%-60%，沖壓零件約600個，而焊接工位多達60-77個。在生產過程中，白車身含有約2500個裝夾定位，4500個焊點。由于白車身對汽車具有重要支撐作用，而焊接難度很大，因此對其焊接路徑進行優化具有重要意義，也是提升汽車質量的重要舉措[1]。通常情況下，它的焊接含有車門、側圍、地板等焊接，常見的方法包括激光焊接、螺柱焊接、電阻焊接等。為了提高白車身焊接技術，提高企業的經濟效益，很多汽車企業逐漸傾向于選取焊接機器人來完成對白車身焊接工作，該種方法也是汽車制造的領先技術。本文針對機器人焊接路徑進行探討，制定優化方案，并進行仿真。

2 焊接路徑優化方法

2.1 生產過程

優化焊接路徑本質上屬于探究機器人焊接用時最短的路徑。研究表明，優化焊接路徑需要考慮很多因素，例如焊接變形情況、焊鉗、焊點位置等。為此，要想制定優化路徑的方案，相關人員應當對其焊接生產過程進行全面了解。結合筆者經驗，本人認為焊接路徑主要分析制造資源、點焊工藝、零件這三個對象[2]。研究表明，白車身生產過程為：定位并通過工具將其夾緊、移動焊鉗至焊接位置、焊接、移開焊鉗，將工具松開。在整個生產過程中，機器人主要工作是點焊在每個夾具中的零件，而為了確保每臺機器人正常作業，因此他們的作業原點也有所不同。通常情況下，焊接好焊點后，機器人都會自動移動到規定的焊點，最終移動到作業原點[3]。由上述可知，機器人具有兩種運動：一是焊點與作業原點間的移動，另一種是焊點間的移動。兩種運動形式本質上都屬于點到點運動，該種運動無具體運動軌跡，只是涉及到目標位置以及起始位置[4]。

2.2 明確優化方案

經過分析，本研究設計路徑優化方案詳見圖1。由圖1的路徑方案可知，要想實現縮短生產周期的目的，就應當縮短機器人焊鉗移動時間和焊接消耗時間。其工位主要在兩方面消耗時間：一是機器人進行焊點間移動需要消耗時間，二是焊接工作消耗時間。由于最后完成焊接工作的機器人對焊接時間產生重要影響，因此可通過以下兩種方式來縮短耗時：一是合理安排每個機器人焊接順序，最大限度減少其作業時間；二是采用多臺機器人聯合焊接，合理安排任務量，避免分配不均的情況。由于路徑優化方式是基于任務分配，因此只能通過細化每個機器人所承擔的任務量來實現縮短工時的目的[5]。

2.3 數學模型

由上述生產可知，要想完成焊接工作，機器人應當從規定的原點開始，逐漸焊接夾具上的每個零件。由于每個焊點對車身質量都會產生影響，因此必須確保機器人按時按質焊接全部的焊點。為了簡化模型，在基于模型科學的基礎上，本次研究所設計的模型必須符合以下兩個條件：一是焊點應當比較接近TCP真實移動長度；二是倘若機器人在焊點間移動，則可對其距離取平均值。由于進行路徑優化的對象是制造資源、工藝以及零件，因此本次研究構建如下模型：

其中，制造資源、工藝、零件這三大對象的表達式分別記做、、，而數學算法記做。而每個對象的含義也有所不同。其中指的是零件焊點的信息數據；指的是焊接變形情況；指的是機器人的運動、焊接原點、干涉問題等情況對路徑優化產生影響。本次研究綜合分析各種數學算法，最終選取遺傳算法進行路徑優化，其具有如下優勢：最大限度查找最優解；將定性、定量兩種分析方法進行有效結合；可合理安排機器人的作業順序；計算比較簡易，進而實現節約計算時間的目的。

2.4 基于遺傳算法進行設計

本文主要從兩個方面分析該項設計：一方面是編碼情況。該方案設計焊點共計m個，并且將其分配給每臺機器人，同時自行產生長度為m的一串基因編碼，而每個基因座都與獨一無二的焊點對應。另一方面是選遺傳操作。從以下三點進行分析：一是選取算子。在選取算子方面，遺傳算法中存在很多方法，而本次研究選取輪盤賭法。研究表明，將該種方法應用于算子選取過程中，個體選取可能性越大，適應度也會越大；二是選取正確的適應度。在遺傳算法的使用過程中，設計人員應當將該函數設置為正值。由于路徑優化方案的函數是為了探究機器人用時最短的方案，因此該函數等于機器人耗時的倒數，也就是F=1/Tmin；三是交叉。本次研究從中隨機抽取兩個單獨個體，并且研究兩點交叉。

3 仿真分析

由于CATAI軟件可構建零件清晰、具體的三維模型，并且可仿真其焊接的運動軌跡，因此本次研究通過CATAI軟件進行仿真。仿真工作的技術路線大致為：建立數學模型-輸入焊接路徑方案-對路徑方案進行仿真-仿真結果。其中，可進行進行離線編程，最后編寫機器人程序。

本文將汽車下車體點焊機器人工位的第二臺焊接機器人作為案例。（1）構建模型。在仿真工作前，技術人員應當構建側圍工位的相關模型，該模型含有下車體、焊點等數據模型。（2）進入DMU單元進行路徑仿真。具體來說，先幫助焊接機器人創建驅動命令、固定桿等，然后進入模擬仿真的界面，通過Mechanism選項，選取本次研究模擬機構，并且設置速度為36°/s，其中通過Command/Angle來設置驅動命令。（3）設置步驟。在本次研究通過Number of steps選項來完成對于步驟的設置，模擬運動過程中，操作與操作間的時間秒數等于機器人行程總數與步數的商。倘若時間間隔秒數為20s，步驟數總計200，則20s/200=0.1s的時間會形成一個畫面。然而，值得注意的是，在干涉分析前，仿真人員應當添加干涉項目，此操作可通過Analysis選項實現，具體見圖2。經過仿真該工位事實上要求生產節拍時間是119s，但是實際為109s，經優化，該工位機器人的焊接效率明顯增加13.9%。路徑仿真結果表明，全部都未出現干涉情況，而且仿真時間較短，進而縮短機器人的生產耗時，證明該優化方案是可行的。

本次研究為優化機器人焊接順序提供借鑒，然而還存在很多問題值得思考。例如，在優化作業順序過程中，路徑還受到諸多影響的影響，特別是焊接地點的設備布局情況，原因在于每個機器人都是不會出現變動，只是其六軸發生改變。由此可見，倘若零件位置出現變化，則機器人難以按照預定設計完成焊接工作，對路徑造成嚴重的負面影響。為此，優化路徑不僅需要改善機器人的焊接運動軌跡，而且需要對其進行合理布局。

4 結語

機器人焊接已經成為汽車白車身焊接的重要方式，但是目前機器人作業順序的安排方法仍然比較落后，延長整個生產周期，不利于提高汽車企業的生產效率，進而不利于企業的長遠發展。為此，本次研究通過遺傳算法設計路徑優化方案，制定焊接路徑模型，并且通過CATAI軟件進行仿真來證實方案的可行性，為行業優化機器人焊接路徑提供借鑒，有助于汽車企業提高白車身的焊接質量，從而促進其經濟效益提高。

參考文獻：

[1] 宋林森，杜紫微，郭好杰.汽車白車身機器人焊接路徑優化技術研究[J].制造業自動化，2013（17）：62-64，73.

[2] 林巨廣，戴淮初，孫光，等.基于Delmia白車身側圍焊接的仿真分析與研究[J].組合機床與自動化加工技術，2013（11）：99-102.

[3] 孫秀玲，侯志剛，石運序.Robcad在機器人焊接路徑干涉中的應用[J].機械工程師，2015（11）：129-130.

[4] 姜宇，張麗.基于GA及ROBCAD的機器人路徑規劃與仿真研究[J].組合機床與自動化加工技術，2015（06）：105-108，112.

[5] 陳立，謝富強，張亮.基于消除交叉點的蟻群算法錫焊機器人路徑優化[J].計算機系統應用，2015（07）：254-258.