基于虛擬仿真技術的懸膜中空玻璃裝配生產線設計＊

李乃崢 孫江宏② 何雪萍 何宇凡 高 鋒

（①北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192；②清華大學機械電子工程研究所，北京 100084）

隨著制造業技術逐漸完善，懸膜中空玻璃在眾多發達國家中覆蓋率已超過85%。2018年國內上線四玻三腔中空玻璃生產線，對玻璃懸窗深加工行業的發展起到推進作用。但對于生產線的布局規劃及其中關鍵部件設計缺乏成熟方案，進而使懸膜中空玻璃整體生產效率較低。生產線虛擬仿真技術可對生產線進行建模仿真，模擬機器人工作空間及機械手動作，提前發現設備干涉以及其他工藝規劃不合理等問題，并及時進行布局調整[1]。

應用虛擬仿真技術已成為機器人生產線組建的趨勢[2-4]。在生產線仿真方面，王猛等人利用Visual Components應用在新建自動化制造車間的設計中，對多種布局方案進行直觀分析評價，效果顯著[5]。Laemmle A等減少了三維仿真環境下的布局自動生成所需時間，實現自動布局生成[6]。Kousi N等人引入了能夠在動態變化的環境中與人類協作的移動機械臂，確保可分配最優資源并自動生成無沖突路徑，以此獲得車間實時狀態的有效重構方案[7]。Papakostas N等對生產線仿真進行集成處理，可減少最終確定布局和生產線設計所需的總時間[8]。 Shan D R等提出搬運機器人同步運動算法，提高了自動壓力機生產線的生產節拍[9]。

本文以雙懸膜中空玻璃系統核心組件薄膜的繃緊、焊接過程以及多機械臂協作生產線為研究對象，基于Visual Components虛擬仿真軟件模擬薄膜繃緊及焊接生產過程，通過對六軸機器人末端機械手設計、繃膜焊接工藝研究、生產線總體布局及生產線節拍計算等，動態仿真出生產線工作流程，為懸膜中空玻璃生產線規劃、多機器人協作生產提供了理論依據，對實體生產線升級改造具有指導意義。

1 基于虛擬仿真技術的生產線設計流程

基于虛擬仿真技術的懸窗生產線設計如下：

（1）根據預期性能和相關技術參數等要求，進行生產線的研究與方案設計，包括關鍵機械結構設計、生產線布局規劃和生產線工作流程規劃等[10]。

（2）利用SolidWorks三維建模軟件對機械手等關鍵結構建模，進一步將模型導入Visual Components之中。

（3）根據負載系統、驅動系統、感知系統以及控制系統等要求對工業機械臂進行選型。

（4）根據各設備的配合關系及空間姿態，對設備模型進行運動規劃，調整各執行機構的運動速度，使其生產節拍滿足設計要求。

（5）根據規劃布局對生產線進行仿真并記錄仿真結果。

（6）檢測機械臂之間是否存在碰撞、干涉等情況。分析仿真結果，調整布局方案，得出最優設計。具體設計流程如圖1所示。

圖1 懸窗生產線設計流程

2 懸膜中空玻璃生產線設計

2.1 總體生產線布局

懸膜中空玻璃生產線總體布局包括以下部分：

（1）六軸機器人，分布于5個不同工位，通過相互之間的協作完成懸窗裝配。

（2）上框設備，需要與上框機器人相配合，采用皮帶傳送帶輸送傳送繃膜框，在傳送帶上設計繃膜框定位、輸送導向和檢測及停止裝置，可以使繃膜框準確傳輸至上框位置。

（3）控制系統，以控制柜形式置于圍欄之外，便于操作人員隨時調整生產線。

（4）裁膜設備，與夾膜機器人配合，將PET薄膜裁剪成指定尺寸。

（5）下料設備，將加工完的繃膜框通過傳送帶輸送出加工區域。

（6）檢測平臺，在繃膜焊接完成后，檢測薄膜平整度。

（7）防護圍欄，其尺寸需根據生產車間規范制定，其高度不低于設備高度。在無人通過的情況下，圍欄與設備間距最小5 m，有人通過則間距最小8 m。具體效果圖如圖2所示。

圖2 懸膜中空玻璃生產線總體布局

2.2 機器人布局及工作流程

整條生產線之中最為核心的部分是各機器人的布局與配合。機器人共分為5個工位，其具體布局及運動軌跡如圖3所示。①為夾膜機器人。②為上框機器人。③為換位機器人。④⑤為左右側焊接機器人。圖中虛線為機器人動作軌跡。①號機器人在薄膜放置點夾取薄膜，運動至入位處。②號機器人在繃膜框存放點夾取繃膜框，運動至入位處，薄膜與繃膜框入位、繃膜和完成上下側薄膜焊接固定。上下側焊接完成后，夾膜機器人①的鋼框打開，向上移動一段距避開繃膜框，上框機器人②帶動繃膜框移動至換位處。換位機器人③夾取繃膜框將其送至左右側焊接工位，④⑤號機器人至繃膜框位置夾緊繃膜框完成左右側焊接。兩側焊接完成后，換位機器人抓取繃膜框將其送至下一工位。

圖3 機器人布局及運動軌跡示意

2.3 機器人選型

機器人帶動機械手入位，因此其所選型號需根據機械手參數確定。繃膜焊接機械手用于完成雙懸膜中空玻璃加工核心工藝，是生產線裝配過程中的核心部件，參考指標包括長度、寬度和質量等數據。具體結構如圖4所示，主要包括底座、線性模組移動裝置、斜坡板、磁耦合無桿氣缸、鋼框、氣囊、焊接系統以及移動裝置。

圖4 繃膜焊接機械手結構

繃膜機械手重128.75 kg，寬720 mm，長2 176 mm。因此，本文選擇安川GP-180機器人，其最大負載為180 kg，工作空間垂直可達范圍為3 393 mm，水平可達范圍為2 702 mm，以圖5所示方式與機械手連接。經過負載核算，符合裝配要求。負載核算過程如圖6所示。

圖5 繃膜焊接機械手裝配示意圖

圖6 負載核算

各機器人裝配流程包括：取膜-入位-繃緊-夾框-焊接-松開薄膜-繃膜框換位-左右側繃膜、焊接。通過設置六軸機器人S、L、U、R、B、T關節及機械手各運動關節Jx（x表示不同關節位置）實現各個機械臂與機械手的入位、換位、繃膜、焊接及松開等動作，如圖7所示。通過信號輸入輸出的變化實現抓取、釋放等動作。當輸出信號為0時，即Set OUT[a]=True時，機械手輸出抓取動作，當Set OUT[a]=False時，機械手輸出釋放動作。其中a表示不同工位輸出的信號。

圖7 MOTOMAN-GP180示意圖

通過Visual Components軟件檢測機器人工作空間，如圖8所示。仿真情況說明，所設計仿真生產線能夠連續運行模擬生產。在整體運行過程中，機器人之間無碰撞干涉。

圖8 機器人工作空間示意圖

2.4 生產節拍計算

繃膜焊接工藝段共包括取膜（上側焊接）、上框（下側焊接）、換位、左側焊接和右側焊接5個工位。根據工藝流程將各工位作業內容按各個工序劃分為作業單元，共包括30個作業單元。再根據系統中設定好的動作時間計算各個運動部件和機器人的作業時間，得出裝配作業時間表，如表1所示[11]。生產線平衡對企業生產秩序的正常運作起著重要的作用[12]。對于一條合格的生產線來說，其生產線平衡率一般要求達到 70%以上[13-14]。

表1 作業時間表[11]

由作業時間表可計算裝配線平衡率

由式(1)可知，裝配線平衡率為85%，滿足生產要求。式中：Ti為第i工 作單元作業時間；C為各工位操作總時間的最大值；N為總工位數。

3 結語

本文利用虛擬仿真軟件完成了雙懸膜中空玻璃生產線建模、繃膜焊接機器手設計、生產線布局、軌跡規劃及生產節拍計算，將機器人與專用機械手之間的接口進行連接，實現設備之間信號傳遞。最大程度仿真出雙懸膜中空玻璃的自動化生產情況。仿真結果表明：

（1）自主設計的繃膜焊接機械手可達到工藝要求。在裝配過程中其自身各部件之間不會發生干涉，與各工位機器人配合良好。

（2）該生產線可完成取膜、上框、入位、施加預張力繃緊、上下側焊接、換位和左右側焊接等一系列工序，實現了完全自動化雙懸膜中空玻璃裝配。

（3）該虛擬仿真的技術，可以以較低的成本模擬出整條生產線裝配工藝。在整體布局和生產節拍方面為其他產品自動化生產方案的優化、升級改造提供了參考。