白车身侧围焊接机器人焊接作业顺序优化研究

1、2006年(第28卷第4期汽 车 工 程A uto m otive Eng i neer i ng2006(V o.l 28N o .42006083白车身侧围焊接机器人焊接作业顺序优化研究原稿收到日期为2005年3月28日,修改稿收到日期为2005年6月10日。刘海江(同济大学机械工程学院,上海 200092摘要 针对轿车白车身焊接机器人作业顺序不合理的问题,采用启发式的节约算法,有效地解决了焊接机器人焊接作业顺序中的最短路径问题,并实现了优化,编写了相应的程序,可以有效地进行焊接作业顺序优化计算。关键词:白车身,侧围,焊接作业顺序优化,焊接机器人A St udy on the O pti

2、m izati on ofW eldi ng Robot Operation Sequence for Body -i n -wh ite S i de PanelL iu Haiji a ngSchool o f M ec han ic a lE ng ineeri ng,Tongji Universit y ,Shangha i 200092Abstract By adopting heuristic saving a l g orit h m,the shortest path prob le m in w e l d i n g robo t operati o n se -quenc

3、e is effectively so lved w ith opti m izati o n realized .A corresponding pr ogra m is developed for conducti n g opti m -i zation co m puti n g for w e l d i n g operation sequence .K eyw ords :Body -i n -white ,Side pane,l W e l d ing operation se quence opti m izati o n ,W elding robot1 前言汽车白车身是汽

4、车其他零部件的载体,它是一个零部件数量众多、结构复杂的体系,它的焊接质量的优劣对整车质量起着决定性作用。所以,对白车身焊接生产线进行规划尤为重要,它是制造出高质量、低成本的车身并提高生产效率的关键。随着焊接技术在白车身制造技术中的发展,焊接机器人被广泛地应用到白车身焊接生产线上。焊接机器人工位规划是白车身焊接生产线规划的重要组成部分,而在焊接机器人工位规划中,焊接作业顺序又是工位规划的重点之一。目前国内企业进行白车身焊接机器人作业顺序的规划方案不够完善,导致生产周期过长,影响整条焊接线的生产。因此作者研究的是如何对其进行优化、减少机器人工位的生产时间、缩短整体工时、提高生产效率、并编写相应的程

5、序使之能有效地进行焊接作业顺序优化。2 白车身焊接的特点焊接是白车身制造中重要的加工环节。白车身的焊接包括对地板、侧围、车门及车身总成等零件和零件总成的装配焊接。它具有以下特点。(1焊点数量多 装夹定位点17002500个,焊点40005000个。(2使用的焊接方法多 在装配焊接中使用了各种焊接方法,如电阻焊、气体保护焊、螺柱焊、激光焊等。例如,在一辆Passat 轿车车身上有电阻焊焊点5892个,螺栓焊206个,惰性气体保护焊焊缝累计长2397mm 等。其中电阻点焊是在车身焊接中应用最广泛的工艺之一。(3对焊接技术的要求高 对焊接产品有高的尺寸精度要求,对焊缝接头有高的性能要求,对批量化焊接

6、生产有高品质的要求,对焊接过程有高节拍、高效率的要求。在白车身焊接生产线上使用焊接机器人来完成60%以上的焊点。所以机器人焊接作业顺序规划极#384 #汽 车 工 程2006年(第28卷第4期为重要,一条合理的焊接作业顺序可以减少机器人工位的生产时间,缩短整体工时,提高生产效率。作者以侧围焊接工位为研究对象,分析白车身焊接过程。整个焊接工位的流程为:运输定位并夹紧焊接松开夹具运输。在上述生产过程中,焊接过程为:机器人从作业原点出发,对在夹具上装夹的侧围零件进行点焊,在完成一个焊点的焊接之后快速移动至下一焊点继续作业。在完成所有的焊接任务后回到作业原点1-2。3 白车身侧围焊接作业顺序优化的数学

7、原型和技术方案2某轿车白车身的侧围焊接机器人工位如图1所示,其焊接过程如下:3台机器人B 、C 、D 从各自的作业原点出发,对在夹具上装夹的侧围零件进行点焊。对其中任何一台机器人的焊接过程,都可以归纳为在总数为Q 的焊点组成的网络中选取合理作业顺序和缩短运动时间的问题。如果Q 的数量较大,超过100个,就会导致研究对象的规模太大,不利于计算机求解3。所以需要对焊点进行分组,减少问题的复杂程度。作者研究的是在焊点已经分好组,即各个机器人分配的焊点数已定的前提下对单台机器人(如C 机器人的焊接作业顺序进行优化分析,因此这个问题可以转化为旅行商问题。 图1 侧围焊接机器人工位311 旅行商算法的基本

8、思想旅行商问题的一般描述为:旅行商从驻地出发,经过所有目的地一次后返回原地,应如何安排其旅行线路,才能使旅行距离(或时间、费用等最少。这里的旅行商问题指的是一台机器人的工具原点位姿(即焊钳原点位姿从作业原点出发,焊接所有焊点组,回到作业原点,求路程或时间最短。旅行商问题存在多种类型的求解算法,其中包括穷举搜索法、动态规划法、遗传算法和启发式方法等。其中启发式方法是通过对经验的归纳推理以及试验分析来解决问题的办法,是建立在经验和判断的基础上,体现人的主观能动作用和创造力。结合白车身焊接的特点,分析机器人焊接路径优化问题的特点如下。(1白车身的焊点数量多,但经过焊点分组之后群体规模大大减少。(2从

9、规划的需要出发,结合工程实际(如避免焊接机器人之间以及机器人与夹具、工件、支撑装置等固定设备的碰撞等问题的修正因素,追求过高的精度没有意义(通常会被修正。(3要求通过数学方法对问题进行较为合理的解答。(4从企业的实际出发,要求数学方法简单明了,便于学习和使用。研究选用启发式方法,它的优点如下。(1计算步骤简单,易于实现,可以减少大量的计算工作量,从而节约开支和节省时间。(2能够很大程度上优化焊接作业顺序规划问题,减轻规划的工作量。(3易于将定量分析与定性分析相结合。312 白车身侧围焊接作业顺序优化技术方案用启发式方法求解问题有多种算法。节约算法又称C -W 算法,是一种旅行商问题的启发式方法

10、典型的算法。它简单、易于理解、灵活性好,可分析性及交互特性都较好。它的基本思想是首先把各点单独与原点0相连,构成1条仅含一个点的线路。总费用为z =Eli=1c 0i +Eli=1c i 0(1式中z 为总路径,c 0i 为c 机器人从原点0到i 点的路径,c i 0为i 点到原点0的路径。然后计算将点i 和点j 连接在一条线路上费用的/节约值0为s(i ,j=c 0i +c i 0+c 0j +c j 0-(c 0i +c ij +c j 0=c i 0+c 0j -c ij(2式中c ij 为从i 点到j 点的路径,c 0j 为c 机器人从原点0到j 点的路径,c j 0为j 点到原点0的

11、路径。s(j ,i=c j 0+c 0i -c ji (3式中c ji 为j 点到i 点的路径。s(i ,j越大,说明把i 和j 连接在一起时总路程减少越长。构造线路时,根据s(i ,j 从大到小的顺序进行。2006(V o.l 28N o .4刘海江:白车身侧围焊接机器人焊接作业顺序优化研究#385 #将此算法应用到白车身侧位焊接机器人作业顺序优化中就可得技术方案,其流程图如图2 所示。图2 技术方案流程图4 焊接作业顺序优化软件根据技术方案的流程图(图2,使用VC +为工具就可以编写出白车身焊接作业顺序优化的软件,步骤如下。(1输入焊点组坐标。(2计算焊点组之间的运动时间为距离除以平均运动

12、速度,或者使用仿真软件直接测量出各焊点组之间的运动时间,研究采用前者来计算各焊点组之间的运动时间。(3利用式(2计算各焊点之间的节约值。(4进入循环体,编写函数M axSave(找到最大节约值,并将对应的两焊点i ,j 提取出来,根据算法进行条件判断。(5在循环过程中得到的优化线路以链表的形式存储,然后根据工程因素进行修正,获得最终结果。应用该软件就可以进行焊接作业顺序优化。5 实例及结论图1所示是某轿车白车身侧围工位的示意图,共有124个焊点,原来的经验分布为:B 机器人36点,C 机器人55点,D 机器人33点,作业时间为118s ,利用白车身侧围机器人工位规划系统软件2进行规划后,合理分配为:B 机器人43点,C 机器人43点,D 机器人38点,然后应用焊接作业顺序优化软件就可以进行焊接作业顺序优化,例如以C 机器人为例。图3 C 机器人的焊接作业顺序(1输入C 机器人焊点组坐标。(2在经过算法求解优化后,新的焊接作业顺序如图3中按数字顺序所示的7个区域,表示该工位机器人的焊点任务分布。进行计算和优化后,工位作业时间减少23s 。(3从理论上可以采用从7到1