一种基于数字化工厂的汽车门板焊接柔性生产线的仿真方法

摘要

本发明公开了一种基于数字化工厂的汽车门板焊接柔性生产线的仿真方法，包括下列步骤：利用数字化工厂仿真软件Visual Components设计汽车门板焊接柔性生产线，并对其进行三维建模、模拟仿真和改进优化；通过机器视觉技术，该生产线可以检测工件的完整性、焊点的总数和位置、正确调用焊头和胎具；通过路径规划的方法，对焊点进行合理的分组管理，设定每个机械臂的焊接区域并规划每个区域内机械臂的焊接次序。该仿真方法基于数字工厂，可在生产线真正投入运营之前设计好汽车门板焊接生产线、车间布局、生产过程优化、以及验证可行性和发现错误，可有效减少研发周期和企业成本。

说明书

技术领域

本发明涉及自动化生产线装配设计的技术领域，具体涉及一种基于数字化工厂的汽车门板焊接柔性生产线的仿真方法。

背景技术

2013年由德国“工业4.0小组”在汉诺威工业博览会上率先出的第四次工业革命概念——“工业4.0”，是德国未来重要的高科技战略计划之一。数字化工厂作为智能制造工程发展的一个方向，其内涵丰富，涵盖了产品设计、生产工艺、三维仿真、信息管理等多方面技术，能够全方位地推动制造业智能化的发展进程，帮助我国制造业迅速向“中国制造2025”第一步目标迈进。

目前，国内很多制造厂商已经普遍使用计算机技术实现了产品设计数字化。然而，生产过程的数字化仿真的研究与应用仍然得不到推广，使数字化工厂技术的发展缺少了关键的一环。只有结合数字化工厂仿真技术，生产过程才能真正实现数字化。在生产过程中应用数字化仿真技术，可以在关键工位采用机器人工作，组建生产过程的信息采集系统，建立起智能化生产过程；可以在数字化环境中实现与生产线三维模型自由交互，实现设计模型的动态仿真，不仅可以前掌握生产线的生产情况，还可以大大减少修改成本；可以进一步简化生产过程的设计，降低工业机器人应用系统开发的难度，推广智能化和网络化生产在实际生产过程中的应用。

数字化工厂仿真技术是数字化工厂技术中的一个关键组成部分，它的使用与推广将有利于国内制造业的数字化实现，从根本上解决生产线系统开发的难题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于数字化工厂的汽车门板焊接柔性生产线的仿真方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于数字化工厂的汽车门板焊接柔性生产线的仿真方法，所述仿真方法包括：

S1、利用数字化工厂仿真软件Visual Components对汽车门板焊接柔性生产线进行三维建模，通过模拟仿真构建出生产不同类型的汽车门板焊接生产线，其中，所述汽车门板焊接生产线包括仓库存取区、机器人焊接区和传送与存储区；

S2、利用机器视觉技术，检测工件的完整性、确定胎具的选择、检测焊点的总数和位置、正确调用焊头和胎具；

S3、利用路径规划算法，对焊点进行分组，并获取所述汽车门板焊接生产线上各个任务和工序的时间。

进一步地，所述汽车门板焊接生产线上为每个机器人焊接工位配备焊头库，用于不同类型的工件焊接，实现混线生产。

进一步地，所述汽车门板焊接柔性生产线上的任务包括：任务A、任务B和任务C，其中所述任务A为仓库存取，所述任务B为机器人焊接，所述任务C为传送与存储；

所述任务A包括：工序A1、工序A2，其中，所述工序A1为汽车门板存储，所述工序A2汽车门板传送；

所述任务B包括：工序B1、工序B2、工序B3、工序B4、工序B5、工序B6、工序B7、工序B8，其中，所述工序B1为抓取汽车门板并安放于空闲的胎具，所述工序B2为4-XYZ工位1中的4台四轴机器人从焊头库中更换焊头，所述工序B3为4-XYZ工位1中的4台四轴机器人根据焊点分组结果进行焊接，所述工序B4为4-XYZ工位2中的4台四轴机器人从焊头库中更换焊头，所述工序B5为4-XYZ工位2中的4台四轴机器人根据焊点分组结果进行焊接，所述工序B6为2-6ROBOT工位中的2台六轴机器人从焊头库中更换焊头，所述工序B7为2-6ROBOT工位中的2台六轴机器人根据焊点分组结果进行焊接，所述工序B8为从胎具中分离汽车门板。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11、机器人设备的选型，分别选取抓取机器人、四轴XYZ焊接机器人以及六轴焊接机器人；

S12、机器人焊接区的搭建，其中，所述机器人焊接区包括：1个抓取机器人、8个四轴XYZ焊接机器人、2个六轴焊接机器人、4个用于装载汽车门板的可循环使用胎具、1条可升降的用于运输胎具的传送带、1条汽车门板传送带和1条成品传送带；

S13、传送与存储区的搭建，其中，所述传送与存储区包括：1个XY向传送带、1个货架、2个码垛机和3个出入货工作站；

S14、扫码装置的装配，通过固定在传送带上的红外扫码装置，在汽车门板经过的时候进行记录，确定汽车门板出现在某个工位的时间，从而实现零部件或产品的实时跟踪；

S15、视觉识别装置的装配，采用机器人视觉技术进行辅助生产，使得机器人能够自动跟踪并捕捉零件。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21、工件完整性的检测，利用机器视觉技术获得工件的图像，对预处理后的工件图像进行边缘检测和轮廓提取，再进行特征匹配，从而判断出工件个数、种类、型号、尺寸信息，确定工件是否完整；

S22、焊点总数和位置的检测，当识别出工件的每个部件后，为了检测实际的每个部件中是否具有正确的焊点数和位置，通过对比实际的工件图是否在圆圈处具有相应的焊点，如果全部具有，则工件的焊点总数和位置都是正确的；

S23、正确调用焊头和胎具，当视觉系统获得工件的外围轮廓，就可以匹配出对应的胎具，然后将胎具信息传输到执行系统，就可以成功调用正确的胎具。当视觉系统识别出工件中的各个部件，就可以对应得到每个部件所需的焊头型号，将这些信息传输到机械臂，机械臂就可以从焊头库选择合适的焊头，就可以完成相应部件的焊接。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

S31、对汽车门板所含的焊点进行分组，基于路径规划算法，对焊点进行合理的分组，提高生产线的效率；

S32、在每个区域内，基于最小半径法，规划该区域内机械臂的焊接次序；

S33、根据焊点分组结果及数字化工厂的仿真结果，得到每个工序所需的时间，并根据所需的时间，判断是否需要通过增加或减少工位，来提升效率。

进一步地，根据数字化工厂的仿真结果，得到每个工序所需的时间，并根据所需的时间，判断是否需要通过增加或减少工位。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)实现基于Visual Components对汽车门板焊接柔性生产线的设计。

2)基于机器视觉的工件完整性检测及焊点总数检测，可以检测出不合格的输入工件，防止无用的加工，并可以根据机器视觉系统的结果，对不同的工件，调用对应的机器人程序，实现混线生产。

3)通过路径规划算法，对工件所含的焊点进行合理的分组，提高效率。

4)该生产线上搭配有焊头库，可以存放不同工件所需的焊头，实现混线生产，并可根据数字化工厂的仿真结果，来决定是否需要增加或减少工位，以提高效率。

附图说明

图1是Visual Components生产线设备俯视结构示意图；

图2是Visual Components生产线设备整体结构示意图；

图3是焊接工位设计示意图；

图4是基于路径规划的焊点分组图；

图5是机器视觉模块工作流程图；

图6是工件图及特征提取图；

图7是工件外围轮廓提取图；

图8是工件焊点数量及位置检测；

图9是焊头库的三维模型；

图10是焊接工位工作流程；

图11是生产线工作流程。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种基于数字化工厂的混合空气开关装配生产线的仿真方法，如附图11所示，该仿真方法包括下列步骤：

S1、利用数字化工厂仿真软件Visual Components对汽车门板焊接柔性生产线进行三维建模，通过模拟仿真构建出生产不同类型的汽车门板焊接生产线，其中，所述汽车门板焊接生产线包括仓库存取区、机器人焊接区和传送与存储区；总的设计方案如附图1及附图2所示。

S11、机器人设备的选型：选用ABB公司的机器人，型号是IRB2400L和IRB120。其中，IRB2400L为抓取机器人及六轴焊接机器人，IRB120为四轴焊接机器人。抓取机器人主要负责从传送带抓取工件到工作平台，四轴焊接机器人主要负责焊接垂直方向的焊点，六轴焊接机器人主要负责焊接带角度的焊点。

S12、机器人焊接区搭建，所述机器人焊接区包括：1个抓取机器人、8个四轴XYZ焊接机器人、2个六轴焊接机器人、4个用于装载汽车门板的可循环使用胎具、1条可升降的用于运输胎具的传送带、1条汽车门板传送带和1条成品传送带，焊接工位设计示意图如图3所示，工作流程如图10所示；

S13、所述传送与存储区搭建，所述传送与存储区包括：1个XY向传送带、1个货架、2个码垛机和3个出入货工作站；

S14、装配扫码装置，通过固定在传送带上的红外扫码装置，在汽车门板经过的时候进行记录，确定汽车门板出现在某个工位的时间，从而实现零部件或产品的实时跟踪；

S15、装配视觉识别装置，采用机器人视觉技术进行辅助生产，使得机器人能够自动跟踪并捕捉零件。

S2、利用机器视觉技术，检测工件的完整性、确定胎具的选择、检测焊点的总数和位置、正确调用焊头和胎具。其中，视觉模块工作流程如图5所示。

S21、工件完整性检测，利用机器视觉技术获得工件的图像，对预处理后的工件图像进行边缘检测和轮廓提取，再进行特征匹配，从而判断出工件个数、种类、型号、尺寸等信息，确定工件是否完整。本实施例采用基于分数阶积分的图像去噪算法和基于分数阶微分的图像增强算法对工件图像进行处理，由于相比于传统的图像预处理算法，这些分数阶微积分算法对于工件图像的去噪和增强效果更好，使工件图像的信息更加完整，提高了视觉系统对工件识别的准确性。然后再对预处理后的工件图像进行边缘检测和轮廓提取，再进行特征匹配，从而判断出工件个数、种类、型号、尺寸等信息，确定工件是否完整。如图6所示是工件特征图。

S22、焊点总数和位置的检测，当识别出工件的每个部件后，为了检测实际的每个部件中是否具有正确的焊点数和位置，通过对比实际的工件图是否在圆圈处具有相应的焊点，如果全部具有，则工件的焊点总数和位置都是正确的，保证了后续步骤的进行。本实施例中，利用霍夫圆检测算法首先将工件图中应具有焊点的位置画上一定大小的圆圈，再对比实际的工件图是否在圆圈处具有相应的焊点，如果全部具有，则工件的焊点总数和位置都是正确的，保证了后续步骤的进行。如图8所示。

S23、正确调用焊头和胎具，当视觉系统获得工件的外围轮廓，就可以匹配出对应的胎具，然后将胎具信息传输到执行系统，就可以成功调用正确的胎具。当视觉系统识别出工件中的各个部件，就可以对应得到每个部件所需的焊头型号，将这些信息传输到机械臂，机械臂就可以从焊头库选择合适的焊头，就可以完成相应部件的焊接。工件外围轮廓提取图如图7所示，生产线可根据其面积判断工件的类型。

S3、利用路径规划算法，对焊点进行分组，并获取所述汽车门板焊接生产线上各个任务和工序的时间，如表1所示。

表1.生产线各任务工序时间表

S31、对汽车门板所含的焊点进行分组，基于路径规划算法，对焊点进行合理的分组，提高生产线的效率；采用一种基于路径规划的同步定位与多目标优化方法。在获知加工件的焊点分布情况后，对焊点进行合理的分组管理，设定每个机械臂的焊接区域。具体分组如图4所示，其中Z1～Z4为4台四轴机器人所负责的组。

S32、在每个区域内，基于最小半径法，规划该区域内机械臂的焊接次序；针对每个焊点，通过分析目标件的焊接点与机械臂的相对关系，构建各机械臂相对于焊接区域的坐标系，建立机械臂的运动学和动力学方程，采用机械臂逆运动学原理规划焊接机械臂从当前焊接点到下一个焊接点的运动控制规律。

该生产线配备有适应不同汽车门板的焊头库，具备柔性生产能力，能够处理多种汽车门板，并可根据仿真结果，增加或减少相应的工位，来提升生产线效率。

该生产线为每个机器人焊接工位配备焊头库，用于不同类型的工件焊接，实现混线生产。焊头库的三维模型如图9所示。

根据数字化工厂的仿真结果，得到每个工序所需的时间，并根据所需的时间，判断是否需要通过增加或减少工位，来提升效率。在本实施例中，数字化工厂的仿真结果显示，4-XYZ工位所需的加工时间为80S，2-6ROBOT所需的加工时间为40S，为提高生产线平衡率，便采用了两个4-XYZ工位。

综上所述，本发明方法实现基于Visual Components对汽车门板焊接柔性生产线的设计；基于机器视觉的工件完整性检测及焊点总数检测，可以检测出不合格的输入工件，防止无用的加工，并可以根据机器视觉系统的结果，对不同的工件，调用对应的机器人程序，实现混线生产；通过路径规划算法，对工件所含的焊点进行合理的分组，提高效率。该生产线上搭配有焊头库，可以存放不同工件所需的焊头，实现混线生产，并可根据数字化工厂的仿真结果，来决定是否需要增加或减少工位，以提高效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。