基于Process Simulate的焊裝前地板生產線工藝規劃與仿真驗證

文／徐海搏，劉久月，吳政勛，董文彬，王亭力·一汽模具制造有限公司

近年來，隨著計算機技術的不斷成熟，在工廠的生產制造中，數字化技術應用十分普遍。使用數字化工廠技術可以將產品設計、線體生產制造等過程在虛擬的環境中完成，并對此進行優化。在焊裝生產線工藝模擬仿真中，西門子旗下的Process Simulate(以下簡稱“PS”)是比較常用的軟件之一，本文對于某國內豪華自主品牌的前地板生產線工藝規劃與仿真驗證就是基于這款軟件。

前地板工藝規劃

工藝規劃設計

傳統生產線工藝規劃設計基本上以單車型和雙車型為主。而本文的生產線設計目標是多種車型混線生產，可以保證同時生產A、B、C、D 四款車型?，F階段主要生產A 車型，A 車型又分為A1、A2 和A3 三款。A 車型前地板主要由兩大分總成構成，第一分總成是前地板面板總成，第二分總成是由四根梁架搭接而成的井字梁總成。A1、A2 和A3 三款車型的區別在于面板上電池包的梁架不同，如圖1 所示。前地板總共44 個定位點焊，涂膠長度1760mm，其中1050工位16個定位點焊，1070工位28個定位點焊。因為車型較多，預留空間較大，所以增加了4 條行動軸來搬運產品。

A 車型前地板焊裝線的規劃布局如圖2 所示，工藝流程如下。

圖 1 三款車型結構對比

圖2 前地板焊裝線的規劃布局

⑴1010 工位：人工上A 車型前地板面板總成。

⑵1015 工位：R1 機器人從1010 工位取件，涂膠后放入1060 轉臺。

⑶1030 工位：人工上A 車型井字梁總成。

⑷1045 工位：R2 機器人在1030 工位取件后放入1050 工位夾具。

⑸1050 工位：R3 ～R6 四臺機器人進行定位點焊，每臺機器人焊接4 個定位點。

⑹1055 工位：R7 機器人從1050 工位取件后放入1060 轉臺。

⑺1065 工位：1060 轉臺轉動180°后，R8 機器人從1060 工位取件并放入1070 工位夾具。

⑻1070 工位：R9 ～R12 四臺機器人進行定位點焊，每臺機器人焊接7 個定位點。

⑼1075 工位：R13 機器人從1070 工位取件，打碼讀碼后放入1080 工位Buffer 上，Buffer 將前地板傳輸到下一工位線體中；又或者打碼結束后，機器人將前地板放入1080 的下料口。

B 車型在工藝上與A 車型有些許不同，工藝流程如下。

⑴1020 工位：人工上B 車型中通道。

⑵1015 工位：R1 機器人從1020 工位取件，涂膠后將面板放入1022 中轉臺。

⑶1040 工位：人工上B 車型前地板面板。

⑷1045 工位：R2 機器人從1040 工位第一次取件，再去1022 工位第二次取件，兩次取件結束后，將產品放入1050 工位夾具。

⑸1050 工位：R3 ～R6 四臺機器人進行定位點焊，每臺機器人焊接7 個定位點。

⑹1055 工位：R7 機器人從1050 工位取件并放入1060 工位的轉臺上。

然后1060 轉臺轉動180°，R8 機器人從1060 轉臺上取件，后續工藝和A 車型一致。C 和D 車型將在后續的改造項目中，陸續融入A 和B 車型中。

機器人選型

本項目采用ABB 品牌機器人，在滿足工藝的前提下，機器人各軸負載率需要控制在85%以下，以保證機器人可以正常使用。前地板工藝共需要5 臺搬運機器人，8 臺焊接機器人，經RobotLoad 計算后，選用了4 臺IRB7600_325_310 機 器 人，4 臺IRB6700_235_265機器人，5 臺IRB6700_245_300 機器人。

計算負載時，主要考慮三個因素：機器人管線包的質量和慣性矩，快換盤的質量和慣性矩，帶產品的抓具質量和慣性矩。圖3 為R1 機器人抓取A1 產品的負載結果。

圖3 R1 機器人抓取A1 產品的負載結果

節拍計算

本項目計劃產能為年生產30 萬輛，年工作300天，每天2 班，每班工作時長8 小時，設備使用率88.5%。

有效工作時長：F=H×N×D×S，其中，F 為有效工作時間，H 為每班工作時長，N 為每天班數，D為每年工作天數，S 為設備使用率。代入以上數值后，得出F=8×2×300×88.5%×60×60=15292800s。在滿足項目設計要求的情況下，每輛車的生產節拍：P=F/Q，式中，P 為生產節拍，F 為有效工作時長，Q為產能。代入數值后，生產節拍為51s。

Process Simulate 應用

焊槍選型與定義

⑴焊槍選型。

焊槍選型需要考慮諸多因素，主要為以下四點。

1)通過焊接點位置確定焊槍選擇C 型還是X 型焊槍。

2)通過焊點和夾具的位置關系，確定焊槍喉深和喉寬。

3)通過機器人焊接姿態，確定焊槍和機器人的連接方式。

4)和焊接廠家商討，焊槍的極臂是否能滿足焊接壓力。

本項目采用都銳(Duering)電伺服焊槍，因有A、B、C、D 四款車型混用，為滿足焊接壓力和焊接姿態，故而選用喉深800mm，喉寬420mm，最大焊接壓力4500N，最大開口角度16.5°的X 型焊槍，采用16mm×25mm 修磨量為12.5mm 的電極帽。焊鉗圖紙如圖4 所示。

圖4 焊鉗圖紙

⑵焊槍模型定義。

焊槍在CATIA 中建模完成后，需要將焊槍數據導入PS 中，并建立運動機構，用于后續的模擬仿真工作。

1)選中焊槍，在Modeling 模塊下選擇Set Modeling Scope 模塊。

2)在焊槍可編輯的情況下，選擇Kinematics Editor 模塊，建立6 個子集，2 個空子集和四連桿結構的4 個子集，如圖5 所示。機器人調用空子集去控制焊槍開口狀態。焊槍四連桿結構包括靜臂、動臂、動力輸入桿和聯動桿。

圖5 焊槍機構建立

我們需要將焊槍開口角度轉換成開口距離，這樣可以更為準確的調整焊槍開口大小，以保證更為準確的模擬現場情況。轉換公式：O=2×asin［D(zange)／(2×L)］，式中，O 為焊槍開口距離，D(zange)為靜臂和空集kdummy 的直線連接方式，L 為焊槍電極帽到回轉軸的距離。據此得到本焊槍錄入公式為：O=2×asin[D(zange)/(2×892)]。

焊槍的速度和加速度默認即可。空集k1、空集kdummy 和靜臂的連接需要設置極值，用來對修磨后的焊槍TCP 進行補償，如圖6 所示。

建立焊槍的Home、TCP 和Base。Home 是焊槍工具坐標，TCP 是焊槍修磨補償坐標系，其中X 為進槍方向，Y 為焊槍運動方向，Z 為垂直靜臂方向，Base為焊槍基準坐標系，如圖7 所示。

圖 6 焊槍極值設置

圖7 焊槍工具坐標系

焊槍有HOME、SEMIOPEN、OPEN、CLOSE 四種姿態。HOME 是焊槍初始狀態，動靜臂開口值均為0；SEMIOPEN 是靜臂開口值為0，動臂開口值為30；OPEN 是靜臂開口值為0，動臂開口值為最大，即258；CLOSE 是靜臂開口值為17，動臂開口值為-24，如圖8 所示。

圖8 焊槍四種姿態

焊接路徑仿真

在PS 中，首先將焊點和產品關聯，選擇Process模塊下的Automatic Part Assignment 自動關聯。需要注意的是，焊點關聯產品時不能關聯過多，以防產品投影后，焊點無法投影成功。接著將產品投影到工位器具上。選中產品，點擊Multiple Part Appearance，設置好投影的位置和關聯的操作后，產品和焊點投影成功。然后我們就需要制作焊接路徑，使用PS 中Operation 模塊下的Add Location 模塊即可完成。機器人軌跡制作需要注意以下幾點。

⑴軌跡中，機器人各軸需要預留10%的余量。

⑵機器人工作時，各軸姿態盡量保持一致、動作連續、動作變化小。

⑶機器人運動過程中，焊槍和夾具最小距離應該大于3mm。

⑷機器人運動軌跡盡量避開干涉區。如果必須有，可以調整機器人運動順序，利用時間差，使機器人錯位工作，節約工位節拍。

⑸機器人和周圍設備的距離大于100mm，周圍設備包括圍欄、周邊機器人、行動軸、涂膠支架等設備。

⑹軌跡的初始位置應避開其他機器人工作區間，不能和其他機器人有干涉區。

⑺軌跡結束時，機器人應回到初始位置且各軸姿態均和初始姿態保持一致。

⑻機器人修磨時，修磨路徑不能和其他機器人有干涉區。

機器人干涉檢查

在前地板設計中，由于存在夾具設計不合理、抓具動作順序不合理和焊接姿態不合理等問題，使得機器人與工件或夾具發生干涉。在PS 軟件中設置干涉檢查，在線調試后可以避免這些問題。主要使用到的模塊是Collision Viewer。每一個機器人需要設置三條約束，機器人和產品，機器人和夾具，機器人和周圍設備。其中，當機器人和產品、夾具、周圍設備的距離分別小于3mm、5mm、100mm 時，機器人和產品、夾具、周圍設備均會變黃提醒；當機器人和產品、夾具、周圍設備干涉時，機器人和產品、夾具、周圍設備均會變紅提醒。干涉約束設置如圖9 所示。

圖9 干涉約束設置

SOP 分析

SOP 的全稱是Sequence of Operations，用來定義焊裝自動生產線體內各個設備的工作順序。其中包含了工位內所有的操作，比如氣缸的打開與夾緊、行動軸的運動、涂膠工藝、焊接工藝等等。本項目SOP設置如圖10 所示，具體流程如下。

圖10 SOP 設置

⑴1015的R1機器人取件涂膠后放入1060轉臺上。

⑵1045 的R2 機器人取件放件后，1050 的R3 ～R6 四臺機器人同時焊接，焊接結束后，1055 的R7 機器人取件，放入1060 轉臺上。

⑶1060 轉臺轉動180°后，1065 的R8 機器人從轉臺上取件并放入1070 夾具上。1070 的R9 ～R12四臺機器人同時焊接，焊接結束后，1075 的R13 機器人取件。

⑷1075 的R13 打碼、讀碼，放入Buffer 上；又或者1075 的R13 打碼讀碼后放入下料口。

控制器設置

為了使得仿真做出的路徑更為貼近實際，在PS中給每臺機器人安裝控制器。這樣模擬出來的機器人運動軌跡和實際一樣，現場調試數據更為精確，可以減少現場機器人調試時間。控制器需要設置的有：控制器版本、機器人型號、焊點信息、涂膠信息、工具車系等信息，控制器設置如圖11 所示。

圖11 控制器設置

控制器設置完成之后，還需要在路徑中添加電子信號。在路徑中找到OLP Commands，然后將相關的信號填寫進去，填寫的語句包括機器人初始啟動、檢查是否有工具、檢測到位點是否有工件等，設置如圖12 所示。

圖12 R1 機器人取件路徑信號設置

結束語

數字化工廠出現之前，焊裝線從規劃到設計再到現場安裝調試都是根據個人經驗進行的，難免出現機器人和產品、機器人和夾具、機器人和周圍設備干涉的問題。在現場安裝調試過程中，發現各種問題后需要及時整改，涉及到夾具結構、制件擺放姿態、周邊設備布局等，從而導致整改周期長，成本增加。

本文通過PS 軟件，對某車型前地板的工藝方案進行了充分的在線仿真驗證，通過了機器人干涉檢查、夾具設計、焊槍選型、機器人選型、焊接路徑、抓放件路徑、電氣信號設置和工位內各器具等的驗證。為工藝方案、夾具結構設計、現場安裝調試提供了充分的理論整改依據，做到提前發現問題，提前解決，規避了機器人和產品、機器人和夾具、機器人和周圍設備干涉問題。極大地減少了現場電氣信號調試人員和機器人調試人員的調試和整改時間，縮短了項目周期30%～40%的時間，具有十分重要的指導意義。