（机械电子工程专业论文）白车身侧围外板总成机器人工位的建模、规划及仿真.pdf

摘要 摘要 机器人工位是白车身焊装线最重要的组成部分。虚拟环境下机器人工位的建 模、规划与仿真技术是目前国内外白车身焊装线的研究重点。本文以白车身侧围 外板总成机器人工位为例，着重研究在虚拟环境下工位的物理建模、焊接工序规 划、机器人作业规划和仿真建模等关键内容，并最终基于c a d 和e l m p o w e r 实现 了该机器人工位的建模、规划和仿真。 本文首先对机器人工位的物理建模进行了研究。首先确定工位的设计方案和 生产方案，创建工作台的c a d 模型，将所有模型导入仿真平台后，对工位机器人、 焊钳和夹具的运动链进行分析，创建了工位的运动模型并定义工位各设备的运动 状态，实现工位的物理模型。 在完成焊点的特征建模、焊钳的焊点位姿规划和焊点的工艺分组后，研究了 机器人工位的焊接工序规划。通过对焊点组的划分简化焊接工序的数学模型，降 低了计算难度，提高了规划的计算效率。根据算法的适用性，我们选择了贪婪算 法解决焊接顺序规划，通过第六章的仿真分析，结果表明此算法较为合理。 本文还进行了机器人放置和运动路径规划研究。结合e m p o w e r 的机器人放置 模块，在可视化的环境中通过检验焊钳的奇异位姿来调整机器人的放置位置，并 实现机器人的可视化放置；然后给出机器人运动路径规划的两种可行方法：代价 函数法和数值符号法，最后基于数值符号法实现了机器人的运动路径规划。 最后本文进行了仿真建模的研究。基于对工位时序的分析创建了机器人工位 的s o p ( s e q u e n c eo f o p e r a t i o n s ) 文件以进行工位的干涉检验仿真和生产节拍仿真， 验证焊接工序规划和机器人作业规划的合理性。 本文对白车身侧围外板总成机器人工位进行了虚拟环境下的建模、规划与仿 真。本文的研究方法有效地降低了机器人工位设计的难度和周期，提升了工位的 生产效率和设计质量，其结果对白车身焊装线的机器人工位设计具有很好的参考 价值。 关键词：物理建模，焊接工序规划，机器人作业规划，仿真建模 a b s t r a c t a bs t r a c t r o b o tw e l d i n gw o r k s t a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fb o d y - i n - w h i t e ( b i w ) w e l d i n ga n da s s e m b l i n gl i n e r o b o tw e l d i n gw o r k s t a t i o nm o d e l i n g ，p l a n n i n ga n d s i m u l a t i o ni nv i r t u a le n v i r o n m e n ti sak e yr e s e a r c hd i r e c t i o ni nb i ww e l d i n ga n d a s s e m b l i n gl i n e i nt h i st h e s i s ，t h er o b o t - w e l d i n gw o r k s t a t i o no ft h eb o d ys i d eo u t e r p l a t ea s s e m b l yi sr e s e a r c h e d t h ek e yt e c h n i q u e s s u c ha sp h y s i c a lm o d e l i n g , w e l d i n g p r o c e d u r ep l a n n i n g , r o b o tp l a n n i n ga n ds i m u l a t i o nm o d e l i n g , a r es t u d i e de m p h a t i c a l l y b a s e do nt h ec a da n de m p o w e rs o f t w a r e ，w ei m p l e m e n tt h er o b o t w e l d i n g w o r k s t a t i o nm o d e l i n g , p l a n n i n ga n ds i m u l a t i o n t h ep h y s i c a lm o d e l i n go ft h er o b o t - w e l d i n gw o r k s t a t i o ni sd i s c u s s e d 。b a s e do n t h eb e s tw o r k s t a t i o ns c h e m e , t h ec a dm o d e lo ft h ew e l d i n gf i x t u r ei sc o m p l e t e d b y t h ed a t ae x c h a n g ei n t e r f a c eo fc a da n de m - p o w e r , g e o m e t r yd a t ao ft h ec a dm o d e li s t r a n s f e r r e di n t oe m - p o w e r , a n dt h ef i n a lp h y s i c a lm o d e li so b t a i n e db yt h ed e f i n i t i o no f k i n e m a t i c sc h a i n sa n ds t a t u s a f t e rt h ef e a t u r em o d e l i n go fs o l d e rj o i n t ，t h ew e l d i n gp o s ep l a n n i n go fw e l d i n g g u na n dp r o c e s sg r o u p i n go f s o l d e rj o i n t s ，t h ew e l d i n gp r o c e d u r ep l a n n i n gi s i n v e s t i g a t e d t h r o u g ht h es o l d e rj o i n t sg r o u p se s t a b l i s h e d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s l a r g e l ys i m p l i f i e d ，w h i c hi m p r o v e st h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c e st h ec a l c u l a t i o n d i f f i c u l t yc o n c e r n e d a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a b i l i t yo fa l g o r i t h m s ，t h eg r e e d ya l g o r i t h m i sd e s i g n e dt os o l v et h ew e l d i n go r d e rp l a n n i n g ，a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a t t h i sa l g o r i t h mi sr a t i o n a la n df e a s i b l e t h er o b o tp l a c e m e n ta n dm o t i o np l a n n i n ga r ea l s od i s c u s s e d t h er o b o tp l a c e m e n t c a r lb eo b t a i n e db yt h ew e l d i n gg u np o s t u r ea d j u s t m e n tc o m b i n e dw i t he m - p o w e ra u t o p l a c e m e n tm o d u l e t w of e a s i b l em e t h o d st os o l v et h er o b o tm o t i o np l a n n i n gi sg i v e n ： c o s tf u n c t i o na n dn u m e r i c a ls y m b 0 1 a n dt h er o b o tm o t i o np l a n n i n gi si m p l e m e n t e d b a s e do nt h el a t t e r f i n a l l y , c o m p u t e rs i m u l a t i o ni sm a d e t ot h em o d e l i n g s o pi se s t a b l i s h e da n du s e d t os i m u l a t i o nf o ri n t e r f e r e n c ea n a l y s i sa n dp r o d u c t i o np r o c e s sa n a l y s i s t h ew e l d i n g p r o c e d u r ep l a n n i n ga n dt h er o b o tp l a n n i n ga r ev e r i f i e d t 1 一一些兰堂 一 l 一一一 m o d e l i n g , p l a n n i n g a n ds i m u l a t i o no fr o b o t - w e l d i n gw o r k s t a t i o n b a s e do n v i s u a l i z a t i o nt e c l l i l o l o g ya les t a t e di nd e t a i l si nt h i st h e s i s t h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t y o f r o b o t w e l d i n gw o r k s t a t i o nd e s i g ni si m p r o v e da n d t h ed i f f i c u l t yo fd e s i g n i n gi sr e d u c e d b a l s e do nt l l em 战h o dp r o p o s e d i ti sv a l u a b l ef o rd e s i g n i n gr o b o t - w e l d i n g w o r k s t a t i o n k e y w o r d ：p h y s i c a lm o d e l i n g , w e l d i n gp r o c e d u r ep l a n n i n g , r o b o tp l a n n i n g 锄d s i m u l a t i o nm o d e l i n g n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：辱i _ 坚日期：2 诞年f 月。，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：监兰三亟导师签名：签逝 日期：上吖遥年月ff 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及其研究意义 汽车工业发展水平不仅反映了一个国家经济发展和人民生活的水准，而且也 反映了一个国家科学技术和文明的水平。目前世界汽车工业中研究最活跃、发展 最迅速的领域之一是汽车车身工程。在汽车1 0 0 多年的发展历史中，汽车车身经 历的变化最多。车身的制造对汽车企业的整车生产能力有重要影响，汽车的更新 换代在很大程度上取决于车身技术的发展【l l 。就轿车车身的设计成本而言，约占整 车总成本的一半。白车身( b i w ：b o d yi nw h i t e ) 是指尚未进入涂装和内饰件总装 阶段之前的车身，它是汽车其他零部件的载体。白车身一般是由左右侧围、地板、 前围、门和顶盖等部分组成。它通常由3 0 0 至5 0 0 多个形状复杂的薄板冲压零件， 在5 5 7 5 个工位上大批量、快节奏的焊接而成。生产时，装夹点和定位点多达1 7 0 0 - - 2 5 0 0 个，焊点多达4 0 0 0 - - 5 0 0 0 个【2 】。焊接工艺是汽车制造技术中最有代表性的 3 大工艺之一( 焊接、油漆、装配) ，白车身焊接质量的优劣对整车质量起着决定 性作用。而电阻点焊是车身焊接中应用最广泛的工艺之一。 车身品种多、换代快这一发展趋势要求焊装装备的设计周期更短、设计精度 更高。为了缩短产品换型周期、提高焊装线的柔性化和工作效率，提高产品质量， 工业机器人被广泛地运用于汽车整车生产的各个工艺：机器人点焊，机器人弧焊， 机器人螺柱焊接，机器人激光焊接，机器人涂胶，机器人喷涂，机器人卷边，机 器人搬运，机器人装配等p 】。而其中自车身焊装生产线上应用最广泛的就是点焊机 器人，这是因为白车身焊点众多，人工手工焊接劳动强度大、在规定周期时间无 法完成，而且对于焊点布局复杂分散的任务，利用人工完成远比利用机器人要复 杂，一般很难实现。因此，机器人焊装工位是白车身焊接生产线上最重要的组成 部分。国内越来越多的汽车焊装线项目引进国外机器人，人们切实体会到了机器 人焊接技术不仅减少了操作者的数量和劳动强度，对提高产品质量、满足高标准 要求也是必不可少的。机器人点焊工位与人工点焊工位相比较，具有显著的优点： 工艺稳定；工艺质量高；重复精度高；可进行复杂的工艺操作；可适应恶劣的工 作环境。 在汽车产业发展初期，我国生产的焊接装备大多是较简单的手、气动夹具、 电子科技大学硕士学位论文 翻转机、滚轮架、回转台等，成套性较差，自动化程度低。进入9 0 年代以后，由 于国外先进成套焊接设备的大量引进，促使国产的焊接装备无论在成套性和自动 化程度，还是设备精度和制造质量方面都有不同程度的提高。焊接机器人的引进 使汽车行业实现了轿车生产的规模化起步，对保证产品质量、实现平稳生产起到 了重要作用【4 】。但这一结果也对国内的焊接设备生产厂家造成了很大冲击，由于引 进国外的机器人解决方案价格非常昂贵，而且担心本身研发实力，使得国内大多 数焊接装备生产厂家设计机器人工位的能力受限；而面对汽车行业的激烈竞争又 不允许国内汽车生产厂家用国产的装备进行试验，只好成套引进，使得国内焊接 装备生产厂家近年来与国外水平的差距越来越大。目前国内汽车焊接装备制造企 业大多规模小、力量分散、综合技术实力不足，仍停留在起步阶段，不具备设计 制造高水平的成套汽车焊装线的能力。 1 2 国内外研究现状 目前国内企业的机器人工位设计手段和设计理念依然没有达到世界先进水 平，由于机器人工位工序较多、设备间运动关系复杂，一般采用工位焊装设备制 造后与机器人现场调试布局，工位工序流程试运行后进行机器人示教编程的方法 来设计机器人工位。这种方法有很多缺陷：1 、由于必须在生产线现场实际环境下 进行工位规划、机器人工位试车检测运动干涉、机器人示教编程时焊装线必须停 止工作等问题，严重影响了生产线的工作效率，使机器人应用的柔性大大降低；2 、 经常发生工位重复设计、机器人作业规划不合理的情况，导致工位设计周期延长， 影响整个焊装生产线的投入使用；3 、由于焊接工序规划和机器人作业规划方案的 不完善，使得投入使用的机器人工位工时过长，影响了整条生产线的生产节拍总 时。 仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术以及仿真应用领域的有关专业 技术为基础，以计算机系统、各种物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已 有的或设想的系统进行研究的一门多学科的综合性的技术【5 j 。就仿真技术应用的对 象来看，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真、面向制造工艺和 装备的仿真、面向生产管理的仿真和面向企业其它环节的仿真【6 j 。 仿真技术已经成为分析、研究各种复杂系统的重要工具，基于白车身焊装线 生产管理的仿真研究比较多，但是这些研究一般都是调度性仿真，对物体模型和 运动精度要求不高。可视化仿真的主要目的是验证生产线规划与布局的合理性及 2 第一章绪论 其调度方案的操作性等【_ 7 1 。如同济大学开发的白车身工艺信息集成系统是以整个车 问或整条生产线的物流作业、工程管理作为研究对象，进行调度规划和优化，研 究重点是整个车间或生产线宏观的作业规划和控制，找出生产瓶颈，寻求最佳方 案，降低成本和时间方法，解决生产瓶颈或者装配序列的优化等【8 l 。但是机器人焊 装工位对象复杂，其仿真是典型的离散事件系统的运动仿真，仿真模型形式比较 复杂，仿真运动精度要求高。它不同于常见的调度性仿真模型，除了调度策略以 外，还包括物理建模、焊接工艺、碰撞干涉和机器人运动求解等问题描述与求解， 如焊点任务分配、焊接路径规划、焊钳焊点位姿、机器人放置规划、机器人轨迹 规划、生产节拍和效率等。 规划问题也是机器人焊接工位仿真研究重要的一个方面，其主要的规划目标 有：工位占用空间紧凑、工位用时最少、 其内容包括焊接工序规划和机器人规划。 机器人所走路径最短、工作量最大等。 焊接工序规划主要是焊点任务分配和焊 接顺序规划；机器人规划主要包括机器人放置位置和机器人运动轨迹规划。目前， 学者对工位规划问题的研究主要是根据传统的机器人运动学和有效的数学工具 ( 如代数学、几何学、拓扑学、图论等) ，利用m a t l a b 等数学软件进行数学算 法求解。随着模糊控制、神经网络和遗传算法等智能方法的广泛应用，基于智能 方法的规划研究越来越多，其中应用最广泛的是神经网络和遗传算法。如何广忠、 高洪明等人利用模拟退火遗传算法试图解决弧焊机器人放置规划问题【9 】，茆凡等人 利用简单遗传算法( s g a ) 对侧围总成焊点任务分配问题进行了求解研究【1 0 1 ，罗 生滨等人利用遗传算法对侧围焊点机器人路径规划进行了研究【l ，但是传统的规 划主要强调算法的选取，忽略或简化了研究对象的工艺因素，难以表示机器人工 位相当复杂的实际情况。 虚拟现实( v r ：v i r t u a lr e a l i t y ) 技术的发展，提供了一种全新的人机交互界面，虚 拟现实仿真成为仿真技术新的发展方向。c a d 技术和计算机辅助生产工程c a p e ( c a p e ：c o m p u t e ra i d e dp r o d u c t i o ne n g i n e e r i n g ) 技术的发展应用，使得工程人员 可以在计算机上完成机器人工位的虚拟现实的仿真与规划，从而大大节约了设计 时间与成本，并且几乎所有问题可以在计算机上发现并改正，避免了将问题带入 实际的生产线上，减少了隐含的安全问题与经济损失【1 2 】。 在国外，日本、美国、德国等国家有的汽车企业已经利用数学规划和虚拟仿 真技术，结合自己企业的工艺知识开发了适合自己企业使用的仿真规划类软件。 但是在国内，没有汽车焊装设备制造企业有能力开发和使用该类白车身焊装线规 划仿真软件。 3 电子科技大学硕士学位论文 在现行阶段，国内汽车企业采用国外供应商提供机器人工位解决方案加上现 场调试的方法，关键技术被国外企业掌握，不利于国内企业增强自身竞争力。因 此，在虚拟环境下机器人工位的建模、规划与仿真技术成为国内白车身焊装设备 制造企业的研究重点。同时，由于白车身机器人焊接工位的规划与仿真具有典型 性，研究成果不仅适用于白车身、也适用集装箱外壳、火箭壳体等其他可使用机 器人焊接的生产线，另外，对使用其他类型机器人( 如装配机器人、涂胶机器人 等) 的生产线的规划与仿真也有很好的参考价值，因此本研究具有一定的社会效 益和经济效益。 1 3 研究的主要内容 “白车身侧围外板总成机器人工位的建模、规划及仿真是电子科技大学与 成都某汽车焊装设备公司合作完成的“上海通用东岳x x 汽车侧围线设计 项目 的部分设计内容，本文研究了该车侧围外板总成机器人工位的工位设计、物理建 模、仿真建模、焊接工序规划与机器人作业规划等关键技术，并通过仿真模拟工 位的实际作业完成碰撞干涉分析、生产节拍分析和离线编程等任务，提高了白车 身焊装线机器人工位设计的效率。本研究包括四个主要的内容：l 、工位的设计方 案与生产方案；2 、工位的物理建模；3 、焊接工序规划和机器人作业规划；4 、仿 真建模与结果分析。 全文共分七章： 第一章绪论：介绍课题提出的背景和研究意义，分析国内外相关的研究现状， 并说明本文的主要研究内容。 第二章白车身侧围外板总成机器人工位分析：首先研究白车身侧围外板总成 的结构，然后对白车身焊接工艺特点进行分析，最后针对侧围外板总成机器人工 位进行了结构分析。 第三章工位的设计方案和生产方案研究：本章首先提出几种可行的工位设计 方案和生产方案，并进行各方案的优劣比较，选择了最合理的设计方案和生产方 案；最后对焊装工作台进行设计，确定焊装工作台及焊装夹具的设计方案。 第四章工位的物理建模：本章首先利用c a d 软件完成工位焊装夹具的实体 建模，并将c a d 模型导入仿真平台；最后对工位的运动设备进行运动链分析，根 据分析结果创建各设备的运动链，在仿真环境中实现工位的运动模型和各模型运 动状态定义。 4 第一章绪论 第五章焊接工序规划和机器人作业规划：首先提出利用工艺分组来降低规划 难度的方法对焊点任务分配和焊接顺序规划进行数学建模并求解出较为合理的焊 点任务分配方案和焊接顺序方案。然后基于e m p o w e r 平台进行了机器人的可视化 放置研究；最后提出机器人运动路径规划的两种数学方法，并采用其中的数值符 号方法实现机器人运动路径的可视化规划。 第六章工位的仿真建模与应用：对仿真建模、仿真分析、离线编程等内容进 行研究，通过干涉仿真与节拍仿真进行了仿真建模与工位规划的应用验证，确定 仿真与规划的合理性。 第七章总结与展望：对本研究进行总结，并针对本研究的局限性提出后续工 作与展望。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章白车身侧围外板总成机器人工位分析 本章以白车身侧围外板总成机器人工位为研究对象，首先研究白车身侧围外 板总成的结构，然后分析了白车身焊接工艺过程，最后对白车身侧围外板总成机 器人工位进行结构分析。 2 1 白车身结构 从车身结构和设计观点出发，可以按车身承载形式的区别将车身分类为：非 承载式、半承载式和承载式三大类。 1 非承载式( 有车架式) ：大部分货车( 除微型货车) 、大客车、专用汽车以 及高级轿车上都装有单独的车架，车身载荷主要有车架承担，车身只是承担一定 程度的车架弯曲和扭转变形引起的载荷。 2 半承载式：让车身分担部分载荷，只在车身下部保留有车架( 一般称之为 底架) ，以此来减少车架结构和减轻车架的自重，这种结构主要体现在一些大客车 上。 3 承载式( 无车架式) ：车身无车架，载荷由车身来分担，车身的强度和刚 度主要有车身下部来予以保证，一般中低档轿车车身采用承载式车身。 本研究涉及的车型属于承载式轿车，其白车身结构如图2 1 所示。承载式车体 的结构和焊装工艺应满足车身刚度和强度的要求。刚度不足，将会引起车身的门 框、窗框、发动机舱口及行李箱口的变形，车门卡死；低刚度必然伴有低的固有 振动频率，容易发生结构共振和声响，并削弱结构接头的连接强度；此外，还会 影响安装在底板上各个零件的相对位置，影响汽车使用性能。强度不足，则会引 起构件出现裂纹和疲劳断裂。因此对车身材料和装焊工艺要求都较高。 从汽车制造和装焊工艺考虑，可以将承载式车身分成几个分总成，按分总成 将各个冲压件壳体焊接在一起后，进行车身总成的焊装。本研究涉及的车型为承 载式车身，可以分成四门两盖( 前后车门、发动机舱盖、后备箱盖、) 、底板、发 动机舱、侧围、顶盖、后围等分总成。 6 第二章白车身侧同外扳总成机器人工位分析 22 侧围外板总成 图2 - 1 白车身( 无技动机舱盖与车门) 侧围是车身组成的一部分，侧围由侧围外板、侧围内板、中柱加强板、门槛 加强件、尾灯安装支架、车门锁锁扣加强件和加油口( 只右侧罔有) 等冲压件及分总 成组成，本研究车型的侧目结构见图2 2 。 前门枉加强板总成2 中柱加强板3 侧围内板总成4 门馈分总成5 门槛加商件6 加油口( 只 右侧围) 7 尾灯安装架8 侧围外板 图2 - 2 侧围结构 电子科技大学硕j 学位论文 侧围外板总成是由中柱加强板、尾灯安装支架、锁扣加强件三个分总成与侧 剧外板焊装组成。其组成与各零件装焊位置如图2 - 3 。 灯宣 激爹 图2 - 3 侧围外板总成备件的焊装位置 本侧围外板总成采用了整体成形与传统的点焊拼装相结合的方法制造，不但 可以提高冲压加工的材料利用率，而且还可获得较高的精度优势。侧围外板是一 个大的冲压板件，属于整体成形，可咀保证该车型较高的车身外观质量和制造精 度，减少了模具的使用数量。其他较小型零件的焊接总成由分别冲压成型的多块 较小的板料点焊拼装而成，属于传统方法。这使得车身质量减轻，材料利用率增 加。 侧围外板是整体式冲压件，该焊接总成的其他零件都以它为基础，前柱a 用 于支承顶盖、安装前门，中柱b 起车门主柱的作用，为了提高轿车抗侧面碰撞的 能力中柱内板的断面为凹入的封闭式结构的空间弯曲梁前柱，后柱c 是支承顶 盖后部的支柱。中柱加强板分总成是支承顶盖、安装后门的中间立柱丁件的分总 成，锁扣加强件分总成是为了安装门锁锁扣而用于加强侧围外板强度的分总成， 尾灯安装支架是安装尾灯设备、支承车身后围与后备箱盖的分总成，这些分总成 是由各a 组成冲压件拼焊而成。 为提高承载型车体的承载能力，车身冲压件的形状设计成空间曲面，并采用 薄壁骨架件来加强，它们足车身的主要受力承载件，要有足够的刚度和强度，并 构成连续完整的受力系统，这些主要受力承载件的焊接要保证焊接刚度和强度。 噜 爹蘑蝇 第二章白车身侧甬外扳总成机器 l 忙分析 23 截面形式分析 车身焊点一般布置在被焊件间的搭边上这些被焊件与搭边构成的空间体形 状影响着工位的夹具设计( 如定位点与夹紧点的位置选择、压紧臂的结构) 、焊钳 选择等内容，因此分析被焊工件焊点处的截面形状有利于焊接工位的夹具建模与 焊接工序规划等工作的研究。 车身薄壁的截面形状可分为闭口和丌口两类，他们的截面特性有较大差别， 在材料面积和厚度不变的情况下闭u 截面的抗弯性能稍差于扦口截面，但闭口 截面的抗扭性能要比开口截面大得多。冈此从提高整个车身和构件的抗扭刚度出 发，多采用的闭口截面。 以本研究车型的侧围为例，为了提高抗扭刚度，基本都足聚用的闭口截面形 式。其前门杜、中门柱、门槛和尾灯安装架等焊点处的剖截面形式如图2 4 。 ：3 驴 a 、f 国2 4 侧围的剖截面 圆 一 电子科技大学硕士学位论文 2 4 焊装工艺分析 2 4 1 焊装工艺流程 汽车车身是由数百个薄板冲压件通过装配和焊接形成一个完整的车身壳体。 装焊对车身成型非常重要，因而装焊工艺是车身制造工艺中的重要组成部分。装 焊的过程是先将整车分为几个总成在各个工位进行焊接，然后再将这些总成在车 身总成工位装焊为白车身。本研究涉及的轿车白车身焊装工艺流程如图2 5 【13 1 。 图2 - 5 自车身焊装工艺流程图 侧围通过车身总成线与车身焊装在一起，其结构有自身的完整性，且数量比 较多( 2 个辆) ，因此，一般为侧围装配焊接建立专门的侧围焊装线。侧围的焊装 是先在各工位将2 个以上的薄板冲压件焊成小的组合件( 各分总成件) ，而后分别 与侧围外板、内板在机器人工位焊接成内、外板总成件，最后在侧围总成工位完 l o 第二章白车身侧围外板总成机器人工位分析 成涂胶、包边、点焊将内、外板总成焊接在一起，为保证整车生产效率的同步， 一般左右侧围同线焊接。 2 4 2 电阻点焊工艺分析 焊接是现代车身制造中应用最广泛的连接方式，表2 1 列举了车身制造中常用 的焊接方法【l ”。目前，电阻焊在车身制造中应用最广泛，其中点焊和凸焊生产率 高、成本低，在总焊接量中接近占7 0 以上。侧围外板总成就是采用电阻点焊焊 接而成。 表2 1 车身制造中常用的焊接方法及典型的应用实例 焊接方法典型应用实例 悬挂式点焊机车身总成、侧围等分总成 单点焊固定式点焊机小型板类零件焊接 压床式多点焊机车身底板总成 点焊 多点焊 c 形多点焊机车门、发动机舱盖总成 电阻焊点焊机器人较大总成、分总成等 悬挂式缝焊机车身项盖流水槽 缝焊 固定式缝焊机油箱总成 凸焊螺母、小支架 c 0 2 气体保护焊 车身总成 电弧焊氩弧焊车身项盖后两侧接缝 手工电弧焊厚料零部件 气焊氧一乙炔焊车身总成补焊 钎焊锡钎焊水箱 微弧等离子焊接车身顶盖后角板 特种焊 激光焊车身底板 白车身的电阻点焊是将经过清理的车身焊件装配成搭接接头，并通过焊装夹 具压紧在两电极间，通过焊钳的电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻 近区域产生的电阻热熔化母材，焊件在有限的接触面上局部熔化形成扁球状熔核， 随后断电，保持或加大电极间的压力，待熔核凝固后去掉压力，形成一个组织致 密的焊点。如图2 - 6 所示。 电子科技大学硕t 学1 ：) _ 论文 目2 - 6 点焊的工作原理 点焊循环是完成一个焊点所包括的整个过程。反应点焊循环中电极压力和焊 接电流关系的图是点焊循环图，本研究所涉及焊点的焊接采用目前应用最广泛的 点焊循环，包括四个程序，即预压焊接一锻压一休止，如图2 - 7 。焊接循环时间 t 、焊接电流i 与压力f 与焊点焊接质量有直接的关系，因此为保证焊接质量，焊 接循环的各个参数不能随意更改，它们的设置是在焊钳系统的控制器进行设置。 1 预压阶段2 焊接阶段3 锻压阶段4 休止阶段 f ，预压压力r 锻压压力1 焊接屯流t 焊接循环总时间 图2 - 7 点焊焊接循环示意图 在干涉仿真时，为节省仿真时间我们可以设置较短的焊接循环时 口j 。但是在 第二章白车身侧围外板总成机器人工位分析 生产节拍仿真和机器人离线编程时，设置的焊接时间应该与工艺要求的焊接循环 时间相同( 要求两板焊接时间为2 5 s ，三板焊接时间为2 8 s ) 。 根据对焊接循环时间的分析可知，为优化工位工时，我们规划的主要手段是 尽量缩短辅助时间( 如机器人和焊钳的运动时间) ，不能改变焊点的焊接时间。 白车身采用点焊有很多优点，如：熔核形成时，融化金属与空气隔绝，冶金 过程简单；加热时间短，热量集中，热影响区小，变形小；焊接成本低，效率高。 但点焊应用于白车身也有一些缺点，如：没有可靠的无损检测方法检测焊接 质量；金属搭接头增加了构件质量；因熔核在两板间形成夹角，使接头处的抗拉 强度和疲劳强度均较低；点焊的密封性不好，不适合有密封要求的焊接处。 点焊可以单面焊接，也可以双面焊接。双面焊接时电极由工件两侧向焊接处 溃点；单面焊接时电极由工件单侧向焊接处溃点，不形成焊点的电极采用大直径 和大接触面积以减少电流密度。因此单面焊适用于车身内部工件焊接，双面焊适 用于车身外形焊点的焊接，在外这一侧不形成压痕和溃点。本工位焊点都不是车 身外表外露焊点，因此采用双面点焊的方法完成，焊钳的两电极直径相同。 2 4 3 侧围外板总成的点焊结构工艺性分析 侧围外板各焊件应具有良好的点焊结构工艺性。主要包括焊接件材料、焊接 接头和焊点布置等内容【1 3 】。 1 ) 焊件材料：车身覆盖件大多是冲压加工、焊接连接的工艺制造而成，在保 证足够的强度和刚性以满足车身的使用性能要求前提下，使用冲压性能和焊接性 能优良、价格低廉、容易保证加工质量的材料。本研究涉及的侧围外板材料选用 了可焊性较好的低碳钢冷轧板材。 2 ) 接头形式：搭接接头方式简单、焊接效率高，因此广泛应用到车身焊接。 但如果焊件定位不好，搭接往往容易产生上下错位，引起焊接结构的变形，使装 配精度变差，为提高装配精度，车身点焊常采用弯边搭接接头的形式焊接，如图 2 8 。工厂一般采用美国电阻焊机制造协会( r 、m ) 推荐的最小搭边量和最小点 距规范。 铲铲唧尸 图2 8 车身焊接中常用的四种弯边搭接接头形式 电子科技大学硕士学位论文 3 ) 工艺参数：点焊的工艺参数主要是焊接电流、焊接压力和焊接时间。设置 值主要取决于金属材料的性质、板厚、结构形式及所用设备的特点( 设备提供的 焊接电流波形和压力曲线) 。通常先确定电极的端面形状和尺寸，其次初步选定电 极压力和焊接时间，然后调节焊接电流，以不同电流焊接试样后，检验熔核尺寸， 若符合要求，再在适当范围内调整电极压力、焊接时间和电流，进行试样的焊接 和检验，直到焊点质量符合技术条件规定要求为止。在机器人工位中这些参数由 焊接系统的控制器进行设置。 4 ) 焊点点距：相邻焊点的中心距称为点距。在保证联接强度的前提下，焊点 间距应该较大，这样能减少焊点，提高生产率，也减少点焊时的分流，提高焊接 质量。因此各车身制造单位都推荐有一个极小值。 5 ) 焊点位置：焊点位置要保证焊点在剪应力下而不是在拉力下工作( 因为低 碳钢的剪应力允许最大值大于拉力最大值) 。冲压件上需要开一些孔洞以便安装各 种导线、管路和机构等。显然，这些孔洞将产生应力集中，因此孔洞一般设计在 应力较小的部位。焊点也尽量避免设置在这些孔洞边上。设计焊点位置时，应该 考虑焊接要求，焊点载荷平均、焊钳电极可达性等因素。同时考虑如边距( 取决 于被焊金属种类，厚度和焊接条件) 、塔边量( 边距的两倍) 、点距( 焊点间距离) 、 装配间隙( 间隙越小越好) 和焊点强度等因素的影响。 在我们进行工位设计时，一般不能改变工件上的焊点位置，如果确实因为焊 点可达性差等因素进行修改时，应与车身设计单位协调解决。 在本研究涉及的中柱加强板和尾灯安装架分总成中，为了分散集中力多处使 用了小的加强板，因此这些焊点属于三板焊接，如中柱加强件分总成的6 个焊点 和尾灯安装支架分总成处的9 个焊点，见图2 - 9 。这些焊点的加强板比安装板要厚 一些，在本研究的侧围中，所有加强件焊点处三板厚度分别为：外板厚度为0 7 5 m m ， 安装板为0 9 m m ，加强板厚度为1 5 m m 。 不等厚材料焊点处熔核将不对称于其交界面，会向厚板、导电性差、导热性 差的一边偏移，结果使薄板、导电性好、导热性好的工件焊透率低、焊接强度小。 因此，对于这种焊点，实际焊接时一般会适当延长焊接时间，以保证所有焊接工 件的焊接强度。因此在仿真中，这些三板焊点设置的焊接时间与普通焊点不同。 根据工艺经验，我们分布设置两板焊点和三板焊点的焊接时间为2 5 s 和2 8 s 。 1 4 第二章白车身侧禺外板总成机器人工位分析 a ) 门柱加强件处的6 个三板焊点b ) 尾灯安装支架的9 个三板焊点 图2 - 9 侧围外板总成焊点中的= 扳焊接( 实体哑球表示焊点) 25 工位结构分析 机器人焊接丁位主要由丁件、焊装工作台、机器人、焊钳、和辅助设备等组 成，如图2 1 0 。通过装配在机器人手部的焊钳快换器将焊钳与机器人联结成一个 整体，根据焊点的焊钳信息，机器人运动使得焊钳到达焊钳存放架处，进行焊钳 的更换；机器人运动使焊钳到达焊点处，进行焊点的焊接；焊接一定数量的焊点 后，机器人运动到电极修磨器处进行电极修磨。 焊装工作台主要由焊装夹具、骨架与同转台组成完成工件旋转、央紧、定 位、检测等各种动作。本研究的工作台灾具与骨架根据工件形状和设计要求自主 完成设计，回转台选择e x p e r t t u e n k e r s 生产的e d 9 2 0 a 3 7 1 9 型同转机构，其c a d 模型如图2 1 1 。 焊装夹具的打开与央紧指令、焊钳的加压通电焊接指令、电极修磨器的修磨 指令和机器人的运动指令都由工位总控制器进行控制，当进行完工位的虚拟仿真 后，根据检验正确的仿真结果，依照各个设备的操作时序关系在工位总控制器进 行各个指令的接通与断开设置。 在本研究中，工件是侧围外板及其它分总成在仿真环境中，侧围外扳与其 他分总成定位夹紧在工作台后，我们将其看做一个整体。工位仿真时，工件信息 还包括焊点，因此根据焊点坐标，我们在仿真环境中要建立工件的焊点及焊点法 电子科技大学硕士学位论文 线等特征，并确定焊点的焊钳信息 图2 1 0 侧匿外板总成机器人工位 图2 1 1 工作台回转机构 工业机器人足机器人工位最重要的组成部分，它是本工位最重要的制造资源。 根据设计要求，本研究选用f 2 t n u c 的r 一2 0 0 0 m 2 0 0 f 型6 自由度开链式全关节点焊 机器人。如图2 - 1 2 。机器人经过i n t e r b u s 工业总线连接到p l c 上，与焊钳设备、 传输夹具设各，工位安全设备等构成一个整体，协同工作。 第一章白车身侧酮外板总成机器八工亿分析 期p 图2 - 1 2f a n u c 的g - 2 0 0 0 a n 0 0 f 型机器人 机器人由连杆臂和关节轴构成。连轩臂由关节轴链接，关节运动由伺服电机 系统控制，j 1 、j 2 和j 3 是主要的关节轴，机器人的基本运动由这三个轴的旋转实 现，手腕部的三个关节轴j 4 、j 5 和j 6 实现安装在机器人末端法兰上的焊钳位姿的 调整， 点焊机器人使用一体式焊钳，这种焊钳的变压器与焊钳一体，位于焊钳后部。 机器人用焊钳的结构和点焊机用的通用焊钳大致相同，一般有c 型和x 型两类。 c 形焊钳体积、重量都较小。x 形焊钳体积相对较大，电极头比较长，重量较大。 根据焊钳结构和焊接运动特点，c 型焊钳一般用于点焊焊点法线水平的焊点；x 型 焊钳则主要用于点焊焊点法线垂直的焊点。圈2 - 1 3 a 和图2 - 1 3 b 分别为常用焊机焊 钳和机器人焊钳的结构。 根据本工位焊点情况，我们选用了2 把c 型焊钳和3 把x 型焊钳，其结构见 图2 1 4 。考虑工件的空间型面形状，为完成所有焊点的焊接，根据侧围外板焊点 在工件上的空间位置，选择的焊钳钳臂与电极头的具体形状见图2 1 4 ，选择焊钳 钳臂结构的依据是焊点可靠焊接时能保证焊钳与夹具、工件不发生干涉。 在仿真建模时，我们将5 把焊钳模型名称分别定义为g x i 、g x 2 和g c ， 其中“x ”指x 型焊钳，c 指c 型焊钳，本工位机器人a 和b 分别单独使用一 o p 嗡 n 辩 把焊钳g 旷x 1把焊钳g c ，为节省空间及投资成本，机器人a 和b 其刖一把焊 钳g - x 2 一j 于焊接，- ：右工件尾部可达性差的焊点。( 通过放置在两台机器人之州的 焊钳存放架实现两机器人间的换钳) a ) 本研究工位使用的两把x 型焊钳( g x i 、g x 2 1 第二章白车身倒闭外板总成机器 位分析 2 6 小结 b ) 奉工位使用的一把c 型焊钳( g _ c ) 图2 1 4 侧围外板总成机器人工位二把机器人焊钳的结构 本章首先研究了白车身侧围外板的结构，然后对白车身焊接= 艺进行了分析 晟后针对侧围外板总成机器人工何进行了结构分析。 电子科技大学硕士学位论文 第三章工位的设计方案和生产方案研究 在工位建模和仿真前，首先应该确定机器人工位的设计方案和生产方案。设 计方案主要是确定合理的机器人数目和放置方式，生产方案主要是确定工位采用 怎样的工作流程进行焊接比较合理，我们根据设计任务要求和汽车焊装车间的实 际情况进行研究。 3 1 工位的设计方案分析 生产线的设计主要有两种情况：1 、生产纲领确定，对生产线及其每个工位进 行设计，目标是满足生产节拍要求的情况下，主要考虑工位的经济性。2 、生产线 确定，对工位的生产进行规划，目标是在已有的生产线上追求生产节拍的最小化， 提高生产效率。 对于本研究所涉及的侧围焊装线，是在生产纲领确定的情况下，基于生产纲 领设计生产线。所以本研究是在生产节拍固定的情况下进行侧围外板机器人工位 的设计，设计目标是满足生产节拍要求的前提下追求经济性，然后再规划机器人 工位的作业内容，尽量使分配到每个机器人的作业时间相等，减少每个机器人的 工作时间，提高工位的生产效率。 3 1 1 设计原则 工位设计主要考虑的原则有： 1 ) 工位总工时小于生产线生产节拍； 2 ) 受限于厂房等实际条件，工位的占用空间有限。 3 ) 经济性考虑。 机器人工位设计前可根据经验公式3 1 暂时估算所需最少机器人的数目： r 刍兰! ! 垒翌2 丁 ( 3 一1 ) 式3 1 中，丁是生产节拍时间；t l 是每个焊点的焊接时间；刀l 是工位焊点总数； t 2 是机器人换钳所用时间；，1 2 是换钳次数。 第三章1 位的设计万案和生产方案研究 由于式3 1 没有考虑装卸件时问、必具打开和尖紧的运动时间及机器人的运动 辅助时问，因此用其得到的最小值不。定能够满足实际的生产节拍要求，最终的 机器 数目根据生产节拍的仿真结果可能仍要增加。 将本工位的设计任务书中要求的“、t 2 、m t 等参数值代入式3 ，1 后求出 机器人晟少数应为r 08 5 ，这是因为本总成工位的焊点数日不是太多，但考虑到 该工位的焊点分柿比较分散，机器人运动时间会占用较多时间，因此我们分别按 照工位使用l 台机器人、3 台机器人和2 台机器人的方案进行研究并论证各个方案 的优劣，对所选用的设计方案进