基于Process Simulation的機器人裝配工位的應用研究

于斌， 張佳俊， 柳躍雷， 黃濤， 陳成

(重慶長安汽車股份有限公司制造中心，重慶401133)

0 引 言

隨著智能化與信息化的到來，越來越多的機器人被投入到汽車裝配領域，因此在生產線設計階段就需要對機器人的運動進行仿真分析。

Process Simulation集成了真實機器人的仿真技術，它可以在虛擬的裝配環境中對不同類型的機器人進行仿真，因此在設計階段就可以對機器人的運動路徑、布局和生產節拍進行規劃[1]，從而達到減少實際生產線機器人裝配工位的調試時間和成本的目的。

1 仿真數據的準備與打開

打開Process Designer，在個人工作文件夾中新建Studyfloder節點，在該節點創建RobcadStudy節點，并按照工位號和名稱重命名。將需要進行驗證的東西（資源樹、操作樹、產品、焊點等），手動拖入RobcadStudy中（如圖1），完成仿真前的數據準備[1-3]。

在Process Designer中，選擇對應需要進行仿真驗證的RobcadStudy文件夾并右擊Open with Process Simulate in Standard Mode命令，運行Process Simulate并加載RobcadStudy中的仿真數據，這樣就進入了Process Simulation的仿真環境中。

圖1 仿真文件夾

2 機器人裝配工位仿真

2.1 夾具的定義與安裝

當裝配工位布局完成并進入Process Simulation中后，首先要對機器人的夾具進行機構的動作定義[4]，此時需要將夾具激活。如圖2所示，選中擰緊機構，并點擊【Modeling】、【Set Modeling Scope】，此時擰緊機構的資源節點變成紅色的M，代表數據處于可編輯狀態。

接下來，對夾具進行動作的定義，在Kinematics Editor 界面中（如圖3），選中黃色的零部件定義為變位機構，綠色的零部件為滑軌底座，將二者連接起來并定義它們之間的運動關系（如圖4），在關節屬性界面可以定義運動關系、方式、行程、速度、加速度等參數，此時仿真中的夾具與實際生產過程中夾具的動作保持一致，保證了仿真結果的真實性和可靠性[5]。

圖2 夾具激活及其狀態顯示

圖3 夾具機構定義

圖4 夾具機構運動關系

對機器人夾具進行類型的定義，例如Gripper、Gun、Servo Gun等類型，并設置TCP坐標和基礎坐標（如圖5），此夾具定義為Gripper，將TCP1定義為機器人和夾具運動的TCP坐標。

設置完成后，將夾具安裝于機器人上（如圖6），選擇機器人和與之對應的夾具，選擇機器人的安裝坐標和機器人夾具的安裝坐標，二者相互配合，將夾具安裝到機器人上。

圖5 夾具類型定義及坐標設置

圖6 機器人夾具安裝

2.2 機器人路徑規劃

2.2.1 機器人移動及路徑選擇

機器人和夾具的移動都是以機器人TCP坐標為基準點，選中機器人，并點擊【Robot】、【Robot Jog】，可以進入Robot Jog界面（如圖7），可以直接拖動圖中的坐標進行機器人的大方向移動，也可以在此界面上的Translate和Rotate上進行機器人位置的微調，通過以上2種方式就可以對機器人的路徑進行規劃。

如圖8所示，機器人路徑坐標的選取有兩種方式：1）添加當前坐標（Add Current Location）。

此方法適用于將機器人拖動到一個合適的位置并添加當前坐標。2）添加已有位置（Add Location By Pick）。此方法適用于已知機器人具體路徑位置的情況。

通過機器人的移動及路徑坐標點的選擇[6-7]，機器人的工作路徑就已經初步規劃完畢，如圖9所示。

圖7 機器人移動方式

圖8 路徑坐標選擇

圖9 機器人路徑坐標

路徑初步規劃完成后，利用干涉檢查工具確定機器人、工位設備、工裝及零部件之間是否存在干涉。如圖10所示，選擇要進行干涉檢查的項目（工位的防護圍欄和機器人夾具），若存在干涉，則需要對機器人路徑重新進行規劃。

2.2.2 機器人路徑優化

當機器人路徑規劃完成后，首先需要對路徑進行可達性分析，判斷選擇的路徑坐標機器人是否可以達到，點擊【Robot】、【Reach Test】，將規劃好的機器人坐標添加進去（如圖11），圖中坐標后都為，代表坐標位置機器人都可以達到。

可達性分析結束后，需要對機器人的關節進行分析，因為有些位置機器人雖然可以到達，但是可能此位置不屬于機器人的理想工作范圍內，長時間移動到此位置對機器人的傷害較大，右擊機器人，選擇Robot Viewer模塊，這個模塊可以實時顯示機器人6個關節的角度位置并且可以判斷機器人移動過程中是否在理想范圍內（如圖12），從圖中可以看出，此位置下機器人的第二軸j2已經超出了理想范圍，因此需要重新規劃路徑。

圖10 干涉檢查

圖11 可達性分析

圖12 Robot Viewer界面

2.3 機器人工位節拍

在機器人路徑規劃完成后，根據實際情況需要對機器人的控制器進行選型。控制選擇完成后需要對其運動方式進行設置，機器人有LIN、PTP和CIRC等3種運動方式，分別為線性、關節和弧線運動（如圖13）。

圖13 機器人參數設置

當機器人的控制器和運動方式設置完成后，仿真過程與實際生產基本一致，因此仿真計算節拍有很強的參考價值，可以針對性地對機器人裝配工位的生產節拍進行統計，對各機器人的工作量進行評估和平衡，最大限度地提高節拍和機器人使用率[8]。

3 機器人裝配工位規劃方案

通過對Process Simulation的應用研究，機器人裝配工位已經形成了一套完整的數字化規劃方案（如圖14），將工藝規劃階段、仿真驗證階段與產品設計連接起來，對以后工程的實施有著重要的指導作用。

圖14 數字化規劃方案

4 結 語

通過Process Simulation對機器人裝配工位的仿真，有效地驗證了設計方案的可行性，避免了成本浪費。

在生產線規劃過程中，利用精確的仿真技術，實現了對機器人裝配工位的規劃、設計，充分考慮了規劃設計中的工藝可行性，預見了項目存在的風險，縮短了機器人的實際調試周期。