基于DELMIA的机器人柔性滚边系统仿真验证

机器人仿真技术概述

机器人系统仿真是指通过计算机对实际的机器人系统进行模拟的技术。机器人系统仿真可以通过计算机对单机或多台机器人组成的工作站或生产线进行模拟。仿真可以通过交互式计算机图形技术和机器人学理论等，在计算机中生成机器人的几何图形，并对其进行三维显示，用来确定机器人的本体及工作环境的动态变化过程。通过系统仿真，可以在制造单机与生产线之前模拟出实物，缩短生产工期，可以避免不必要的返工。在使用的软件中，工作站级的仿真软件功能较全，实时性高且真实性强，可以产生近似真实的仿真画面；而微机级仿真软件实时性和真实性不高，但具有通用性强、使用方便等优点。目前机器人系统仿真所存在的主要问题是仿真造型与实际产品之间存在误差，需要进一步的研究解决。

机器人仿真主要应用在两个方面：一是机器人本身的设计和研究，这里机器人本身包括机器人的机械结构以及机器人的控制系统， 它们主要包括机器人的运动学和动力学分析，各种规划和控制方法的研究等。机器人仿真系统可为这些研究提供灵活和方便的研究工具，它的用户主要是从事机器人设计和研究的部门和高等学校。机器人仿真的第二个方面的主要应用是那些以机器人为主体的自动化生产线，它包括机器人工作站的设计、机器人的选型、离线编程和碰撞检测等。机器人可为此提供既经济又安全的设计和试验的手段，它的用户主要是那些使用机器人的产业部门。机器人是一种通用机械，通过重新编程，它可以完成不同的工作任务。当机器人改变工作任务时，通常需中断机器人的当前工作，先对机器人进行示教编程，然后机器人按照新的程序执行新的工作。若借助于机器人仿真系统，就可首先在仿真系统上进行离线编程，然后将编好的程序装到机器人中，机器人便可按照新的程序执行新的工作。因此机器人可不必中断当前的工作，从而提高了生产效率，而且这种方法既经济又安全。利用机器人仿真系统进行离线编程在国外已十分普遍，它是机器人仿真系统应用最普遍和最典型的例子。

国内外机器人仿真研究

国外很早便认识机器人仿真在机器人研究和应用方面的重要作用，并从70年代开始进行了这方面的研究工作．在许多从事机器人研究的部门都装备有功能较强的机器人仿真软件系统，它们为机器人的研究提供了灵活和方便的工具。倒如，美国Cornell大学开发了一个通用的交互式机器人图形仿真系统INEFFABELLE，它不是针对某个具体机器人，而是利用它可以很容易建立所需要的机器人及环境的模型，并且具有图形显示和运动的功能。西德Saarlandes大学开发了一个机器人仿真系统R0BSIM，它能进行机器人系统的分析、综合及离线编程，美国Maryland大学开发了一个机械手设计和分析的工具DYNAMAN，它能产生机械手的动力学模型．根据需要可以自动产生F0RTRAN的仿真程序，同时也可产生符号表示的雅可比矩阵，MIT开发了一个机器人CAD软件包OPTARMⅡ，它可用于时间最优轨迹规划的研究。Michigan大学开发了一个机器人图形编程系统—PR0GRESS，其特点是菜单驱动和光标控制，并能有219图形符号来仿真外界的传感器和执行部件，以使用户获得更加接近真实的编程环境。自80年代以来国外已建成了许多用于机器人工作站设计和离线编程的仿真系统，例如美国MCAUTO公司开发了机器人仿真系统PLACE，它主要用于机器人工作站的设计。通用电气公司的研究开发部对Robot-SIM 进行了改进工作。Intergraph公司也研制了一个机器人仿真系统，它更加强调机器人的动力学特性和控制系统对精度及整个性能的影响。Computervision公司开发了软件包Obographix，它具有产生机器人工作路径、仿真机器人运动及碰撞检测等多种功能。Autosimulations公司研制了两个机器人仿真软件包AutoMod和AutoGram ，AutoGram是利用GPSS仿真语言的建模软件，AutoMod是图形显示软件。Deneb公司开发了IGRIP软件，它主要用于工作站设计和离线编程。SRI国际部研制了仿真软件包RCODE，它具有几乎实时的碰撞检测功能，西德Kadsruke大学建立了机器人仿真系统ROSI和ROS2。法国LAMM开发了CARO系统，它主要强调三维数据库设计技术，快速性及能在小机器上运行是其追求的目标。以色列OSHAP公司推出了ROBCAD，它主要用于工作站设计和离线编程，并能将程序下装到系统内。

国内从80年代后期起，许多单位也开始从事机器人仿真技术的研究工作。在国家高技术计划自动化领域智能机器人中，清华大学、 浙江大学、沈阳自动化所及上海交大等单位承担了机器人系统仿真的研制任务，取得了多项研究成果。哈工大、北航、国防科大等单位承担了机器人机构仿真的任务，最后也研制成功一个大型的机器人仿真软件。

DELMIA介绍

DELMIA解决方案涵盖汽车领域的发动机、总装和白车身（Body-in-White），航空领域的机身装配、维修维护，以及一般制造业的制造工艺。使用户利用数字实体模型完成产品生产制造工艺的全面设计和校验。DELMIA数字制造解决方案建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型（PPR）上，此模型使得在整个研发过程中可以持续不断地进行产品的工艺生成和验证。通过3D协同工作，PPR能够有效地支持设计变更，让参与制造设计的多个人的每一个人能随时随地掌握目前的产品（生产什么）、工艺与资源（如何生产）。基于PPR集成中枢的所有产品紧密无缝地集成在一起，涵盖了各种工艺的各个方面，使基于制造的专业知识能被提取出来，并让最佳的产业经验得以重复利用。DELMIA在提供给用户技术与协同工作环境两方面，不断创新进步，以更好地数字化定义产品的制造过程。随着产品的持续改善，客户通过使用DELMIA解决方案，能够大大地提高生产力、效率，在安全性和品质方面得到最大的效益，并同时降低成本。CATIA, ENOVIA 和 DELMIA 解决方案促进了企业技术的改革与创新，减少了产品开发时间，提高了产品质量，增强了产品的竞争力，维护了投资者的利益。CATIA提供产品的解决方案；DELMIA提供工艺与资源的解决方案；ENOVIA提供数据与工作流程的管理功能。三者的整合可以创建数字化产品生命周期管道，支持企业的知识和经验重用。

图4.1 DELMIA界面

DELMIA仿真步骤

创建滚边工作站

DELMIA和CATIA一样，均是达索公司的软件，此前在CATIA上画的三维图能直接导入DELMIA，而不需要经过中间数据格式的转换。

将机器人，滚边夹具系统，滚边胎膜，回转工作台，门盖数模，滚边工具等通过Insert Resource指令作为Resource插入到PPR结构树中，通过罗盘调整它们的位置。为了方便安装到生产单元中，每个组件必须有一个装配或安装坐标，对于汽车各部件的坐标原点位于车身零点，与车身相关的夹具、抓具或其他输送设备的设计坐标均与车身坐标保持一致。在车间规划时，首先定义车间的世界坐标系，以世界坐标为参考，建立各个工作站的坐标。

对于线体仿真，工作站可以参考整个车间布局来建立。以车身原点为工位原点，每个工作站按车间实际位置来进行仿真布局。

对于孤立的工作站，若一台机器人同时有多个工作对象，以机器人原点为工位原点；若一个工作对象有多台机器人对其工作，则以工件原点为工位原点。在本项目中每个工作站均为单台机器人对两个工件进行滚边，故选择机器人为工位原点，以此为基础来布置工件、夹具及其他相关工位器具。机器人和回转台距离大致为2600mm。如图4.2

图4.2 滚边工作站

创建TCP

图4.3 滚边工具坐标设定

为了能更方便地控制滚边工具及机器人的姿态，在DELMIA中设置TCP（工具中心点）。每个滚轮设置四个TCP，目的是保证仿真用设备与实际设备的信息一致及滚边工艺过程中机器人的可达性及良好姿态。

滚边工具需要准确设定安装中心坐标BASE Frame的位姿信息，之后通过Set Tool指令将BASE Frame和机器人法兰坐标重合。那样滚边工具就能精确地安装在机器人上了。如图4.3

设置Tag

KUKA机器人运动类型有三种：PTP（点到点）—工具沿最近的路径运动到轨迹末点；LIN（直线）—工具在规定的速度下沿直线运动；CIRC（圆）—工具在规定的速度下沿圆形轨迹运动。在机器人的工具移动路径上设置Tag，使TCP经过每个Tag，这样机器人就能随TCP一起按照用户需要的路径移动。在每个Tag之间的机器人运动类型可以通过修改机器人的Motion来实现。Tag数量根据实际需要来制定，数量越多滚轮行走路径越接近预期路径，滚边效果越好，但生产节拍会因此慢下来。Tag定好后，建立机器人的Task，然后通过Add Tag指令将机器人动作和Tag连接起来，这样机器人和滚边工具一起就能沿Tag连续运动了。

图4.4 滚边路径上的Tag

夹具和转台运动建模

机器人在进行滚边工作时，滚边工具会和夹具干涉相撞，因此有必要让夹具打开而避免这种情况发生。在Device Building模块中Device Building工具条有建立机械装置功能。首先选择Fixed Part，每套夹具把BRACKET和气缸缸体作为Fixed Part，然后定义约束类型，本设计采用的TUNKERS气缸已经把导杆的直线运动输出为旋转运动，故只要将ARM、CLAMP和气缸输出杆等零件作为整体绕气缸旋转轴旋转。最后加一个角度驱动就能实现夹具的开闭。

转台的运动建模则需在DPM—Assembly Process Simulation模块下。首先，在PPR树的Process下通过Insert Activity指令插入一个动作库，然后使用Create a Move Activity指令将转台上半部分作为对象，通过罗盘旋转180度，旋转过程中使用记录器记录转台的状态，最后通过Process Simulation指令就能看到转台上半部分的连续转动了。

连续运动仿真

之前建立的滚边、夹具和转台运动都是独立的动作，而设计输出需要一套连续的仿真结果。进入Workcell Sequencing模块，使用Insert Activity指令在PPR树的Process下建立两个动作库，因为刚插入的动作是无顺序的，需要对它们排一下先后顺序，打开PERT图表，在PERT图表里将三个动作排序，然后用Link the selected activities指令将各个动作连接起来。如图4.5

图4.5 PERT图表

用Assign a product/resource将第一个和第三个动作库和机器人建立连接。最后，选择Set an Active Task指令对第一个和第三个动作指定一个Robot Task，通过Process Simulation指令就能输出连续的仿真工艺了。如图4.6,4.7,4.8.

图4.6 连续运动仿真a

图4.7 连续运动仿真b

图4.7 连续运动仿真c

汽车工业是基础工业部门，是国家经济自立和综合国力的核心标志，提高汽车工业的自主创新能力对加快工业化、提高国家工业的国际竞争力具有战略意义。多变的市场需求决定了小批量多品种的生产模式，而汽车生产线的原来的设备成了降低产品开发成本、缩短开发周期的瓶颈，本文针对门盖线的包边提出了机器人柔性滚边技术，达到了柔性生产的目的。本文最终完成的成果有：

（1）介绍机器人柔性滚边工艺在国内外的发展现状和趋势，阐述机器人柔性滚边系统在白车身门盖柔性自动化生产线中的研究意义。

（2）针对门盖的总成结构，概述包边类型，把传统包边工艺和机器人滚边工艺进行比较。

（3）使用CATIA画出机器人滚边系统三维模型，并详细介绍系统的各个组成部分。

（4）利用仿真软件DELMIA对机器人柔性滚边系统进行仿真验证。