基于PDPS的设备工装干涉验证及机器人路径优化*

陈 浩，王体金，刘 毅，唐灵聪，石 刚,2

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336； 2.浙江吉利动力总成有限公司，浙江 宁波 315800)

0 引 言

随着我国智能制造水平的快速发展，各生产企业的自动化程度越来越高，产品的也更多样化，对产品线要求具备柔性化，能够对于不同的机型能够快速换型。同时企业为了降低生产线改造成本，自主改造对于各主机厂也在逐步加快，自主改造周期缩减。故在项目前期设计阶段采用PDPS 数字化工厂软件对项目进行虚拟仿真，借助虚拟仿真技术对于项目规划设计进行提前干涉验证及机器人轨迹进行优化，以提前避免是否存在设计隐患，缩短项目规划周期。笔者以某发动机的生产线某工位为例，在虚拟环境中进行工艺规划，分配工艺任务，待资源分配到位后，开展工艺流程验证、设备动作及机器人轨迹进行验证。其仿真结果为工艺规划设计工程师评估设计方案的可行性具有重要意义。

1 仿真工位模型建立

1.1 Process Designer中创建项目及资源节点

创建新项目、项目名称与根目录的命名，因不同的主机厂都有不同的标准规范，其子目录资源文件夹结构不同。文中引用某主机厂仿真标准规范，所创建项目及子目录名字，如图1所示。

图1 创建项目 图2 创建项目资源节点

创建项目资源节点，一般情况下包含Libraries(库文件)、Product(产品文件)、Process(工艺资源文件)、Working Folder(工作文件夹)、StudyFolder(工位数据文件夹)等基本资源节点文件夹，如图2所示。

1.2 资源数模的导入

本工位以某发动机生产线的凸轮轴承盖工位为例，其包含ABB机器人(1台)、设备进、出料机动摩擦辊道系统(1套)、抬起定位机构(3套)、电动打标机(1套)、电动拧紧轴(5套)、缸盖罩分离装置(1套)、剔料辊道系统(1套)等，工件数模及设备数模在导入之前也需要事先进行数据处理，将其转化为带有*.cojt壳文件的*.jt格式文件，再针对不同的设备数据进行属性定义，其导入后的工件资源也是以库文件形式显示，可以针对库文件数据进行展开，如图3所示。

图3 资源数据导入

1.3 创建工艺文件及操作库

创建工艺文件是PD/PS软件仿真数据的基础，工艺文件分为数据资源和工艺操作，数据资源节点用以存放仿真产品数据和设备数据等资源信息，工艺操作节点可以存放工艺操作信息，包含操作顺序及工艺顺序。工艺资源一般按照“车间”→“线体”→“区域”→“工位”层次结构进行创建，创建完成数据资源和工艺操作，进行更新同步操作。创建操作库，并在操作标准库资源节点创建工艺操作，比如设备夹具打开与关闭等操作，如图4所示。

图4 资源数据导入

1.4 资源分配到工位

在所创建的StudyFolder节点，将数据资源、工艺操作文件和产品文件夹统一放置在StudyFolder资源文件中，如以上操作，PD软件的仿真操作基本结束，如图5所示。

图5 资源数据导入

2 仿真模型工艺操作

2.1 Process Simulate操作

在上述操作StudyFolder节点创建的工位通过“Open with Process Simulate”操作进行工位加载，就可以直接加载PD工位数据，然后根据layout布局对设备进行调整及安装，例如创建参考坐标、逐步导入设备(带地脚)、 并将其移动到相应的地脚安装位置进行布局、导入设备工装(如：机器人雄克夹具)，然后将其移动到相应工装上进行安装，如图6所示。

图6 设备工位数模

2.1.1 工具属性及运动学定义

对于机器人首先需要创建机器人工具坐标，将工具设置为可编辑状态，在Object Tree中的Gripper图标出现红色标志，则表示已经进入编辑模式，创建Base frame基准坐标和TCP工作坐标，然后选择Tool Definition装载机器人夹具。关于设备运动学需要了解现场工艺，在此基础上建立相应关系，选择其Base模块，建立链接及相 关参数设定，重复以上操作直到所有模块参数设定完成，例如工位设备拧紧枪机构如图7所示。

图7 设备工位数模

2.1.2 创建机器人路径操作

本工位机器人为抓取、搬运和放置的作用， 其具体机器人工艺过程为机器人抓取辊道上的工件，放置到凸轮轴承盖螺栓反松设备的夹具， 机器人抓取反松完的工件，进行螺栓检测，检测螺栓是否存在遗漏，检测完成后放置辊道举升位。在PS虚拟仿真软件中机器人工艺操作、操作路径需要添加到路径编辑器中。对于机器人而言，机器人夹爪手上分别创建Base坐标和Tcp坐标，机器人第六轴法兰端面与夹爪进行装配也需要创建Tool 坐标，在仿真软件机器人属性设置中就可以设置Mount Tool 进行夹爪与机器人法兰端面进行装配，机器人夹爪装载完成后就可以设置机器人夹取与放置，机器人夹取与放置轨迹点，将其设置为Pick和Put点，机器人抓取位置如图8所示。

图8 机器人抓取位置

机器人轨迹是机器人在运动过程中所走的路径，机器人路径也是由机器人轨迹点所构成。在仿真软件中路径编辑器Path Editor窗口中点选机器人焊接操作New Weld Operation，然后在“Operation”菜单栏下，点击“Add Current Location”命令按钮，添加机器人当前位置作为示教点，同样也可以点击“Manipulate Lacation”手动添加路径点，增加初始位置点，可以在路径编辑器Path Editor窗口中点选机器人Home点，然后在“Operation”菜单栏下，点击“Add Current Location”命令按钮，并将其重命名为Home位置点，对于轨迹点也可以进行复制，当然机器人路径点示教可不是只是简单的复制粘贴，需要观察机器人的姿态、周边相关设备等，避免发生干涉现象，依照上述操作，为机器人添加路径点，路径点的添加要包含以下几个原则：精确性、可行性、高效性，按上述步骤，创建机器人轨迹点，如图9所示。

图9 机器人轨迹点

2.1.3 创建仿真时序

在PDPS仿真软件，生产线或工位的规划一般都是基于时序驱动设备的联动仿真，在软件左侧Operation Tree窗口中仿真时序节点，仿真时序节点可以是一个独立操作、也可以是机器人整个路径、也可以是一个完整的工位。本仿真时序是一个完整的工位，选中仿真操作节点，在菜单栏选择“Set Current Operation”命令，就可以看到工艺操作节点时序甘特图，可以直观的看到长短不一的线条，反应每个独立的设备运行的时间，其中指向箭头表示工艺操作中设备运行的先后顺序关系，其中对于设备运行的相应关系需要调整，可以在时序甘特图中针对此操作进行Unlink解除，再根据正确的顺序进行Link连接，同样也可以设备运行顺序在甘特图中同步进行，重复以上操作直至所有的设备运行顺序调整完成，如图10所示。

图10 时序甘特图

3 工位模型仿真分析

3.1 创建碰撞检测操作

碰撞检测设置对于虚拟仿真是必不可缺的重要步骤，通过在设备或机器人在动态运行过程中自动检测是否发生干涉现象，就可以提前规避方案设计阶段发生的缺陷问题，达到提前预知设计方案的风险，从而提升设计效率。

在PS仿真软件中，碰撞检测功能在软件窗口“Collision Viewer”中进行设置，若在界面未显示界面窗口，可以在“Viewers”界面下拉菜单中选中“Collision Viewer”则界面就可以显示，其功能主要有三个功能区域，左侧功能区域为创建设定干涉集合；中间功能区域显示为碰撞检测结果，发生主碰撞显示颜色为红色，被动碰撞为蓝色；右侧功能区域显示为碰撞曲线，是由碰撞对象命名。在干涉检查之前需要创建碰撞集合，在窗口“Collision Set Editor”中添加检测主对象和可能发生碰撞的对象，如图11所示。

图11 碰撞检测设置 图12 辊道干涉检查

3.2 工位模型仿真

碰撞干涉检查按以上操作重复设置完成后，就可以运行工艺操作路径，将所创建的工艺操作“Set Current Operation”，在“Sequence Editor”界面点击“Plays Simulation Forward”按钮，本工位工艺仿真就按照所创建完的时序路径进行模拟，设备运行期间所发生的干涉现象在碰撞界面上以红色显示，同时也可以设置检测到干涉区停止仿真，更加方便直观看到方案设计的风险点。例如本工位通过仿真验证发现主要存在以下干涉点。

(1) 本工位辊道举升位顶升过程中工件零点定位销与传感器装置发生干涉，需要对检测装置布局调整或进行方案优化，如图 12所示。

(2) 机器人抓取工件螺栓反松后的工件进行螺栓检测，凸轮轴承盖螺栓与检测装置存在干涉现象，需要对螺栓孔检测装置进行调整，如图13所示。

图13 螺栓检测装置 图14 拧紧枪螺栓拆卸装置

(3) 螺栓拆卸工装中拧紧枪拆卸凸轮轴承盖螺栓时，拧紧枪与工件发生干涉现象，同样需要拧紧枪装置进行调整，如图14所示。

3.3 机器人仿真路径优化

机器人路径进行仿真对于设备现场安装、调试起到非常重要的作用，优化机器人轨迹能够减少机器人轨迹的运行时间，从而实现机器人节拍的优化，机器人路径在规划阶段就需要考虑机器人在起始点运行过程中就要避开障碍物，从而能够获得在空间中最优的路径。在PS仿真软件中，可以先增加机器人抓取点及主要的机器人点位，在路径规划器中点击“Automatic Path Planner”,就可以根据创建的机器人点位自动增加过渡点，然而自动创建的过渡点存在过多的现象，可以在运行过程中进行删除。对于不同机器人路径操作，机器人Home点可以重复运用，这样可以保证机器人不同的路径能够返回所创建的Home点位，重复以上操作直至所有路径创建完成，如图15所示。

图15 机器人轨迹优化

4 结 语

文中系统的完成了发动机某工位的工艺仿真，从而使工艺流程和机器人路径规划更加清晰、明确，同时运用PDPS软件对工艺规划与设计阶段进行虚拟验证，从而解决了设计阶段存在的弊端，降低现场发生的问题频率，使虚拟仿真与现场更贴近。

随着数字化仿真技术的发展，仿真技术已经运用到各行各业，PDPS仿真实现了设计人员与仿真人员同步进行，缩短了产品开发周期，提高了产品生产的质量，为实体行业创造无限可能。