副车架侧梁多机器人焊接工作站设计与仿真

No. 9Se..2020
第9期2020年9月组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Techninue
文章编号 #1001 -2265(2020)09 -0126 -04
DOI : 10.13462/j. .nk. mmtamt. 2020. 09. 028
副车架侧梁多机器人焊接工作站设计与仿真
吴亚赛许焕敏2
(1.中冶京诚工程技术有限公司炼铁与储运工程技术所，北京100176；2.河海大学机电工程学 院，江苏常州213022)
摘要#针对目前对于副车架的生产制造的研究较多的是对其前期结构设计和优化，而对其自动化生 产的研究较少的情况，通过分析其焊接过程，设计一种由两台焊接机器人和两台搬运机器人组成的
自动化焊接工作站。

在机器人仿真软件RobotStudic 中根据机器人焊接工作站布局建立仿真环境, 在仿真系统中创建Smart 组件并设计组件内部信号连接以实现动画过程，为4台机器人导入各自的
机器人系统，并为各系统创建I/O 信号，通过工作站逻辑将各系统间信号进行连接实现各系统间通 信。

最后按遗传算法规划的最优焊接路径，利用仿真软件自动编程。

仿真过程表明了所建工作站
布局的正确性，为汽车副车架侧梁的自动化焊接和类似的仿真设计提供了指导。

关键词：副车架；焊接;机器人;RobotStudic ；仿真 中图分类号:TH165 ；TG659 文献标识码:A
Design and Simulation of Multi-robot Welling Workstation for Side Beam of Subframe
WU Ya-aai 1 , XU Huan-min 2
(1 - Iron making and storage and Transportation Engineering Technology Institute , MCC Capital Engineering & Research Inccrporation Ltd. , Beijing 100176, China * 2. Colleee of Mechanicci and Electrical Engineer ­ing , Hohai University , Changzhou Jiangsu 213022,China )
Abitract ) In view ofthefactthatmostoftheresearch on themanufacturing ofthesubframeisitspreimi- nary structura#design and optimieation , bute s oftheresearch on itsautomaticproducing , an automatic welding workstation composed of two welding Tobota and two handling Tobota is designed by analyzing U s welding proces s . In Robotahdio , the simulation environment is built according to the layout of the welding worksaion.In 'hesimueaion sysem , smarcomponen sarecreaed and 'hein ernaesignaeconnecion of componen sisdesigned 'o reaaiee'heanimaion proce s .Fourrobo sareimpored in'o 'heirown robo'sys- tems , and I/O signals are created for each system. The signals between systems are connected through workstation logic to clize the communication between each system. Finally , according to the optimal welding path planned by genetic algorithm , the simulation sofware is used to program automatically. The +imuaation proce ++how+theco r ectne +ofthework+tation aayout , and provide+guidancefortheautomatic weading and +imiaar+imuaation de+ign ofthe+idebeam ofthecar+ubframe.Key woixlt ： subframe * welding * robot * Robotatdio * simulation
副车架是汽车中为提高汽车安装便捷性和乘客乘 车舒适性能而出现的一种结构部件［1］（在对于副车架 的生产制造的研究上，综合目前的情况来看，更多的是 结合有限元软件或拓扑优化等方法对其进行前期的结 构设计和优化&2电'。

对于副车架的加工研究，文献［7 ］ 对副车架焊接进行了详细的焊接工艺分析，论述了焊 接夹具设计时应注意的事项，但其未对副车架的焊接 工序做出详细研究;文献［8 ］根据副车架的结构研究 其生产工艺形式并分析了其工艺可行性和焊接流程, 但该研究仅限于焊接工艺性分析方面,而未涉及副车
架的自动化生产加工;文献&9］通过设计PLC 控制程 序、触摸屏监控界面等开发了一种副车架自动焊接系 统,但该焊接系统中的焊接方式为点焊,而其未对弧焊 方式做出详细研究。

综合来看,目前对于副车架自动化生产加工的研 究并不多,尤其是利用工业机器人进行副车架自动化 焊接的研究也很少。

副车架作为新一代的汽车部件, 其结构复杂，曲线焊缝多且形状不规则，目前其焊接生 产存在一定困难，焊接效率有待提升,且随着汽车销量 的增加，副车架的用量也随之增大。

随着工业机器人 应用的普及和售价的降低，越来越多的工业机器人被 投入汽车制造行业，因此有必要为副车架的焊接生产
收稿日期#2019 - 10 -29;修回日期#2019-11-17
作者简介:吴亚赛（1990—）,男"河北保定人"中冶京诚工程技术有限公司助理工程师"硕士"研究方向为机械工程,（E-mail ） wuyasai@ ceri. com.
cn o
2020年9月吴亚赛，等：副车架侧梁多机器人焊接工作站设计与仿真-127-
研究一种自动化的机器接工作站。

为接对象，针对目前对于其生产制造的现状,根据其结构组成分析其焊接，并最多的接工序为例,建立由两台机器人和两台焊接机器人组成的焊接工作站,在机器软件RobotStudio（以下RS#中建立境，利Smart组件和各机器间的I/O 通信,利传算法规最优焊接路径并编程,实现利用多台机器人对的接过。

1焊接过程分析
图1所示为所的的三维。

该4部组成，为左右和上下两条横（其中，左右侧梁为对式，每个括上下两块板以及其上的支架，图2所示为左侧梁的结构。

每个5个支架组成4个安装座,后续即对左右成中的支架与基板的焊接过程进行拟。

1.左侧染
2.上横梁
3.右侧梁
4.下横梁
图1副车架三维模型
图2左侧梁结构
在设计机器接工作
时，因左右两构对
称，考其放在同一焊接
工作中成接,对
具结构及相应的机器
序即成两个
对称部件的焊接，从而.
少一道工序的设计；每个
上的5个支与
板间的考两台
接机器人协作焊接以提高工
作效率。

左右两
两台机器利具
持，完成左右两的交互
接。

其如图3所
示。

图3左右侧梁焊接流程2建立仿真环境
RS软件利用图面和个人计算机软件开工具包，具三维化功能[10],且能够导入ABB 公司所的机器，定义的机械装置和，如输送链、变位机以及IGES+STEP等格式的3D数据，进而在机器人工作站中动态以及机器序的编写
2.1夹具设计
根据图2所示的构，个上两个安，在具主体结构上设计两个定位销与两个安合，实现在夹具上的定位；成上的支
薄，为防止焊接变形，每个支
持，定在具体构上；在具面计与机器人第6轴末端相连的法兰盘，实现具固定于搬运机器人上。

设计的侧梁夹具如图4和图5所示。

图4左侧梁夹具图5右侧梁夹具
具导入RS中，通过
为其仓U建本地坐标系和工具坐标
定义工具转化为RS
工具。

具安机
器上的如图6所示。

2.2建立工件坐标系
在夹具适当位置设置3个图6夹具安装至U机器人上定位点,其在夹具中的位置如图7中3个粗线方框所示。

这样就RS
软件中的“三点法”来
建工件坐标。

为两台
机器示工
作空间内的3个位置
，从而为两个侧梁分
建工件坐
Wobj_1和Wobj_2,:
样就在两个坐
下分别为两台焊接机器人编写相应程序。

在生产现，通过“三法”示机器人得到两坐标系位置,
序下载即可按程序。

2.3建立仿真环境
根据图3中所示的接,计接工作
布局，并在RS中导入两台型号为IRB2600的接机器人和两台型号为IRB6700的机器，建立
机器人控制柜机器人驱动柜安全围栏
的仿真环境如图8所示。

焊接机器人二
焊援机器人一
右侧梁总成
搬运机器人一
/搬运机器人二
/左侧梁总成
图8焊接工作站RS仿真环境
3仿真系统设计
3.1创建Smart组件和KO信号
Smart组件是RS中的一个重要功能，通过IO
控
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组合机床与自动化加工技术第9期
制实现视觉上的动画效果&13'。

这里主要通过添加子
组件和 各子组件间的连接来完成。

根据图3所示的焊接流程，为 建立两个Smai 子组件ClampLeft 和ClampRighi ，实现两个 在 机器人的运动过中随 机器 时运动；每个 组件 添加Atacher +Plane S ensor + LogicSRLatch 组件， 实现安装动作、安装信号检测、信号锁定的功能。

每个 组件的设计图见图9O 输入信号dinp 激活面传感器 PlaneSensor ,其输出 SensorOut 使安装动作 Atacher 执 (LogicSRLatch 的锁定功能 组件的对外输出信号ClampOK 。

为每台机器 建 Sys260_1、Sys260_2、Sys670_ 1、Sys670_2,并分别为各系统创建I/O 板Board10、Board20、Board30、 Board40。

各机器 中 各 的输入输出信号如表1所示。

求 的最优焊接路径如图11所示，其中“ △”和“ O ”分别表示焊接进入点和焊接结束点。

输人
3
图9夹取组件设计图
Q PlaneSensor
U
Attacher
LogicSRIjtch
属性
属性
属性0rigin(|3846.00 675.07 184....])Parent(PlaneSensor)I/O 信号
Axisl([0.00 600.00 0.00]m.-)FlaneO Set "：：；；》 Outoul Axis2QO.O O 0.00-100.00]...)ChildQeftbeam)Resel ■=…■* InvOulput
SensedPari (left b eam)Mount(False)I/O 信号
OffselQO.O O 0.00 0.00]mm)Active | SensorOut
OrientationQO.O O 0.00O .O OJdeg)
L "0信号
Execute --------♦ Executed 输出□
ClampOK 按照遗传算法优化 的最优焊接路径，通过RS
“动路径”功能编写两台焊接机器人的协作路径程
序，并为两台 机器人的运动路径示教一定数目的 目标点，将所有动作同步到RAPID 程序中，完成了焊 接工作 的编 。

表1仿真过程中的信号配置
机器系统名称信号信号类I/O 板信号明接机器Weldl DI Board10焊接一焊接开始机器人一
Sys260_1
接机器WeldOKl
DO
Board10一焊接完成接机器Weld2
DY Board20接接开机器
Sys260_2
接机器WeldOK2DO Board20接成
InWeldPosL
DO Board30机器
搬运一 接位机器 一
Sys670_l
机器DO
Board30一
安装位机器
InWeldPosR DO Board40搬运接位机器
Sys670_2
机器I j A ss P os R
DO
Board40
安位
4程序调试与仿真
上完成了焊接工作 境的建立和系统
I/O 信号的创建，之后即可对工作 。

力
时，若出现机器 间或机器人与工件之间存在碰 撞，则调整焊接姿态，并同步到RAPID 程序中以完成 程序的调试。

利用IO 面板监视所有IO 信号的状态。

图12a 所示为 机器人一 位后 开始时的状态,此时 机器人一的到位信号InWeldPos 置位， 两台 接机器 的 接开 信号 Wead1 和 Wead2 位。

焊接成后,两台焊接机器的输出信号Wea dOK1和WeldOK2置位，如图12b 所示。

定的工作站动作 如图10所示。

机器
工件
接工位后，其 位信号InWeld-
PosL 和InWeldPosR 均传 两台焊接机器人,触发焊
接机器人输入信号Weld1和Weld2 位。

图10工作站逻辑
3.2焊接路径规划与编程
对 中的所 、焊接条焊缝的机器人、每
条
的焊接方向等信 编码， 接时间最
为优化目标,引入遗传算法，通过种群 化、交叉、变异等过程，对两台焊接机器人的焊接路径 规划。

(b )仿真完成
图12仿真过程图
从整个工作站的
过程(书面 式所限，无法展示动
)
出，焊接过程完成准确，
且没有
2020年9月吴亚赛，等：副车架侧梁多机器人焊接工作站设计与仿真-12%-
发生机器人与焊件或机器人之间的碰撞情况,从而证明了所规划的焊接路径和工作站的设计是正确可靠的。

5总结
(1)本文利用机器人仿真软件RobotStudio对多台机器人协作的焊接工作站对汽车副车架侧梁进行焊接过程仿真，对RobotStudio软件Smai组件、I0信号等的创建和多机器人系统间通信连接、利用遗传算法规划焊接路径等流程进行了研究。

通过本文的研究，可以为同类型焊件的焊接加工和多机器人焊接工作站的设计提供参考；
(2)机器人自动编程软件与手动示教编程的方式相比,存在诸多优点,如可以利用软件“自动路径“的方法实现对复杂曲线焊缝的自动编程、使操作人员的工作环境更加安全、提高工作效率、节约生产成本等等；
(3)ABB的机器人仿真软件RobotStudio内包含丰富的Smart组件，可以实现更多种功能,但目前对其相关的使用方法的研究并不多,后续亦可对相关方面进行详细研究。

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(上接第125页)
(2)CFRP孔下方有无钛合金支撑对CFRP孔入口质量没有影响;CFRP孔下方无钛合金支撑时孔出口存在毛刺现象，有钛合金支撑的CFRP孔出口处则比较光滑。

所以CFRP孔下方有钛合金支撑能够有效改善孔出口质量。

(3)CFRP孔下方无钛合金支撑孔壁靠近出口处存在加工缺陷；出口处孔壁存在纤维拔出损伤。

所以CFRP孔下方有钛合金支撑能够提高孔壁质量。

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