Automobile Technology & Material
基于Robcad的机器人滚边仿真研究
545007） （上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州
摘要：针对传统机器人滚边仿真设计软件功能不完善，现场机器人调试需要对机器人路径做较大更改，以致精度不高的问题，对机器人滚边仿真做了系统研究。以车身门盖上的机
Robcad
器人前盖滚边工位为例，应用西门子 软件，对机器人滚边方案进行了规划，完成了滚边
Robcad OLP（OFF- Line Program）功能
工位的机器人仿真，验证了方案的可行性。同时，应用 的导出滚边离线程序，并将程序下载到现场机器人进行修正后直接用于调试，修正后的效果达到了设计要求，通过多个项目已证明了此方法的实用性和可靠性。并对该仿真技术进行了总结和展望。
Robcad
关键词：机器人 滚边 仿真 离线程序
中图分类号：U466；U468.2 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190399
1 前言
在汽车工业生产中，传统的门盖包边方式主要有桌式包边和压力机模压包边，机器人滚边作为一种新型的包边技术[1- 3]。因其布局灵活，易于柔性化制造的特点，适合目前小批量、多品种的发展趋势，因而在汽车门盖生产中得到越来越多的
应用[4-5]
。传统的机器人滚边一般采用机器人品牌的软
DELMIA FANUC
件或 进行仿真，如 机器人采用
Roboguide。由于机器人公司对数据转换及一些功
能开发的不完善，造成与现场有一定的差异性，导致了现场需要重新调试模拟。鉴于滚边机器人的路径点更多，而且对包边质量一致性要求很高以确保滚边角度的一致性，因此滚边机器人的调试更复杂，反复调试也严重浪费了时间。
Robcad
是西门子的大型机器人设计、仿真和离
Jack
线编程系统[6]，目前的研究多应用在焊接线，如
Hollingum Robcad
通过 利用现有的数模直接生成机
Robcad
器人点焊路径[7]，魏振红等人利用
的虚拟仿
真技术实现了焊接机器人的离线编程和仿真[8]。拟
Robcad
通过西门子的机器人仿真软件 作为载体，对机器人滚边系统做整体研究。通过对机器人工位布局、滚边工具设计、工艺可行性进行设计仿真验证，并进行离线编程，验证离线编程的使用效果。寻找更快捷、更准确的方案，缩短包边设备开发周期，简化现场调试，以更好地发挥机器人滚边的技术优势。
2 机器人滚边方案的规划2.1 滚边定义
机器人滚边是指机器人利用滚轮将外板翻折包裹住内板，使之压合成为一体，实现装配的过程，
以增加门盖总成的整体强度和刚性[5]。其状态一般
1
分为待滚边、预压和主压，各个状态如图 所示。其基本原理是利用安装在机器人末端上的滚边头装置上的滚轮，在包边模的作用下，以一定的压力和
压合角，接触工件外板的翻边，使外板包住内板[9]。
机器人滚边的预压可以一次完成或分成多次预压
30°或45°，具体需综合考
完成[10]，每次翻折的角度为
虑外板的翻边角度和生产节拍来决定。
2.2 滚边方案规划
机器人滚边岛主要由上料口，滚边胎模，机器人，下料口，以及一些切换工具及安全围栏。机器人抓件搬运、抓持滚头沿着待包边零件的轮廓进行运动，分两序依次将外板的翻边进行翻折并压紧内
2D
板，在初期规划可以通过 图来进行，结合车间布局，生产线规划，比如场地大小、整体车身线布置等，对上料口、滚边胎模、机器人和下料口进行合理的布置，同时根据整体的生产节拍要求，还应该考虑各台机器人的工作量的分配，提高机器人的使用
2 40 JPH（JOBS
效率。图 所示的方案，即是根据节拍
Per Hour，小时工作量），包边长度4 300 mm，整体生
产线为直线来设置，通过把上下料口也设置成直线
3
以便跟上下游对接，并采用 台机器人分配工作量，
R1
其中机器人 负责上下件的搬运和滚边，机器人
R2 R3
和 均只负责滚边。在实际应用中，具有较好的平衡性，完全满足生产需求。
3 工位仿真模型的构建3.1 数据转换
Robcad
具有基本的二维、三维建模功能，但是其建模功能比较简单，只能实现简单的造型，无法
CATIA、NX
进行复杂的数据建模。因此，需要先在等三维设计软件中完成数模的设计，再将设计数
Robcad
模转换为 仿真平台可识别的数据。
Robcad IGES、UG、DXF、CATIA
具备与 等常用
3），保证
二维、三维设计软件的数据转换接口（图转换后的仿真数据与三维软件设计数据的一致性。根据不同的仿真数据使用要求，数据大致可
2
分成 类。a.将数据里面的装配转为各组零件，各组零件分别转换，将各组零件按设计状态再装配成一个总成件，达到原设计的装配关系，从而满足仿真种不同工位调用不同数据的需求，也便于数据管理与修改；
b.将数据直接转换为一个单独的整体，仿真使用时也是整体使用，可以简化数据量，利于数据管理。
3.2 工装和工具的定义
在机器人滚边系统中，为了更好地模拟出实
际的状态，可能存在除机器人以外的其它运动模型，如夹具的打开和关闭、转台的旋转以及滑移台的滑动等。三维模型经过数据转换均为静态模
Robcad
型，所以需要对 数模进行运动机构定义，保证仿真运动模型与实际使用的一致性，以达到精确仿真并验证干涉的目的。
Robcad Modeling
的 模块是一个机械设计的模块，除了简单的建模功能，还能进行模型运动仿真
Link，将
的建模。在创建运动关系前，首先创建组件具有相同运动特性的部件设置为一个整体，如分别设置固定的体和运动的体。运动类型有简单的直线运动、旋转运动，也有复杂的多连杆运动、气缸运
4）等，需根据实际的运动关系选择对应的动作
动（图
Slider
类型来创建。对于一般的气缸动作，选择 运动
HOME、CLOSE OPEN 3
类型，定义 和 这 个状态。机器人末端工具如抓手、滚边头等，需要根据设计状态及实际的安装位置准确定义安装法兰处
Base Frame，保证工具能正确安装在机器
的坐标系人法兰上。同时，还需要设置滚边滚轮的工具坐
TCP Frame，tcp Frame
标系 的位置与方向必须与实际机器人示教器中定义的完全一致，以确保离
5
线程序能正常导入到实际机器人中使用。如图
Frame
所示为设定好 的滚头数据。
3.3 建立仿真模型
Layout
以初期规划的 为基础，搭建仿真工作模型，实现从平面到立体的转换，对实际生产环境进行了虚拟仿真。为了方便将数模添加到仿真环境中，每个模型必须有一个安装坐标；装配中的各个组件也必须有共同的世界坐标系，这就要求各个组件的世界坐标不能更改，如车门的坐标与工装的坐标均与车身坐标保持一致。机器人的末端工
Base Frame，使用Mount
具通过建立好的 工具安装
J6
在机器人 轴安装法兰上。
6
建立好的仿真模型如图 所示。通过仿真模型，可以验证进一步验证机器人布局的合理性，并检查机器人的姿态是否舒适合理。利用仿真软件，验证机器人的可达性，科学选择机器人，提高机器人选型及布局优化的设计效率。基于本项目没有特大范围的搬运，以及机器人抓手、滚头的重
FANUC R2000IB/210F。
量信息，本项目选用了使用最为广泛的
3.4 滚边路径规划
本研究项目的机器人运动路径分为搬运路径
Loca⁃
和滚边路径两种，路径生成方法和路径点（
tion）属性也不一样，路径点属性包括运动类型、运
动速度等，优良的运动路径的基本准则是机器人不产生干涉、机器人运动路径短、机器人姿态良好且机器人姿态切换平缓、两个路径点之间不产生
奇异点（J4、J5 J6
和 呈一条直线）。优良路径的制作也是后续离线编程的关键步骤。搬运路径需要
Location，对于滚边路
手动调整机器人姿态并记录
Robcad Cut and Seal
径，通过 的 模块可以自动生成
Location。生成滚边Location
滚边的 可以按设定的
7
曲率半径或按等间距生成，如图 所示为按等间距
Location。
生成的滚边
2 3
根据滚边工艺分 次压合，分别对 个机器人
R1
建立了滚边运动路径，并设计了机器人 的搬运
8
路径，如图 所示。
3.5 滚边路径优化
机器人滚边质量的控制要素主要有冲压件翻边高度、外板外轮廓大小以及滚边压力等，而冲压件质量的高低及稳定性将直接决定机器人滚边的
Robcad
[11]。在
质量及稳定性 仿真环境中，对滚边压力和滚边角度的调整很直观、很简便，因此对于已知的一些冲压零件的缺陷，可以通过对滚边路径进行优化来弥补冲压件的缺陷。
对于外板外轮廓可能出现偏大或偏小的情况，可以通过调整机器人预压的角度来进行弥补。伍俊棠等人[12]通过实际的零件和滚轮研究了滚边角度对滚边后零件轮廓尺寸的影响，结论显
38°时，总尺寸变动量
示当主压的滚压角度增量为
0；当主压滚压角度增量大于45°，尺寸胀出趋势
为加剧。因此，当外板外轮廓出现偏大问题时，应更38°以内，或者调整为两次预
改预压的路径角度在压，使滚边后零件外轮廓向内缩进，以此抵消外板轮廓的偏大量，从而保证滚边后零件的精度。滚边压力通过调整路径点在压力方向上的位移实现，在本项目中，增加压力的方向为路径点
的-Z
方向。压力调整的位移则根据所采用的滚边
1mm
头的特性决定，本项目每增加 的推进量对应
1
的压力值如表 所示。根据滚边所需的压力值，调整路径点的位移，可实现仿真环境中压力的调整。
3.6 机器人干涉检测
机器人滚边路径复杂，滚头与夹具、抓手等之间容易产生干涉，机器人越多干涉区也越多。
Robcad
具有干涉检测功能，可有效反映机器人和夹具间的干涉。通过设置检测干涉部件和近似干涉值进行干涉检测，近似干涉是指当两个部件的距离小于设定的距离时就被认定为干涉。当发生
干涉或近似干涉时，Robcad
软件将自动出现干涉
9
提醒，干涉的部件颜色变成红色，如图 所示。根据干涉检测结果，可以对机器人姿态、位置等进行调整或者对机械机构进行更改，避免实际干涉。
3.7 离线编程
2
机器人编程方式分 种：在线示教编程和离线编程（Off-line Program, OLP）。在现场使用机器人
示教器的编程方式为在线示教编程，在虚拟仿真软件中的编程称为离线编程。相对于在线示教编程，离线编程的优点很明显。
a.可以在设计阶段进行编程，合理利用开发时
间，缩短调试周期；
b.在虚拟环境中对干涉进行判断和修改，避免
实际干涉造成的损失；
c.离线编程的路径点一般是软件生成，编程的
精度很高；
d.减少机器人生产线停线时间，提高生产效率。
机器人滚边路径复杂，要求精度高且一致性
好，离线编程尤其重要。Robcad OLP
软件的 模块可以对机器人的路径点进行运动方式的定义，并能实现示教器中的一些简单编程功能如注释、
Wait
设置、机器人输入输出设置等。最终将
Robcad
中机器人程序导出成实际机器人控制器能识别的程序，并下载到机器人控制器中。实际机
Robcad
器人的程序也可以上传到 中，以便对比和优化等。
Rcs（robot Control⁃
离线编程需要机器人厂家
ler Simulation）软件的支持，robcad RCS
与 通讯成功
10
后，方可进行离线编程。离线编程界面如图 所
示。先定义用户坐标（Uframe Number）与工具坐标（Tool Number），所定义的用户坐标和工具坐标应与
实际机器人使用的一致，在离线编程界面中可以对机器人路径点的运动类型、运动速度等进行设置和调整，所调整的参数类型与实际机器人示教器中的
11
一致。导出的部分离线程序如图 所示。
3.8 离线程序的应用
由于现场设备安装位置及安装角度等并不能100%达到设计状态，稍有偏差都会导致机器人与设计位置的偏离，所以离线程序并不能直接应用于现场调试，需要对离线程序进行校正后才能应
3
用于现场调试。基于 点决定一个平面的原理，离
3 12
线程序的校正依靠 个以上的基准点，如图 所示，通过示教机器人达到基准点位置，对比仿真环境和实际安装的基准点的位置，可以计算出实际安装机器人相对与仿真设计的偏移量，进而实现
13
对离线程序的修正。如图 所示，修正后的机器人姿态达到了设计效果。
4 结论
Robcad
在某主机厂，使用 对机器人滚边进行
13
设计和编程已累计应用在 条滚边生产线中，使用效果均达到了设计效果，对于方案设计、生产线规划和机器人运行调试均体现了较强的优势。
Robcad
a.使用 建立了机器人滚边仿真工位的
2D-layout 3D-layout
模型，实现了 到 的转换，仿真模型与实际状态一致，可以应用于工厂生产线的规划，实现数字化工厂的开发；
b.通过软件自动生成的滚边路径均匀且一致，
达到滚边的设计效果，大幅减少了现场机器人调
试的操作，并且可以推广到机器人涂胶、机器人弧焊等对一致性和连续性要求高的项目；
3 c.使用包边模的 个基准点来修正离线程序，修正后的程序达到了仿真设计的状态，可以推广到机器人点焊、机器人涂胶的领域。
另外，由于现场对基准点依靠肉眼观察，仍然会存在误差及其它不稳定因素，以及目前的仿真环境不能实现外板翻边的受力变形情况，需要配合有限元软件结合使用，这些工作需要在今后的研究中进一步深入挖掘研究和分析。
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