基于PDPS的車門密封條滾壓設備設計及工藝仿真研究

陳曦

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130000）

1 前言

車門密封條粘接是車輛裝配過程中的重要工藝，粘接質量直接影響車輛的密封性能和噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise Vibration Harshness，NVH）性能，直接影響客戶體驗。由于車型產品的多樣化，總裝混線生產的車型增多，對于車門密封條粘接的柔性要求更高?；谏鲜龅亩喾矫嬉蛩兀持鳈C廠計劃采用工業機器人自動滾壓粘接技術替代傳統手工上料，并引入半自動壓盤粘接的技術，提高人員效率、生產線柔性和自動化率。

本研究利用PDPS 軟件進行車門密封條滾壓設備的設計和仿真驗證，論證了工藝規劃的可行性。

2 產線結構[1]

本項目旨在設計一套全自動車門密封條粘接和滾壓系統。在車門分裝線，車門總成吊具通過升降機放置在水平輸送的輸送線體（Elektrohaegebahn，EHB）上，該設備負責完成固定在車門吊具上的左右側前后4 個車門密封條的粘接及打孔工作，如圖1 所示，作業流程為：0010 快進；0020 左側和右側各一個車門的粘接；0030 左側和右側剩余車門的粘接；0040 打孔；0050 快出。

圖1 工位布局方案

系統共5 個工位，第1 個工位為快進和車型識別工位，第2 個工位為左右前門的密封條粘接工位，第3 個工位為左右后門的密封條粘接工位，第4 個工位為四門的流水孔鉆孔工位，第5 個工位為快出工位，布局如圖1 所示。

本系統主要包括工業粘接機器人4 臺、工業鉆孔機器人2 臺、視覺識別系統6 套、電控系統3 套、電氣系統1 套（包括機器人控制柜和PLC 柜）、車門定位系統4 套、車門吊具定位系統3 套、車型識別系統1 套、安全系統1 套、吸塵器4 套。

系統的設計要考慮生產現場實際情況，如生產線工位空間和運行節拍，還要考慮車門密封條滾壓對于質量的要求，如密封條的軌跡和接口位置需按照零件設計要求執行，最后要考慮工藝的可行性，如工藝運行過程中是否存在機構干涉以及生產節拍中是否存在時間的浪費等。

3 建立仿真工位模型

3.1 創建項目和資源節點

首先在Process Design 中建立新仿真項目，同時在項目資源節點下創建標準的資源格式，包括產品庫、焊點庫、資源庫、工藝庫、個人文件夾，如圖2 所示。

圖2 創建項目資源

3.2 資源庫建立

創建仿真模型涉及的所有資源庫，包括產品零件、焊點、設備數據等相關信息。此前需要對數據進行處理，將其轉化為.jt 格式，同時在外層以.cojt 格式建立文件夾。

將車型產品的數據導入產品庫，包括4 個車門和相應粘接的密封條零件的數據Engineering Part Library，如圖3 所示。將密封條粘接軌跡提取成一條連續的線，定義為連續焊點，導入焊點庫MfgLibrary，如圖4 所示。將其他設備相關的數據導入資源庫Engineering Resource Library，如圖5 所示，包括工業機器人（KR150R2700）模型、粘接頭模型、打孔頭模型、車門夾緊機構模型（上方1 處、底部2處、側面1 處）、車門吊具夾緊機構模型、車門吊具模型、電控柜模型、安全圍欄模型、顯示屏模型、吸塵器模型、平面圖模型及工位布局涉及到的資源模型等。

圖3 導入產品

圖4 創建連續焊點

圖5 設備資源導入

3.3 創建生產線結構

創建生產線結構是仿真最基礎的設計，包括確認數據資源以及資源、產品、焊點的關聯。將本次工藝仿真需要的產品和資源拖入到工藝庫Prline 中，如圖6 所示，將仿真需要的滾壓機器人分別與滾壓頭關聯、鉆孔機器人分別與鉆孔頭關聯。

圖6 產品和資源導入

3.4 建立工藝操作

建立工藝操作是將產品、資源、操作按照結構樹中資源的工藝流程的順序關聯，需要把零件、焊點、資源等分配到相應工位和具體的工具上，同時根據2D 工位平面圖，將各個3D 資源和產品移動到正確的位置上，形成完整的仿真工位和仿真工藝設計，如圖7 所示。過程中需要考慮到生產線的基礎條件，將所有的機器人、開卷設備、緩存設備、夾具和定位機構以及其他附屬設施比如圍欄、吸塵器、顯示屏、電柜等在有限的平面布局內合理布置，確保整個系統靜態布局能夠符合生產線的要求。

圖7 設備工位設計

4 仿真操作

在Process Design 中完成上述操作后，需要轉到Process Simulate 中進行具體的仿真配置。

4.1 工具屬性和運動定義

機器人與夾具的關聯（滾壓頭和鉆孔頭）需要定義屬性和運動，首先在夾具和機器人匹配的平面創建坐標系，通過Mount Tool 命令將機器人與滾壓頭關聯。然后需要對每一個夾具進行運動機構的定義，具體是指定義夾具中各個運動部件以及運動關系，如圖8 所示。

圖8 夾具運動機構定義

4.2 設計工藝模擬

按照實際工藝流程對于所有相關設備和零件進行工藝模擬，包括夾具的運動，機器人的軌跡等，這是整個模擬系統設計中最重要的環節，要將整個生產工藝過程在軟件中進行完整設計。設計工藝模擬包括工藝順序流程和各個流程中每個機構的具體運動。

4.2.1 工藝流程設計[2]

本次涉及的工藝過程主要分為機器人的工藝過程和吊具夾具的工藝過程。首先是機器人的工藝過程，以粘接機器人為例，機器人至車門內板一定距離時，使用視覺相機對車門進行拍照，分析出車門的實際位置，粘接機器人根據車門位置的偏移量確定密封條粘接的起始位置，移動滾壓頭至起始位，并按照粘接軌跡運行一周（密封條起始位置和粘接位置由零件設計部門提出，是機器人軌跡設計的基礎），完成密封條的粘接工作，最后控制滾壓頭在終點和起點相連位置切斷密封條零件后，機器人退出并返回原位。

車門吊具和夾具的工藝過程是吊具載體運行到車型識別位置停止，讀寫頭讀取吊具載體信息，激光傳感器照射車門特征點確定車門信息，比對一致后，吊具放行，運行至滾壓工位停止位后停止，5 處夾具分別固定車門和車門吊具，執行滾壓操作后，所有固定夾具打開，車門吊具放行至下一工位。

4.2.2 夾具動作和機器人軌跡設計

夾具的運動分為打開、閉合和旋轉3 種狀態，根據工藝流程對車門固定夾具和車門吊具固定夾具的動作進行設置。

機器人軌跡是指機器人在運動過程中所經過的路徑，路徑是由軌跡點組成的。滾壓機器人的軌跡由初始原位、視覺識別拍照位、滾壓位置等組成。在Path Editor 窗口中設計軌跡。通常Home 位對應機器人的初始原位，視覺識別拍照位置根據實際相機拍照位置確定，本項目參考工業攝像機的一般拍攝距離（500 mm）設計。此次機器人軌跡設計中，比較特殊的是滾壓位置的軌跡，由于是一條連續的軌跡，軌跡以連續焊點的形式保存，需要先將機器人拖動到在焊點起始位置，選擇需要尋找的焊點，然后使用跟隨模式，根據每一個拆分的位置，按照實際情況進行機器人姿態的調整。根據零件產品設計的粘接要求，所有軌跡點應保證滾壓頭的接觸面與密封條零件的粘接面法向重合，保證滾壓力垂直施加在作用面上。工藝流程如圖9 所示。

圖9 機器人軌跡設計

4.3 設計仿真時序

在PDPS 仿真軟件中，生產線或工位的規劃一般都是基于時序驅動設備的聯動仿真，在軟件左側Operation Tree 窗口中有仿真時序節點，仿真時序節點可以是一個獨立操作，也可以是機器人整個路徑，還可以是一個完整的工位。本仿真時序是一個完整的工藝操作，包括5 個工位。在Sequence Editor 中，可以分別設置每一個獨立設備的運行時間，并通過指向箭頭表示工藝操作中設備運行的先后順序，對相關聯的設備進行連接和調整。所有設備的運行順序都需要與實際工藝操作流程和邏輯保持完全一致，如圖10 所示。

圖10 仿真時序設計

5 工位模型仿真分析

5.1 碰撞干涉檢測[3]

對于虛擬仿真，碰撞檢測設置是必不可少的步驟，通過設備或機器人在動態運行過程中自動檢測是否發生干涉可以提前規避方案設計階段發生的缺陷，提前預知設計方案的風險，提升設計效率。

碰撞檢測功能在軟件窗口“Collision Viewer”中進行設置，添加檢測主對象和可能發生碰撞的對象，例如檢測機器人滾壓頭和車門固定夾具是否存在空間干涉，如圖11 所示。

圖11 碰撞檢測設計

5.2 工位模型仿真

碰撞干涉檢查設置完成后運行工藝操作路徑，工藝仿真按照所創建完的時序路徑進行模擬，設備運行期間所發生的干涉現象在碰撞界面上以紅色顯示，同時也可以設置檢測到干涉區停止仿真，更加方便直觀看到方案設計的風險點，如圖12所示。例如本工位通過仿真驗證發現主要存在機器人滾壓頭與車門鉸鏈處的固定氣缸干涉，需要對車門固定機構位置進行調整。

圖12 滾壓頭運動干涉檢查

系統的整體仿真運行情況記錄在表格中，如圖13 所示，主要包括運行時間、運行速度、運動空間等，是評價整個系統運行的重要數據。

圖13 仿真結果記錄

5.3 機器人仿真路徑優化

機器人路徑仿真對于設備現場安裝、調試起到非常重要的作用，優化機器人軌跡能夠減少機器人軌跡的運行時間，優化機器人節拍，機器人路徑在規劃階段需要考慮機器人運行過程中避開障礙物，從而能夠獲得在空間中最優的路徑。從仿真過程中機器人姿態觀察到，在后門C 柱區域機器人滾壓頭與后側車門夾緊機構距離過小，機器人多次調整姿態避讓，浪費工時，因此對夾緊機構位置進行了調整。

6 結束語

基于PDPS 的系統設計，能夠在虛擬環境下確認設備系統設計合理性，具體如下。

a.確定系統功能，能夠完成滾壓和打孔的工藝操作；

b.確定平面布局，能夠滿足實際生產線的基礎結構要求；

c.確定生產節拍，在標準滾壓速度不超過330 mm/s 條件下，系統工位節拍滿足實際生產線節拍要求。

通過PDPS 仿真，不僅可以提前對設備靜態布局合理性進行檢查，同時還能夠識別在系統運行過程中的干涉問題，做到提前識別風險，從而找到設計的優化點。

系統地闡述了車門密封條滾壓設備的工位設計、工藝設計和工藝仿真，首先確認了使用機器人完成密封條滾壓粘接的可行性，同時通過PDPS 軟件虛擬仿真驗證過程，使工藝流程和機器人路徑規劃更加清晰、明確，提前解決了設計階段的問題，提高了設計準確度，降低了在實際現場出現調試問題的風險。作者借助數字化手段使得虛擬環境與現場更貼近，對實體行業縮短設計周期、提高生產質量及創造無限設計可能提供了參考，該方法在生產制造企業中的推廣，有利于依據智能化生產車間的自動化系統推動生產力的提高，從而提升工作效能及方便處理傳統式工廠運營效率的短板。