臧銘書,孫秀玲（.煙臺艾迪液壓科技有限公司,山東　煙臺　65500；.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院,山東　煙臺　64005）

基于Robcad的點焊機器人運動仿真

臧銘書1,孫秀玲2
（1.煙臺艾迪液壓科技有限公司,山東煙臺265500；2.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院,山東煙臺264005）

摘要：本文介紹了利用Robcad軟件對汽車白車身點焊機器人進行運動仿真的工作流程和技術(shù)要點，在汽車縱梁分拼工位中進行了實際的仿真設(shè)計，有效地提高了工作效率和安全性，表明Robcad軟件在汽車車身焊接生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：Robcad；汽車縱梁分拼；點焊機器人；仿真

0　引言

隨著經(jīng)濟水平的不斷提高，汽車已經(jīng)成為非常普遍的交通工具，而且需求量不斷攀升，為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在大部分汽車生產(chǎn)廠采用流水線的生產(chǎn)形式。在汽車的制造中,焊接是應(yīng)用最多的連接方式,其中電阻焊占焊接工作量的70%以上,主要形式為點焊。據(jù)統(tǒng)計,一輛載貨車身約2000多個焊點,一輛轎車車身約4000～5000個焊點[1-3]。國外汽車焊接生產(chǎn)線已實現(xiàn)了以柔性、多車型混裝焊接為代表的高度自動化、機器人大量應(yīng)用的生產(chǎn)線設(shè)計技術(shù)，國內(nèi)汽車制造企業(yè)在引進國外生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上已使制造水平大有長進，但與國外相比仍有較大差距[4]。

應(yīng)用于汽車焊接的工業(yè)機器人一般為6自由度機器人，機器人運動過程復(fù)雜、造價高，若操作不當(dāng)可能會造成生命財產(chǎn)損失，而且現(xiàn)場試教調(diào)試工作量大、難度高，因此，在進行實際的焊接工作之前，仿真機器人的焊接作業(yè)過程，并規(guī)劃焊接路徑，對于避免現(xiàn)場事故、降低現(xiàn)場調(diào)試的難度有重要意義。

1　Robcad仿真流程

Robcad是原Tecnomatix公司（現(xiàn)屬SIE-MENS公司)于20世紀(jì)80年代推出的大型機器人仿真系統(tǒng),具有仿真精確、建模快速及易于實現(xiàn)離線編程的特點[5]。

運用Robcad軟件對汽車縱梁分拼工位進行焊接仿真的過程也就是模擬實際焊接作業(yè)的過程，因此，仿真時首先需要布置焊接作業(yè)環(huán)境，然后建立仿真模型，最后進行焊接仿真及路徑優(yōu)化。其主要仿真流程為：數(shù)模轉(zhuǎn)換→定義焊槍→建立仿真模型→路徑規(guī)劃仿真→干涉檢查→離線編程。

2　　汽車縱梁分拼工位仿真

2.1Robcad的數(shù)據(jù)類型及數(shù)模轉(zhuǎn)換

Robcad軟件有兩種格式的數(shù)據(jù)，分別為.ce和.co，.ce數(shù)據(jù)存放機器人或其他模型的裝配信息，.co數(shù)據(jù)存放機器人和所需模型的三維信息。

在Robcad中的進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指將不同格式的數(shù)據(jù)，通過接口轉(zhuǎn)換成Robcad能使用的數(shù)據(jù)類型[6]。Robcad有多種三維軟件轉(zhuǎn)換接口，可將三維數(shù)模導(dǎo)入并轉(zhuǎn)換到Robcad環(huán)境，仿真實際環(huán)境的三維環(huán)境，保證機器人的仿真設(shè)計與實際應(yīng)用相統(tǒng)一[6]。

仿真前需準(zhǔn)備好焊接夾具、縱梁等模型文件，運用Data菜單中的CADImport命令對其進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.2定義焊槍

2.2.1建立焊槍數(shù)模運動關(guān)系

為模擬焊槍在焊接過程中的真實運動狀態(tài)，需要定義焊槍的相關(guān)參數(shù)。

在Modeling模塊獨立打開焊槍的.co文件，通過Link定義焊槍的靜臂和動臂，通過Axis定義焊槍動臂的旋轉(zhuǎn)軸，通過Joint創(chuàng)建關(guān)節(jié)運動方式，通過State菜單中的Edit分別定義OPEN、SEMIOPEN、CLOSE和HOME四種運動狀態(tài)。

2.2.2建立焊槍工具坐標(biāo)系（tcp）和裝配位置坐標(biāo)系

對焊槍進行焊接作業(yè)仿真時，需定義焊槍裝配坐標(biāo)系，將焊槍關(guān)聯(lián)到機器人上，使焊槍跟隨機器人運動而運動，并定義焊槍工具坐標(biāo)系，即定義焊槍的作業(yè)點。

通過GeneralTools菜單中的CreateFrame創(chuàng)建tcp坐標(biāo)系和焊槍的裝配位置坐標(biāo)系,圖1為完成坐標(biāo)系定義的焊槍。

圖1　完成定義的焊槍坐標(biāo)系

2.3建立仿真模型

2.3.1加載機器人、焊槍、夾具和縱梁

在滿足縱梁分拼作業(yè)要求及空間要求的前提下，選擇KUKA型機器人，機器人和焊槍模型是廠家直接提供的，夾具是根據(jù)作業(yè)要求設(shè)計的，縱梁模型及焊點信息由汽車制造廠提供。通過GetComponent命令分別加載機器人、焊槍、夾具及縱梁模型，對LocateAt項不作處理或通過Position選項指定部件位置，保證相互之間準(zhǔn)確的位置關(guān)系。

2.3.2導(dǎo)入焊點

運用wold_locs命令導(dǎo)入焊點。將焊點信息保存為“POINT+空格+焊點號（小寫字母開頭）+Tab+X值+Tab+Y值+Tab+Z值”格式。

例如：“POINTh0141490-13-21”

將縱梁分拼焊點按照上述格式整理保存為“.pt”格式的文件，如圖2所示。

圖2　　焊點文件

2.3.3關(guān)聯(lián)焊槍

通過Motion命令將焊槍上的裝配坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)到機器人的坐標(biāo)系上，并按規(guī)則設(shè)置工具坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向，規(guī)則為Z坐標(biāo)（長虛線）表示焊槍進入方向，X坐標(biāo)（長實線）表示焊鉗動臂方向。

2.4路徑規(guī)劃仿真

2.4.1設(shè)置焊鉗動作方向

為使焊鉗作業(yè)時動、靜臂的動作方向與實際一致，需設(shè)置焊鉗動作方向。

通過Spot_setup命令，將焊鉗進入方向Approach修改為Z，再將焊鉗動臂方向Perpendicular修改為X，如圖3所示。

圖3　設(shè)置焊槍動作方向

2.4.2創(chuàng)建焊接軌跡

通過PathEditor命令顯示所有焊點的設(shè)計樹，將焊點編制成組并命名路徑。

通過Motion命令仿真機器人到達焊點坐標(biāo)的姿態(tài)并檢查焊點是否可達，為保證機器人到達焊點時具有良好的姿態(tài)，需適當(dāng)調(diào)整焊點方向，用PlacementEditor命令調(diào)整單個焊點方向，用Flip Location或者AlignOrientation命令批量調(diào)整焊點方向，使焊點X軸與工具坐標(biāo)系X軸方向保持一致。

機器人走完焊接軌跡后手動編制機器人返回原點或至另一焊點，運用Mark_loc命令記錄這一過渡軌跡，編制到焊接路徑，完善路徑。

2.5干涉檢查

在實際生產(chǎn)中，車身和夾具等結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，機器人和焊槍與車身和夾具的干涉一般不易被發(fā)現(xiàn)，Robcad具有自動干涉校驗功能，運用CollisionSetup菜單中的DefinePair命令定義干涉檢查的干涉項，如在Firstlist欄中添加車身和夾具，在Secondlist欄中添加機器人和焊槍，若發(fā)生干涉系統(tǒng)會發(fā)出報警提示(發(fā)出聲音或紅色報警顯示)，通過調(diào)整機器人的姿態(tài)和焊點的方向來避免干涉，以此來避免實際生產(chǎn)中的損失。

2.6離線編程

機器人的編程有在線示教編程和離線編程（OLP）兩種，在線示教編程為與控制模塊連接時的編程，離線編程為與機器人或者控制模塊斷開時的編程，與在線示教編程相比，離線編程的優(yōu)點如下：

（1）減少機器人停機時間，提高生產(chǎn)效率；

（2）遠(yuǎn)離危險工作環(huán)境；

（3）實現(xiàn)CAD/CAM/ROBOTICS一體化；

（4）可提高編程精度[7、8]。

縱梁分拼路徑復(fù)雜，要求精度較高，進行離線編程顯得尤為重要。在進行OLP調(diào)試前需要對機器人校準(zhǔn)。通過OLP模塊可以設(shè)置與已選型機器人相配套的控制器，在生成的OLP程序中包括焊槍參數(shù)、焊點焊接順序和路徑信息、運行速度和加速度、軌跡類型信息、基坐標(biāo)、工具中心坐標(biāo)等。

通過離線編程很大程度地減少了現(xiàn)場工作人員的編程量，縮短了項目周期，節(jié)約成本，提高現(xiàn)場工作的安全性[9]。

3　結(jié)論

在Robcad軟件的應(yīng)用中，路徑規(guī)劃仿真和干涉檢查是關(guān)鍵技術(shù)，是保證機器人實際作業(yè)高效性和可靠性的主要因素，通過Robcad在縱梁分拼工位中的實際應(yīng)用，表明可以方便地進行焊接軌跡的創(chuàng)建與優(yōu)化，易于發(fā)現(xiàn)和解決焊槍干涉等問題，能有效避免實際作業(yè)中事故的發(fā)生，通過離線編程，減少現(xiàn)場示教、調(diào)試?yán)щy，因此Robcad軟件在汽車焊裝生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用和推廣價值。

參考文獻：

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作者簡介:臧明書(1969-),男，山東萊陽人,本科，工程師，研究方向：機械設(shè)計。