吳約旺 鄭聯(lián)語(yǔ)
(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京 100191)
焊接是白車身裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在整個(gè)白車身中,焊點(diǎn)的數(shù)量較多,一般達(dá)到4000~5000 個(gè),而具體到分工位也有上百個(gè)焊點(diǎn)[1]。焊裝夾具設(shè)計(jì)時(shí),為了保證焊槍對(duì)焊點(diǎn)的可達(dá)性,夾具往往需要避開(kāi)焊槍進(jìn)行設(shè)計(jì),因而在夾具設(shè)計(jì)之初,就需要將焊槍插入到各個(gè)焊點(diǎn)。該過(guò)程重復(fù)且工作量大,常用的計(jì)算機(jī)輔助軟件并沒(méi)有專用的插槍模塊,且操作復(fù)雜,容易發(fā)生錯(cuò)誤,因而實(shí)現(xiàn)正確快速插槍至關(guān)重要。
焊槍插入后的姿態(tài)是焊裝夾具方案布局和焊接模擬仿真的主要依據(jù)[2]。在車身焊裝設(shè)計(jì)中,焊槍位姿表現(xiàn)為其與車身板件的裝配關(guān)系。許多學(xué)者對(duì)元件裝配定位和位姿調(diào)整技術(shù)進(jìn)行了研究。張志賢提出了裝配約束下零部件空間位姿的調(diào)整方法,解決了零部件姿態(tài)調(diào)整問(wèn)題[3];周律對(duì)焊槍姿態(tài)進(jìn)行研究,給出了焊槍姿態(tài)的描述方法,并由此快速計(jì)算了焊槍的姿態(tài),提高了機(jī)器人示教的效率[4]。以上研究集中在對(duì)單個(gè)對(duì)象的簡(jiǎn)單處理上,在焊槍批量插入及其姿態(tài)確定上并沒(méi)有給出通用、便捷的方法。本文針對(duì)該問(wèn)題,研究了插槍過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù),在CATIA 中開(kāi)發(fā)建立了快速插槍軟件模塊,實(shí)現(xiàn)了插槍的批量處理,提高了企業(yè)的工作效率。
在車身焊裝設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先對(duì)焊點(diǎn)幾何信息進(jìn)行建模并對(duì)焊槍進(jìn)行定義,然后通過(guò)焊槍的尺寸信息對(duì)焊槍進(jìn)行篩選并根據(jù)焊點(diǎn)信息實(shí)現(xiàn)焊槍姿態(tài)的調(diào)整,最后通過(guò)可行性評(píng)價(jià)確保焊槍與車身不發(fā)生干涉。工作流程如圖1 所示。
原始焊點(diǎn)文件主要有2 種表現(xiàn)形式,特點(diǎn)如下:
(1)“點(diǎn)”:CAD 軟件中的Point 特征(如在CATIA表現(xiàn)為GSMPoint),點(diǎn)的坐標(biāo)系同車身坐標(biāo)系一致,但焊槍的姿態(tài)和焊點(diǎn)的姿態(tài)關(guān)系一一對(duì)應(yīng):焊點(diǎn)中心對(duì)應(yīng)固定焊槍電極末端點(diǎn),焊點(diǎn)的W方向同焊槍固定電極的方向,焊點(diǎn)的U 指向焊槍的喉深方向。本文中對(duì)焊槍的姿態(tài)采用“一點(diǎn)兩線”來(lái)定義模型,從而可以確定焊槍在其自身坐標(biāo)系下的位姿。焊槍“一點(diǎn)兩線”的定義為:
式中,GunInfo 為焊槍特征信息;GunPoint 為焊槍特征點(diǎn);為指向焊槍喉深線為指向焊槍電極線。
通過(guò)調(diào)整焊槍局部坐標(biāo)系與車身坐標(biāo)系的位姿關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)焊槍位姿和焊點(diǎn)位姿的一致性[5]。焊槍調(diào)整過(guò)程中,通過(guò)焊槍和焊點(diǎn)的姿態(tài)匹配關(guān)系可以求出焊槍局部坐標(biāo)系參數(shù),如圖7 所示。
由WSMatrix 構(gòu)建包含焊點(diǎn)位置和姿態(tài)的4 階齊次矩陣[6]:
同樣由“一點(diǎn)兩線”構(gòu)建焊槍姿態(tài)矩陣
式中,GunV=GunW^GunU,
由公式(6)可求出焊槍自身軸系在車身坐標(biāo)系的矩陣Y:
通過(guò)讀取每一個(gè)焊點(diǎn)姿態(tài),對(duì)焊槍坐標(biāo)系應(yīng)用矩陣Y 后,將實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍的批量插入,達(dá)到快速插槍的目的。
焊槍替換的工作是在插槍完成的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的,在夾具設(shè)計(jì)或模擬仿真工作過(guò)程中,會(huì)對(duì)焊槍的可行性作出評(píng)價(jià),若是焊槍無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的要求,此時(shí)則需要對(duì)焊槍進(jìn)行替換。新槍到舊槍的轉(zhuǎn)化矩陣記為T(mén)NewToOld。
而此時(shí)TNewToOld為新槍的局部坐標(biāo)系參數(shù)。通過(guò)替換舊槍并設(shè)置其在車身坐標(biāo)系下的參數(shù)即可保證新舊焊槍姿態(tài)的一致,完成替換工作。
基于以上研究,借助組件應(yīng)用架構(gòu)(Component Application Architecture,CAA)對(duì)CATIA 相關(guān)模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā),完成了快速插槍模塊的開(kāi)發(fā),設(shè)計(jì)界面如圖8所示。
表1 焊點(diǎn)信息
本文以某車型中通道工位數(shù)模為例,來(lái)說(shuō)明程序的功能和效果。如圖9 所示,該工位由4 個(gè)板件總成組成,需要焊接31 個(gè)焊點(diǎn)。首先對(duì)焊點(diǎn)信息進(jìn)行建模,將原始焊點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)數(shù)據(jù),如表1所示。
然后通過(guò)喉深喉寬參數(shù)篩選滿足條件的焊槍,讀取焊槍特征參數(shù),經(jīng)過(guò)位姿計(jì)算將焊槍正確插入到焊點(diǎn)組各點(diǎn)中,如圖10a 所示。
最后利用CATIA 裝配環(huán)境下“移動(dòng)”工具條快速調(diào)整U 向,如圖9b 所示,經(jīng)過(guò)調(diào)整效果如圖10b 所示,用相同操作將對(duì)應(yīng)焊槍插入到其他的焊點(diǎn)處,調(diào)整到姿態(tài),完成后如圖10c 所示。經(jīng)過(guò)姿態(tài)調(diào)整,對(duì)應(yīng)焊點(diǎn)處的焊槍及其軸系姿態(tài)的參數(shù),如表2 所示。
本文所開(kāi)發(fā)的程序?qū)斎雲(yún)?shù)進(jìn)行了批量處理,解決了焊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化重復(fù)工作的問(wèn)題,同時(shí),對(duì)焊槍資源庫(kù)進(jìn)行了規(guī)則命名和特征信息的定義,利用焊槍篩選縮減了焊槍選擇規(guī)模,為焊槍快速選型提供了便利,“一點(diǎn)兩線”描述了焊槍的姿態(tài),確定了其在車身坐標(biāo)系的位置和方位,為焊槍快速精確插入提供了基礎(chǔ)。而焊槍替換軟件的開(kāi)發(fā)為快速批量糾正焊槍錯(cuò)誤選型和夾具設(shè)計(jì)與仿真評(píng)價(jià)后反饋的不可行提供了保證。最后,通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了插槍的批量性與快速性,同時(shí)由企業(yè)應(yīng)用的反饋,程序顯著提高了工作效率。
[1]劉海江,羅生斌.白車身側(cè)圍工位焊接機(jī)器人路徑優(yōu)化研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2005,07:35 -38.
[2]李坤宏.基于CATIA 的汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)方法應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2007.
[3]張志賢,劉檢華,寧汝新.虛擬裝配中的裝配約束實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2011(9):1878 -1883,1888.
[4]周律,蔡錦達(dá),錢煒,等.弧焊機(jī)器人焊槍姿態(tài)的簡(jiǎn)便示教[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010(8):73 -77.
[5]DASSULT SYSTEMS.DELMIA Documentation Version 5 Release 19.
[6]朱傳敏,王寶海.點(diǎn)焊機(jī)器人的位姿計(jì)算及仿真[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2004(S1):30 -31,59.