銑削機器人加工離線軌跡仿真方法應用研究

周俊鋒，李盛良，茅衛東，王成文

1.奇瑞新能源汽車股份有限公司 安徽蕪湖 21000

2.新能源汽車輕量化技術安徽省重點實驗室 安徽蕪湖 21000

我國制造業已經從“有沒有”向“好不好”的高質量發展時代轉變，必須全面準確實施新發展理念，推進新型工業化[1～3]。

汽車產業是制造業中典型的集聚產業，具有產業鏈長、新技術迭代超前、自動化要求高及制造工序長等特點[4]。隨著汽車產業對自動化需求不斷增長，機器人在汽車零部件加工過程中的應用越來越廣泛，為快速實現機器人加工初始安裝和縮短產品切換調試周期，需借助虛擬仿真技術手段對機器人加工進行規劃，提前設計加工路徑和優化加工姿態等離線加工程序，一鍵導入現場機器人設備中，快速實現機器人銑削加工投產運行[5]。本文基于西門子Tecnomatix軟件，以新能源汽車鋁框架車身頂邊梁的機器人銑削加工為例，在工藝設計虛擬環境中進行數字化模型工藝規劃，分配工藝任務、定義資源（工裝、工具等）運動類型，在仿真虛擬環境中對工藝流程定義并對產品和資源進行分配，規劃銑削機器人加工軌跡。可以極大地提升機器人銑削產線虛擬規劃設計與離線仿真調試的工程實現方法，對機器人作業系統加工軌跡精度控制方法的研究具有重要的工程應用價值。

銑削機器人工作站工藝設計

基于Tecnomatix軟件中的工藝設計模塊，在三維環境中進行數字化制造過程規劃[6]，通過建立資源庫并導入三維數據、創建產品PBOM和加工特征、生產線工藝流程框架、銑削機器人生產線規劃布局、操作和資源分配到工位等操作步驟完成數字化機器人銑削生產線設計，實現驗證設計制造流程、節拍和制造可行性驗證，如圖1所示。

圖1 銑削工藝設計流程

1.建立資源庫并導入三維數據

新建新項目名稱（NewCar_BIW）并設置在根目錄下，并在這個目錄下創建資源庫（Libraries）、產品資源（Product）、工藝資源（Process）等若干個子目錄，如圖2所示。

圖2 創新一個新的項目及資源庫

采用CATIA等建模軟件，完成銑削機器人產線所需的產品、工裝、設備及工具等三維數據模型，將數模轉換成JT輕量化格式，按資源庫文件夾分類擺放，如圖3a所示，導入到Tecnomatix軟件中并對數據類型進行逐個定義類型，如圖3b所示。

圖3 導入資源庫及定義類型

（1）創建產品PBOM結構樹 在已有的產品資源（Product）目錄下，新建產品集合（CarBody），并在其下方創建若干個零件集合（Front等），最后從導入的產品庫中將零件按加工工序依次分配到對應產品集合中，完成產品PBOM結構樹創建，如圖4所示。

圖4 導入資源庫及定義類型

（2）創建產品加工特征 將頂邊梁數模孔的法線中心線特征提取出來作為加工特征，如圖5a所示，并依次將頂邊梁上所有的中心線開始和結束的位置投影坐標，如圖5b所示，可以在后續軌跡仿真的過程中讓機器人快速準確定位到加工位置。

圖5 銑削加工特征建立

2.建立生產線工藝流程框架

在工藝資源目錄下，按工藝規劃逐層建立車間（PrLine）、生產線（PrLine）、若干區域（Zone）以及若干工位（Station），形成如圖6所示的銑削加工生產線工藝流程框架。

圖6 銑削加工生產線工藝流程框架

3.銑削機器人生產線規劃布局

采用AutoCAD等二維軟件，繪制生產線平面布置圖并轉換成JT格式，導入至Tecnomatix軟件中，將準備好的工裝、設備等三維數據模型與生產線平面圖進行精確定位，并將產品與工裝、工具與設備定位，構建三維虛擬環境機器人銑削加工生產線規劃布局，如圖7所示。

圖7 銑削加工生產線布局

4.操作和資源分配到工位

在工藝資源→工藝流程工位目錄下，先創建相對應工藝操作（Operation）工步，并在每個工步內分配加工特征、加工零件和加工時間，如圖8a所示；在工藝資源目錄下創建工裝（Fxcture）、機器人（Robot）、設備（Device）及工具（Tool）等資源集合，將相對應的夾具、機器人、機器人底座、電主軸及刀庫等從資源庫中拖著至工藝資源工位，如圖8b所示，完成銑削數字化生產線工藝設計工作。

圖8 操作和資源分配到工位

銑削機器人工作站工藝仿真

基于Tecnomatix軟件中的工藝仿真模塊，將工藝設計模塊中定義完成的銑削機器人仿真產線（Study Folder），加載至工藝仿真模塊（Open with Process Simulate），在三維環境中進行數字化制造過程仿真，通過運動資源機構動作設置、產品裝卸動作設置、銑削機器人運動軌跡設置完成銑削機器人生產線工藝仿真（見圖9），可對工裝、工具及產品等工程數據進行制造可行性分析，快速發現設計問題；還可以導出仿真程序至現場機器人中，大幅縮短人工試教周期。

圖9 操作和資源分配到工位

1.工藝資源運動機構動作定義

工裝夾具是產品加工尺寸精度一致性的定位裝置[7]。首先通過模型編輯（Modeling）中的創建旋轉軸坐標（Frame），對夾具的直線運動副行程或旋轉運動的旋轉軸進行定義，如圖10a所示；再采用運動編輯器（Kinematics Editor）創建連桿機構關節，對連桿剛性體、運動軸參數和連桿之間運動關系進行定義，如圖10b所示，并逐一創建單一夾頭的開啟（Open）、關閉（Close）姿態開關。后在工藝流程工位（Station）目錄下，新建一整套夾具運動操作（Open Fixture），按工藝要求將逐個夾頭的開關姿態定義放入此操作下如圖11a所示，可將整套夾具的操作加載到序列編輯器（Edit Viewer）中，調整夾具開關時間和順次如圖11b所示。實現工裝夾具在三維軟件中動態位置，能模擬分析夾頭打開和關閉狀態下與周邊物體干涉狀態，為工裝夾具設計提供參考依據。

圖10 運動夠設置

圖11 運動夠設置

2.零件裝配運動仿真

主要是仿真零件從料箱向夾具移動的過程。新建取件運動操作（Load right_wing part）如圖12a所示，并選擇零件取出的開始點和結束點坐標，即完成零件從料箱到工裝夾具的裝配運動仿真如圖12b所示，為使仿真更符合實際取件位姿，可手動增加零件過程移動多個位置點（Add Location After）如圖12c所示，可直觀分析零件在取件裝配過程中裝配可行性。

圖12 零件運動仿真

3.銑削機器人運動軌跡仿真

主要是機器人對頂邊梁零件鉆銑孔和面加工過程軌跡進行仿真。定義工藝流程（Station）中的銑削加工工藝操作（Operation）與機器人和電主軸工具綁定如圖13a所示，并將該操作加入到事件編輯器（Edit Viewer）中，通過可達性測試（Reach Test）對機器人加工產品可達性進行判定如圖13b所示，后采用跳轉機器人至該位置（Jump Assigned Robot）對可達性不達標的位置逐一調整至操作可達。最后將所有操作（Station）加載至事件編輯器（Edit Viewer）中，將彼此工步的時間和順次連接起來，形成該工位完整的工藝仿真時序如圖13c所示。

圖13 加工運動軌跡和仿真時序

銑削機器人仿真結果

1.加工過程中碰撞干涉情況分析

銑削加工過程中的碰撞干涉情況分析，是銑削加工數字化仿真關鍵功能，將機器人及設備加載到序列編輯器（Edit Viewer）中模擬運行，可檢測出是否與周邊物體發生干涉（Collision Viewer），可提前發現工裝夾具、設備、零件設計方案的缺陷問題如圖14所示，需要對機器人銑削工藝布局調整或進行方案優化，減少設計變更周期和費用，提升設計效率。

圖14 碰撞干涉檢查結果

2.銑削機器人仿真路徑優化分析

銑削機器人加工過程路線仿真對于提升實物設備安裝定位精度、縮短零件加工調試周期效果明顯，可以通過人工精調機器人路徑點并觀察機器人的位姿、周圍設備圍欄等避免發生干涉現象，創建銑削機器人軌跡點，對機器人軌跡進行最優設計，可大幅提升機器人運行效率并提升生產節拍[8]，從而能夠獲得在空間中最優的路徑，如圖15所示。

圖15 路徑仿真優化結果

3.仿真離線程序驗證分析

通過在Tecnomatix軟件中安裝對應品牌機器人的離線程序插件[9]，先將銑削機器人工藝操作加載至路徑編輯器（Path Editor）中，創建離線程序（Robot Program）并將現場測量機器人原點坐標、工裝夾具Base坐標、工具TCP坐標在導出系統中進行設置，保證銑削機器人能按照加工路徑運行[10]。最后對目標程序進行離線程序輸出（Download）。利用該離線程序導入現場銑削機器人中，可實現頂邊梁零件生產加工，如圖16所示。將加工零件委托安徽省產品質量監督檢驗研究院進行檢測，尺寸精度達到±0.04mm，與五軸機床加工效率提升65%。

圖16 離線仿真程序導出

結語

基于Tecnomatix三維虛擬仿真技術，規劃了三維虛擬環境機器人銑削加工生產線規劃布局，模擬了車身頂邊梁加工工位銑削過程，通過銑削機器人加工可達性、機器人及設備運動碰撞分析，可避免機器人與周邊物體的干涉。并將仿真軟件中的離線程序導入現場機器人中進行了驗證，可滿足實際生產需求，為工裝夾具、零件、設備前期集成設計和工藝規劃提供理論參考依據。