林巨廣，戴淮初

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥，230009)

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基于Delmia白車(chē)身側(cè)圍焊接的研究*

林巨廣，戴淮初

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥，230009)

焊裝作為汽車(chē)車(chē)身生產(chǎn)的四大工藝之一，一直被各汽車(chē)生產(chǎn)廠家所重視。文章利用仿真軟件Delmia，對(duì)白車(chē)身側(cè)圍外板的焊接進(jìn)行了研究。首先是將設(shè)計(jì)完成的數(shù)模導(dǎo)入到Delmia中建立仿真模型，并在仿真模型中確定機(jī)器人焊鉗，利用KUKA LOAD5.0負(fù)載測(cè)試軟件對(duì)機(jī)器人所承擔(dān)的負(fù)載進(jìn)行測(cè)試比較，選擇合適的焊鉗。其次對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃分配并布置焊鉗。利用機(jī)器人離線編程得到焊接程序，指導(dǎo)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)工作。最后得到焊接的三維工廠，可以進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，從而可以降低生產(chǎn)成本，提高工作效率。

白車(chē)身;側(cè)圍;焊接

0 引言

焊接作為汽車(chē)白車(chē)身生產(chǎn)的四大工藝之一，一直被各汽車(chē)生產(chǎn)廠家所重視。尤其是近年來(lái)汽車(chē)行業(yè)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)和消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)質(zhì)量越來(lái)越嚴(yán)格的要求，使得汽車(chē)廠商不斷尋求新的焊接生產(chǎn)方式，不斷提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1]。

本文結(jié)合白車(chē)身自動(dòng)焊裝線工藝規(guī)劃的特點(diǎn)，利用Delmia仿真軟件，對(duì)白車(chē)身側(cè)圍外板的OP60工位的焊接過(guò)程進(jìn)行了仿真分析和研究，對(duì)整個(gè)白車(chē)身的焊裝生產(chǎn)線具有重要的指導(dǎo)意義。

1 仿真模型的建立

對(duì)白車(chē)身焊接過(guò)程進(jìn)行仿真時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)仿真確定的流程，要將設(shè)計(jì)完成的白車(chē)身、輸送裝置、夾具與相關(guān)工裝設(shè)備的數(shù)模導(dǎo)入到Delmia中，根據(jù)二維布局圖形建立好工作站。如圖1所示，是白車(chē)身側(cè)圍某工位點(diǎn)焊的工作站。

圖1 車(chē)身點(diǎn)焊工作站

在工作站中，機(jī)器人的數(shù)量是根據(jù)生產(chǎn)線節(jié)拍和工作站的工作數(shù)量確定的，根據(jù)機(jī)器人承擔(dān)的負(fù)載和工作范圍對(duì)機(jī)器人進(jìn)行選型[2]。由于不同負(fù)載對(duì)機(jī)器人臂的影響是不同的，當(dāng)焊鉗安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)會(huì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生靜態(tài)載荷，而當(dāng)焊鉗工作時(shí)會(huì)對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)載荷。圖2就顯示了OBARA焊鉗和3G焊鉗對(duì)KUKA機(jī)焊接器人臂的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響圖。

圖2 OBARA與3G焊鉗對(duì)機(jī)器人臂影響的比較

2 焊鉗的選型

焊鉗作為機(jī)器人焊接的直接工作工具，對(duì)機(jī)器人的焊接質(zhì)量具有很大的約束作用。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，焊鉗主要分為C型焊鉗和X型焊鉗[3-4]，C型焊鉗主要用于點(diǎn)焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊縫，而X型焊鉗主要用于點(diǎn)焊水平及近于水平傾斜位置的焊縫。焊接時(shí)應(yīng)根據(jù)分配規(guī)劃好的焊點(diǎn)選擇焊鉗并最終確定焊鉗的參數(shù)(包括喉深、喉寬、大小開(kāi)行程、上下電極臂的長(zhǎng)度)及焊槍安裝法蘭的形式。從圖2可知，不同的焊鉗對(duì)機(jī)器人臂的影響程度不同，3G焊鉗和OBARA焊鉗雖然都是伺服焊

圖3 3G焊鉗平面圖

鉗，均以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置[5]，但3G焊鉗作為一種新型焊鉗，具有模塊化、簡(jiǎn)單化的特點(diǎn)。相比于OBARA焊鉗，對(duì)機(jī)器人臂的影響程度小，所以本文選擇3G焊鉗作為焊接工具。圖3為3G焊鉗的平面圖，表1為3G焊鉗的主要參數(shù)。

表1 3G焊鉗參數(shù)

3 焊接過(guò)程分析

作為被焊工件的白車(chē)身，往往是由薄板組成的沖壓件，剛性差，極易產(chǎn)生不規(guī)則的變形。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)轎車(chē)白車(chē)身包括300-500個(gè)零部件、1700-2500定位銷(xiāo)、4000-5000個(gè)焊點(diǎn)，由55-75個(gè)工作站焊接[6]，如何將這些零部件有效地焊接起來(lái)是汽車(chē)生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文以3G焊鉗在車(chē)身側(cè)圍外板分總成OP60工位的焊接生產(chǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明。圖4所示是所要焊接的某車(chē)身的右側(cè)圍外板分總成的OP60工位。

此側(cè)圍外板共有四個(gè)部件A、B、C、D，其中B和D是由操作者手動(dòng)裝在一起的，本文就討論利用3G焊鉗將這A、B、C三個(gè)部件依次焊接起來(lái)。

圖4 白車(chē)身側(cè)圍外板OP60工位

3.1 焊點(diǎn)規(guī)劃分配

為了滿(mǎn)足高節(jié)拍、大批量的生產(chǎn)要求，白車(chē)身生產(chǎn)過(guò)程必須進(jìn)行合理的焊點(diǎn)規(guī)劃。在規(guī)劃焊點(diǎn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮焊接原則、生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)條件、并進(jìn)行工藝路線分析以及產(chǎn)品分塊[7]，在滿(mǎn)足被焊工件工藝性的要求下，所焊的焊點(diǎn)應(yīng)分布在同一區(qū)域，這樣可以保證焊鉗作業(yè)范圍適中、姿態(tài)簡(jiǎn)單、變換少、不頻繁，機(jī)器人關(guān)節(jié)能夠沿著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)就能把工作完成，能有效地降低焊點(diǎn)的焊接時(shí)間。根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，工程中常用的焊點(diǎn)規(guī)劃分配方法可以歸結(jié)為背包問(wèn)題，也就是在給定一定的時(shí)間的情況下，工位對(duì)焊點(diǎn)的滿(mǎn)意度最大。

根據(jù)背包問(wèn)題和工程經(jīng)驗(yàn)，得到了焊點(diǎn)在被焊零件上的具體分配，如圖5所示。

(a) 零件B的焊點(diǎn)分布 (b) 零件C的焊點(diǎn)分布

圖5 焊點(diǎn)分布圖

圖中，焊點(diǎn)1、2、3、4、5用來(lái)焊接部件A和部件B，焊點(diǎn)6、7、8、9、10用來(lái)焊接部件A和C，而焊點(diǎn)11、12、13是用來(lái)焊接部件B和C。表2是具體的焊接參數(shù)信息。

3.2 焊鉗的布置

根據(jù)焊點(diǎn)的分布，就要合理的安排焊鉗。在安排焊鉗時(shí)，需要保證在焊接過(guò)程中，保證焊鉗與焊鉗之間、焊鉗與被焊工件之間、被焊工件和夾具之間不能存在有任何形式的干涉和碰撞[8]。如圖6就是具體的焊鉗的分布。實(shí)際工作中只需2把焊鉗和2臺(tái)工作機(jī)器人(圖中已省略機(jī)器人)，圖中把焊鉗在工作過(guò)程中的各個(gè)工作狀態(tài)也表示了出來(lái)。

圖6 焊鉗的分布

序號(hào)焊點(diǎn)編號(hào)焊點(diǎn)坐標(biāo)焊點(diǎn)編號(hào)焊接方式鋼板代碼鋼板厚度鋼板鍍層ABCABCABC壓力電流參數(shù)變換157392X3325，Y-758，Z535G421874N5511140100．770．65G10/10G10/10210111257394X3308，Y-711，Z796G421874N5511140100．770．65G10/10G10/10210111357398X3395，Y-732，Z450G421874N5511140100．770．65G10/10G10/10210111457404X3336，Y-766，Z450G421874N5511140100．770．65G10/10G10/10210111557406X3288，Y-797，Z486G421874N5511140100．770．65G10/10G10/10210111657592X3451，Y-572，Z726G421874N2381551000．670．77G10/10G10/10210111757606X3301，Y-691，Z718G421874N2381239100．670．67G10/10G10/10210111857612X3306，Y-738，Z693G421874N1401238100．650．67G10/10G10/10210111957614X3384，Y-738，Z600G421874N1401238100．650．67G10/10G10/102101111057616X3146，Y-826，Z3876421874N1401238100．650．67G10/10G10/102101111157622X3176，Y-800，Z372G421874N2381551100．670．77G10/10G10/102101111257626X3140，Y-807，Z321G421874N2381551100．670．77G10/10G10/102101111357628X3102，Y-813，Z314G421874N2381551114010．670．770．65G10/10G10/10G10/10210122

3.3 焊接過(guò)程分析

定義好焊點(diǎn)和布置好焊鉗后，就要選擇合理的焊接路徑。焊接路徑應(yīng)是全局最優(yōu)路徑，即一條經(jīng)過(guò)所有焊點(diǎn)的最短路徑。焊接路徑不僅僅是將焊點(diǎn)按照順序依次連接起來(lái)，還包括焊鉗在工作過(guò)程中遇到干涉時(shí)，連接焊鉗從一個(gè)地方到另一個(gè)地方所經(jīng)過(guò)的焊點(diǎn)[9]。

在本文中，利用Delmia軟件對(duì)側(cè)圍外板分總成的焊接進(jìn)行了仿真。在仿真過(guò)程中，根據(jù)工位模型，將焊點(diǎn)信息導(dǎo)入并進(jìn)行分配。在Delmia的Workcell Sequencing模塊中，通過(guò)Import Io Info導(dǎo)入焊點(diǎn)信息，焊點(diǎn)信息格式如表3所示。

表3 焊點(diǎn)信息表

同時(shí)在仿真焊接過(guò)程中，利用機(jī)器人的離線編程得到了焊接離線程序。在仿真軟件Delmia里生成的這個(gè)程序，在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)可以直接輸入到機(jī)器人柜里面以達(dá)到直接控制機(jī)器人工作的目的。此程序文件共有兩個(gè)：*.src和*.dat，其中src文件是用來(lái)存放機(jī)器人程序，dat文件是用來(lái)存放焊點(diǎn)坐標(biāo)，在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，這兩個(gè)文件可以指揮機(jī)器人進(jìn)行焊接工作。由于篇幅的限制，本文只寫(xiě)出了部分焊點(diǎn)的程序，其他焊點(diǎn)的程序與此類(lèi)似。程序中，Pi′(i=1,2,3……)代表過(guò)渡焊點(diǎn)。

src程序文件：

;FOLD PTP P97 H SPOT Gun= 1 Pair= FIRST RETR CLS INDEX1= 1INDEX2=1Tool[1]:gun1Base[1]:base1;%{PE}%R 6.1.2,%MKUKATPSPOT,%CSPOT,%VPTP,%P 1:PTP, 2:P97, 3:, 5:100, 7:H, 10:1, 12:#FIRST, 14:#CLO, 16:1, 18:1, 20:0, 22:0, 24:0, 25:SDAT11

MYMBWDSTART=FALSE

PDAT_ACT=PH

FDAT_ACT=FP97

BAS (#PTP_PARAMS, PH.VEL)

S_ACT.GUN=1

S_ACT.PAIR=#FIRST

S_ACT.RETR=#CLO

S_ACT.CLO_TM=SDEFAULT.CLO_TM

S_ACT.PGNO1=1

S_ACT.PGNO2=1

S_ACT.PRESS1=SDEFAULT.PRESS1

S_ACT.PRESS2=SDEFAULT.PRESS2

S_READY=FALSE

USERSPOT (#ADVSPOT, S_ACT)

TRIGGER WHEN DISTANCE=1 DELAY=SDEFAULT.CLO_TM DO USERSPOT (#PRESPOT, S_ACT) PRIO=-1

TRIGGER WHEN DISTANCE=1 DELAY=0.0 DO USERSPOT (#SPOT, S_ACT) PRIO=-1

PTP XP97

WAIT FOR S_READY

; ENDFOLD

dat程序文件：

&ACCESS RVP2

&REL 120

&COMMENT long

DEFDAT P01WELD1

; FOLD

EXTERNAL DECLARATIONS; %{ PE} %V3.2.0,%MKUKATPBASIS,%CEXT,%VCOMMON,%P

{PE} %V3.2.0, %MKUKATPBASIS, %CEXT, %VEXT, %P

EXT BAS (BAS_COMMAND: IN, REAL: IN)

DECL INT SUCCESS

; ENDFOLD

DECL E6POS P1={X3325, Y-758, Z535, A3.63599992, B-5.32700014, C-22.7530003, S2, T43, E10.0, E20.0, E30.0, E40.0, E50.0, E60.0}

DECL FDAT FP1={TOOL_NO 1,BASE_NO1,IPO_FRAME #BASE,POINT2[] " ",TQ_STATE FALSE}

DECL E6POS P1＇={X3320, Y-755, Z540, A3.57399893, B-5.35725714, C-18.7543203, S2, T43, E10.0, E20.0, E30.0, E40.0, E50.0, E60.0}

DECL FDAT FP1＇={TOOL_NO 1,BASE_NO1,IPO_FRAME #BASE,POINT2[] " ",TQ_STATE FALSE}

3.4 焊接結(jié)果分析

在此工位中，首先進(jìn)行的是人工操作，主要完成打開(kāi)/關(guān)閉夾具并進(jìn)行上件工作，所需節(jié)拍如圖7a所示。所需要注意的是在這三個(gè)節(jié)拍圖中，是以百分秒為單位統(tǒng)計(jì)的，所以需要對(duì)節(jié)拍圖中的時(shí)間乘以0.6，即是實(shí)際工作所需要的時(shí)間。上完件后，機(jī)器人完成焊槍的姿態(tài)調(diào)整之后便進(jìn)行焊接操作，18個(gè)焊點(diǎn)共需要54秒，如圖7b所示。焊接完成后，另一個(gè)機(jī)器人抓取已焊接完成好的工件進(jìn)入下一工位進(jìn)行其他的作業(yè)，如圖7c所示。圖7就是具體的節(jié)拍圖。

(a)

(b)

(c)

4 三維工廠的建立

車(chē)身側(cè)圍外板焊接完成后，就應(yīng)推廣到左右側(cè)圍乃至整個(gè)車(chē)身的焊接，此時(shí)焊裝線的布局更復(fù)雜，如圖8所示，是車(chē)身側(cè)圍焊接的二維布局圖。根據(jù)Delmia進(jìn)行的仿真工藝規(guī)劃，利用PLANT LAYOUT模塊生成焊接三維工廠。如圖9所示，是車(chē)身側(cè)圍焊接的三維工廠布局圖。

圖8 側(cè)圍二維布局圖

圖9 側(cè)圍三維布局圖

5 結(jié)論

利用Delmia仿真軟件對(duì)白車(chē)身的側(cè)圍外板的OP60工位進(jìn)行了仿真分析，包括焊鉗的選型及其規(guī)劃、焊點(diǎn)的規(guī)劃分配、焊接過(guò)程的分析，得到焊接程序，可以進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接機(jī)器人工作。在對(duì)側(cè)圍焊接分析的基礎(chǔ)上，得到側(cè)圍焊接的三維布局圖，可以進(jìn)一步指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

[1] 劉海江，姜冬冬，張春偉.側(cè)圍工位多機(jī)器人防干涉問(wèn)題研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011(6)26：33-35.

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[3] 盧本.焊接機(jī)器人的類(lèi)型與應(yīng)用(一)[J].現(xiàn)代焊接，2006(6)：11-15,19-21.

[4] 盧本.焊接機(jī)器人的類(lèi)型與應(yīng)用(二)[J].現(xiàn)代焊接，2006(7)：19-21.

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[9] 晁永生,劉海江.白車(chē)身焊接機(jī)器人加工路徑優(yōu)化和仿真[J].中國(guó)機(jī)械工程,2010(4):442-445.

(編輯 李秀敏)

Research on the Welding of Body Side in BIW Based on Delmia

LIN Ju-guang，DAI Huai-chu

(School of Mechanical and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Welding which has been paid much attention by automobile manufacturers is one of the four major automobile production processes. In this paper, the welding of body side in BIW has been researched by using Delmia. Firstly, the mathematical models which have been designed will be imported into Delmia to establish the simulation model where robotic welding guns will be determined by using software KUKA LOAD to compare the loads that welding robots have undertaken. Then welding points will be distributed and welding guns will be arranged as well. Welding programs will be obtained by using robot off line programming (OLP) which can conduct robots to work on the spot. Finally, 3D factory will be established to guide assemble and test which can reduce costs and improve efficiency.

body in white (BIW); body side; welding

1001-2265(2014)01-0132-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.037

2013-04-01；

2013-04-17

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012BAF06B01)；國(guó)家智能制造裝備發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(發(fā)改辦高技[2011]2548號(hào))。

林巨廣(1963—),男，安徽霍邱人，合肥工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要從事汽車(chē)自動(dòng)化裝備、汽車(chē)試驗(yàn)臺(tái)等方面研究；通訊作者:戴淮初(1988—)，男，江蘇淮安人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事白車(chē)身焊裝、有限元等方面研究，(E-mail)jiangsuhuaiandhc@sohu.com。

TH181；TG65

A