浅析机器人焊接离线编程与仿真在汽车焊装中的应用

摘 要：焊接离线编程与仿真模拟功能可以通过通用仿真软件或与机器人配套专用软件来实现。其原理就是在软件环境将机器人、焊枪系统、焊接变位机、焊接夹具、输送线等三维数模按照实际产线layout进行布置，通过软件相关指令处理最后生成机器人本体可识别的代码。从而驱动机器人按照规划的姿态和路径进行动作，并能生成三维仿真动画。以汽车焊装为例，采用焊接仿真工具软件既可以获得离线程序，又可以准确的评估焊装生产线的节拍、焊装夹具、焊枪结构的合理性。为后期焊装生产线工艺方案的改善和優化提供分析数据，从而可以避免因工艺方案错误而造成损失，同时也缩短焊装工艺开发周期，实现汽车焊装工艺设计的数字化。本文第一部分介绍机器人焊接仿真在汽车焊装中应用的研究背景、目的及意义;第二部分为汽车焊装工业机器人相关概念的界定;第三部分分析了机器人焊接仿真在汽车焊装中的应用优势;第四部分探讨了机器人焊接仿真在汽车焊装中的应用，旨在为机器人汽车焊装实践应用与推广提供一些参考。

关键词：机器人;离线编程;仿真;汽车焊装;数字化

在5G互联网技术、AI技术、计算机技术等支持下，机器人焊接离线编程与仿真在汽车焊装中的应用开启了汽车制造企业数字化转型之路。研究机器人焊接仿真在汽车焊装中的应用对促进我国汽车行业的健康可持续发展和提升国内汽车制造行业的国际竞争力有着重要的意义。

一、研究背景、目的及意义

在经济全球化背景下，汽车制造行业的竞争愈演愈烈。目前，国内的汽车市场中国民族品牌的汽车占有率仅为50%，其余50%被国外汽车品牌、中外合资品牌抢占。近几年，国内中国民族品牌的汽车占有率出现了下降趋势。由于国内汽车市场及全球汽车市场的激烈竞争，现阶段国内汽车产业正面临着严峻的市场考验，迫切需要产业结构调整升级。根据当前汽车制造行业的发展态势，未来我国汽车及相关产业转型标志就是实现数字化生产及管理。即要求汽车制造企业向数字化转型升级。机器人焊接离线编程与仿真技术作为智能制造技术在汽车制造领域应用的代表，能够通过虚拟仿真分析获得汽车焊装工艺流程的重要信息，用于实际焊装工艺优化。这种基于机器人焊接离线编程与仿真技术获取的信息，能够直观、准确、高效、实时的检测机器人的TCP是否与待焊工件或焊接夹具干涉以及该工序生产节拍，为后续产品、焊接夹具的结构调整和焊装线设计提供了重要的依据，从而通过机器人焊接离线与仿真消除了焊装工艺设计存在的问题。确保机器人更加精准的完成汽车焊装线的工作。因机器人焊接仿真技术能够快速推动汽车焊装生产的全自动化，汽车生产线数字化的转型，而未来10年内汽车全自动化、数字化生产水平的高低将成汽车制造企业竞争力重要衡量指标。现阶段，国内民族汽车品牌企业正面临着结构转型的困境。通过研究该课题，旨在为民族品牌汽车企业的数字化转型升级及国内汽车行业的发展提供一些意见。该课题的研究对汽车制造企业进一步加深对焊接离线编程与仿真技术应用的研究有着重要的意义。

二、概念界定

（一）工业机器人

工业机器人指具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。工业机器人发展至今，根据技术可划分为第一代、第二代、第三代，依次为示教再现型机器人、初步智能机器人、智能机器人。示教再现型机器人具有记忆能力，它是目前工业中使用最为广泛的一类机器人。因其工作质量受操作人员技术影响较大，缺点是会存在操作质量参差不齐的问题。初步智能机器人能够借助各类传感器感知外部环境，并将感知的信息反馈给机器人.例如：弧焊机器人通过接触传感进行起止点的寻位;利用电弧跟踪、激光传感器、视觉传感器对焊缝实施跟踪。相对第一代工业机器人的自动化程度更高，操作精准度也更高。智能机器人现阶段还处于初步的研究阶段，并未在工业制造中进行应用。它也是下一阶段工业制造应用研究的目标，相对于第二代工业机器人，智能机器人需要改变初步智能机器人对工业流水线的适应性、学习及决策等功能，相当于赋予了工业机器人人脑的功能。因此，它应该具有高度的适应性，以及自主学习、推理、决策等功能。

（二）机器人建模与仿真

汽车焊装生产线使用的机器人基本上都是关节机器人，一般是伺服电机驱动的6轴关节式操作机，它由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。仿真时可以在软件的资源库中直接调用机器人模型，如果资源库中不存在实际使用的机器人型号时可以联系机器人厂家提供模型。以汽车焊装为例，采用Tecnomatix数字仿真工具对汽车焊装的工艺流程进行建模及仿真分析，帮助汽车制造企业对制造流程的设计进行验证，从而通过仿真分析结果调整焊装工艺，以实现缩短作业时间、提高工艺水平和降低制造成本的目的。Tecnomatix分为ProcessDesigner（PD）和ProcessSimulate（PS）两个软件模块，汽车焊装的生产工艺主要通过PD模块的应用完成。PS在汽车焊装中应用时产品设计、检查验证、调整优化的仿真分析流程如下图所示。

（三）焊接仿真

焊接仿真可以通过Robcad软件完成。Robcad软件是一款用于工作单元仿真的工具，也具有开发、仿真、优化、验证、离线设计多设备机器人及自动制造流程功能。它还能够创建三维立体环境，并对整个制造单元和系统进行完全可动的数字样机的构建，并为流程优化及计算开发时间表各阶段的周期时间提供一个平台。先通过Robcad软件进行文件导入，然后用Kinematics为3D模型添加机械动作，再创建Cell文件，生成焊接轨迹，最后完成焊接标准作业程序（SOP）流程的制作。

1.文件导入

Robcad软件有ce和co两种数据形式。文件导入时要根据预览图进行手动添加。ce数据只包含装配信息，co数据包含三维数据。根据SOP流程制作的需求选择导入文件的数据格式，并依次设置project文件路径和library路径。

Robcad文件导入的步骤参考如下：打开AutoCAD目标文件→选择“另存为”→更改保存类型为DXF后保存→点击Data的CADImport选取要转换的文件及其对应类型→将Import转换为co文件。

2.添加机械动作

通过Kinematics添加机械动作的步骤参考如下：点击Robcad→点击project存放co文件的文件夹→点击Robcad中的Modeling下的Files下的Open打开转换好的co文件→点击Open下的Independent，在component栏目中选择需要编辑的3D模型导入→点击Kinematics下的Link部分的Creat来建立连接，连接模型固定部分→重复选择模型的固定，连接模型动作部分的组建（一般需要通过选择三次来完成模型的固定。第一次选择主体，选择固定不动的部分;第二次选择上极;第三次选择下级）→点击Kinematics下的Axis及模型上动作轴的两侧，作为Axis线的第一点和第二点，建立模型的关节轴→联系模型固定部分、动作部分及关节轴→点击Accept完成制作→给夹爪气缸模型设置开合状态。夹爪的开合状态包括ope、close、hone三种。

3.创建Cell及焊接平台

生成焊接轨迹的步骤参考如下：新建Cell文件名→导入项目需要的CO文件库源，并自定义导入模型资料→使用PlacementEditor功能移动工作区间内的模型位置，并按照LAYOUT布局资料将模型准确放入工作空间内→安装焊枪→焊接平台搭建完成。

4.生成焊接轨迹

生成焊接轨迹的方式有两种：（1）通过外部数据的导入生成焊接轨迹。该方法以3D软件中待焊接产品坐标系为基准，生成焊接路径，导出焊接点位信息。再对点位信息通过微调后确定精准的X/Y/Z/点位数据，在项目目录下建立文本文档保存文件数据。将轨迹信息直接导入Robcad软件专案中，生成焊接轨迹。（2）在Robcad软件中手动创建焊接轨迹。选择PathEditor增加路径，生产轨迹所需点位，确定并生产路径。通过调整焊点方向来找位置，并生成过渡点。在Path路径中增加过渡点。最后选择Motion栏中机器人和焊接轨迹并电机，确定观看焊接动作，生成焊接轨迹。

5.完成SOP流程的制作

点击Robcad软件菜单，下拉菜单点击Workcell选项，再点击Sop，弹出Sequence命令后新建SOP的名称，输入新建名称Operation后选择Type类型设置Robot，点击其属性框的输入框选择机器人，选择规划好的焊接轨迹，最后点击Accept，即可完成单个机器人焊接动作。单个SOP制定成功后，继续制造工装夹爪的开合动作，依次规划动作时序就完成SOP流程的制作。

三、机器人焊接离线编程与仿真在汽车焊装中的应用优势

（一）确认及反馈机器人操作范围与焊枪角度的优势

机器人焊接仿真分析应用于复杂的焊接工件时，通过模型模拟及仿真分析验证焊接动作，反复地确认机器人的操作范围及焊枪角度，并提供反馈。它的好处在于通过建模仿真分析来对机器人焊接轨迹及焊接动作进行调整，从而降低汽车焊装线上机器人操作的失误率。

（二）机器人节拍计算及协调模拟的优势

通过仿真分析，可以取得更加精准的作业节拍，并验证机器人焊接动作的协调性。为工艺设计者尽早制定明智的决策可供依据，从而提高了加工效率和加工的灵活性。同时降低了生产成本，降低了风险，提高了企业的收益。

（三）离线编程的优势

通常来讲，机器人编程可分为示教在线编程和离线编程。示教在线编程过程烦琐、效率低。精度完全是靠示教者的目测决定，而且对于复杂的路径示教在线编程难以取得令人满意的效果。但是工业机器人离线编程就完全不同了，能够减少机器人的停机时间，当对下一个任务进行编程时，机器人仍可在生产线上进行工作，使工作人员远离了危险的工作环境，而且适用范围广，可对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程。

四、机器人焊接仿真在汽车焊装中的应用

（一）在汽车减震器焊接中的应用

机器人焊接仿真应用于汽车减振器焊接时，可选定双机器人、双工位型进行焊接布局，实施交替作业。这种作业方式，双工位实際上为三轴变位机，该机构及系统的稳定性更好，可靠性更高，系统运行更加安全。在应用双机器人焊接仿真分析时，需要结合顾客需求、焊缝位置、工件产量及质量等进行工艺流程的设计，通过建模仿真分析设计多套方案，并选择最优的方案及其焊接工艺。如在对T50型减震器和334型减震器吊耳焊接时，考虑到两种减震器外筒直径差异较大的情况下，一个工位采用销轴定位法重构吊耳焊接夹具，另一个工作进行焊接作业。焊接334减震器外筒和吊耳时，一个工位采用变换定位杆件并调节夹紧位置和方向对焊件进行夹紧处理，另一个工作进行焊接。双机器人双工位的方式在外筒直径不同的减震器焊接中的应用可以改变依靠更换基座夹紧后再焊接的方式。这种通过交替焊接布局与作业，两个工作同时进行，可以有效地提高焊接的效率和精准性。

（二）在车门焊接中的应用

机器人焊接仿真应用于车门焊接时，可以采用PS对某车型车门焊接工艺流程进行建模及仿真分析，并制定SOP工艺流程。在焊枪的安装和选择上，可根据车门焊接状态选择运动方式。通过定义焊件工具坐标原点来实现对焊枪的安装。激活焊枪后自定义机器人关节轴的活动范围和焊枪角度。将电极头的中心点设置为焊枪工具的坐标原点，并根据车门车型情况调整坐标原点的方向和位置，确定焊枪轨迹与车门车型一一对应时，保存状态数据。最后将焊枪工具的坐标原点与机器人坐标原点相接，通过“Alt+G”测试，点击MountTool命令将焊枪和机器人连接，实现机器人对焊枪的控制。此时，焊枪就会随着编程好的机器人SOP程序发生运动联动。

（三）在白车身焊接生产中的应用

白车身焊装生产的综合性强、难度大。将机器人焊接仿真分析技术应用于白车身装焊生产时，可以通过建模、仿真分析来分析主拼夹具的结构特点，并对白车身装焊夹具进行全方位的装焊设计和焊接工艺的调整和优化。先根据车身结构及夹具结构仿真分析，调整和改变白车身具侧围整体的夹具形式和点位，通过夹具点位坐标确定夹爪的范围和夹具的角度。以B柱为界，将白车身装焊夹具分为前后左右四个网格式夹具形式。通过安装在地板上的夹具上的8个定位锁紧机构对工业机器人夹爪的单个动作进行制作，再制作SOP，并对机器人抓举动作做装配定位和锁紧，形成紧绕白车身的刚体。工业机器人在完成自动装配后松开夹具，并按照预先编程和优化过的SOP流程完成各焊接点位的焊接。

结语

综上所述，机器人焊接离线与仿真技术在汽车焊装中的应用，提升汽车焊装质量和效率，实现汽车制造数字化。同时也是汽车焊装技术发展的一次飞跃。相较于传统的自动化焊接技术，机器人仿真焊接能够通过汽车焊装建模与仿真分析，增强了机器人对汽車焊装作业的适应性。随着技术的发展，汽车焊装流水线上机器人将具备感知外界的反馈能力，具备自主学习、推理、决策等功能。因此，在保证汽车自动化焊装效率的同时，还能有效地提升汽车焊装质量。未来，随着我国机器人焊接仿真技术水平的发展，汽车焊装的智能化水平将会得到进一步提升。届时，将为中国汽车制造提供更加坚实的技术保障，推动中国汽车从制造大国向制造强国发展。

参考文献：

[1]任小康.汽车焊装中机器人焊接仿真技术的应用进展[J].山东工业技术，2015（09）：8.

[2]陈凯丰.试论焊接机器人在汽车焊装领域中的应用[J].科技创新与应用，2015（34）：54.

[3]姜海涛.焊接仿真在焊装领域重要性凸显[J].现代零部件，2011（05）：48-49.

[4]赵君.机器人焊接仿真在汽车焊装中的应用[J].现代零部件，2011（09）：74-75.

[5]高利波，赵水，吴世芳.Tecnomatix仿真在汽车焊接工作中的应用研究[J].现代制造技术与装备，2019（12）：117-119.

[6]秦承华，黄蜜，杨黄锐.汽车零部件点焊柔性工作站的仿真应用[J].汽车零部件，2020（05）：64-68.

[7]白海龙.关于工业机器人在汽车焊装领域中的应用浅析[J].中国设备工程，2020（21）：37-38.

[8]李伟，周杨智，陆玉娇.基于Tecnomatix的数字化工厂软件在汽车焊装车间的应用[J].通讯世界，2018（01）：311-312.

作者简介：邓国辉（1981— ），男，汉族，黑龙江绥化人，本科，初级，研究方向：焊接自动化、焊接应力与变形。