1、2006年(第28卷第4期汽 車 工 程A uto m otive Eng i neer i ng2006(V o.l 28N o .42006083白車身側圍焊接機器人焊接作業順序優化研究原稿收到日期為2005年3月28日,修改稿收到日期為2005年6月10日。劉海江(同濟大學機械工程學院,上海 200092摘要 針對轎車白車身焊接機器人作業順序不合理的問題,采用啟發式的節約算法,有效地解決了焊接機器人焊接作業順序中的最短路徑問題,并實現了優化,編寫了相應的程序,可以有效地進行焊接作業順序優化計算。關鍵詞:白車身,側圍,焊接作業順序優化,焊接機器人A St udy on the O pti

2、m izati on ofW eldi ng Robot Operation Sequence for Body -i n -wh ite S i de PanelL iu Haiji a ngSchool o f M ec han ic a lE ng ineeri ng,Tongji Universit y ,Shangha i 200092Abstract By adopting heuristic saving a l g orit h m,the shortest path prob le m in w e l d i n g robo t operati o n se -quenc

3、e is effectively so lved w ith opti m izati o n realized .A corresponding pr ogra m is developed for conducti n g opti m -i zation co m puti n g for w e l d i n g operation sequence .K eyw ords :Body -i n -white ,Side pane,l W e l d ing operation se quence opti m izati o n ,W elding robot1 前言汽車白車身是汽

4、車其他零部件的載體,它是一個零部件數量眾多、結構復雜的體系,它的焊接質量的優劣對整車質量起著決定性作用。所以,對白車身焊接生產線進行規劃尤為重要,它是制造出高質量、低成本的車身并提高生產效率的關鍵。隨著焊接技術在白車身制造技術中的發展,焊接機器人被廣泛地應用到白車身焊接生產線上。焊接機器人工位規劃是白車身焊接生產線規劃的重要組成部分,而在焊接機器人工位規劃中,焊接作業順序又是工位規劃的重點之一。目前國內企業進行白車身焊接機器人作業順序的規劃方案不夠完善,導致生產周期過長,影響整條焊接線的生產。因此作者研究的是如何對其進行優化、減少機器人工位的生產時間、縮短整體工時、提高生產效率、并編寫相應的程

5、序使之能有效地進行焊接作業順序優化。2 白車身焊接的特點焊接是白車身制造中重要的加工環節。白車身的焊接包括對地板、側圍、車門及車身總成等零件和零件總成的裝配焊接。它具有以下特點。(1焊點數量多 裝夾定位點17002500個,焊點40005000個。(2使用的焊接方法多 在裝配焊接中使用了各種焊接方法,如電阻焊、氣體保護焊、螺柱焊、激光焊等。例如,在一輛Passat 轎車車身上有電阻焊焊點5892個,螺栓焊206個,惰性氣體保護焊焊縫累計長2397mm 等。其中電阻點焊是在車身焊接中應用最廣泛的工藝之一。(3對焊接技術的要求高 對焊接產品有高的尺寸精度要求,對焊縫接頭有高的性能要求,對批量化焊接

6、生產有高品質的要求,對焊接過程有高節拍、高效率的要求。在白車身焊接生產線上使用焊接機器人來完成60%以上的焊點。所以機器人焊接作業順序規劃極#384 #汽 車 工 程2006年(第28卷第4期為重要,一條合理的焊接作業順序可以減少機器人工位的生產時間,縮短整體工時,提高生產效率。作者以側圍焊接工位為研究對象,分析白車身焊接過程。整個焊接工位的流程為:運輸定位并夾緊焊接松開夾具運輸。在上述生產過程中,焊接過程為:機器人從作業原點出發,對在夾具上裝夾的側圍零件進行點焊,在完成一個焊點的焊接之后快速移動至下一焊點繼續作業。在完成所有的焊接任務后回到作業原點1-2。3 白車身側圍焊接作業順序優化的數學

7、原型和技術方案2某轎車白車身的側圍焊接機器人工位如圖1所示,其焊接過程如下:3臺機器人B 、C 、D 從各自的作業原點出發,對在夾具上裝夾的側圍零件進行點焊。對其中任何一臺機器人的焊接過程,都可以歸納為在總數為Q 的焊點組成的網絡中選取合理作業順序和縮短運動時間的問題。如果Q 的數量較大,超過100個,就會導致研究對象的規模太大,不利于計算機求解3。所以需要對焊點進行分組,減少問題的復雜程度。作者研究的是在焊點已經分好組,即各個機器人分配的焊點數已定的前提下對單臺機器人(如C 機器人的焊接作業順序進行優化分析,因此這個問題可以轉化為旅行商問題。 圖1 側圍焊接機器人工位311 旅行商算法的基本

8、思想旅行商問題的一般描述為:旅行商從駐地出發,經過所有目的地一次后返回原地,應如何安排其旅行線路,才能使旅行距離(或時間、費用等最少。這里的旅行商問題指的是一臺機器人的工具原點位姿(即焊鉗原點位姿從作業原點出發,焊接所有焊點組,回到作業原點,求路程或時間最短。旅行商問題存在多種類型的求解算法,其中包括窮舉搜索法、動態規劃法、遺傳算法和啟發式方法等。其中啟發式方法是通過對經驗的歸納推理以及試驗分析來解決問題的辦法,是建立在經驗和判斷的基礎上,體現人的主觀能動作用和創造力。結合白車身焊接的特點,分析機器人焊接路徑優化問題的特點如下。(1白車身的焊點數量多,但經過焊點分組之后群體規模大大減少。(2從

9、規劃的需要出發,結合工程實際(如避免焊接機器人之間以及機器人與夾具、工件、支撐裝置等固定設備的碰撞等問題的修正因素,追求過高的精度沒有意義(通常會被修正。(3要求通過數學方法對問題進行較為合理的解答。(4從企業的實際出發,要求數學方法簡單明了,便于學習和使用。研究選用啟發式方法,它的優點如下。(1計算步驟簡單,易于實現,可以減少大量的計算工作量,從而節約開支和節省時間。(2能夠很大程度上優化焊接作業順序規劃問題,減輕規劃的工作量。(3易于將定量分析與定性分析相結合。312 白車身側圍焊接作業順序優化技術方案用啟發式方法求解問題有多種算法。節約算法又稱C -W 算法,是一種旅行商問題的啟發式方法

10、典型的算法。它簡單、易于理解、靈活性好,可分析性及交互特性都較好。它的基本思想是首先把各點單獨與原點0相連,構成1條僅含一個點的線路?？傎M用為z =Eli=1c 0i +Eli=1c i 0(1式中z 為總路徑,c 0i 為c 機器人從原點0到i 點的路徑,c i 0為i 點到原點0的路徑。然后計算將點i 和點j 連接在一條線路上費用的/節約值0為s(i ,j=c 0i +c i 0+c 0j +c j 0-(c 0i +c ij +c j 0=c i 0+c 0j -c ij(2式中c ij 為從i 點到j 點的路徑,c 0j 為c 機器人從原點0到j 點的路徑,c j 0為j 點到原點0的

11、路徑。s(j ,i=c j 0+c 0i -c ji (3式中c ji 為j 點到i 點的路徑。s(i ,j越大,說明把i 和j 連接在一起時總路程減少越長。構造線路時,根據s(i ,j 從大到小的順序進行。2006(V o.l 28N o .4劉海江:白車身側圍焊接機器人焊接作業順序優化研究#385 #將此算法應用到白車身側位焊接機器人作業順序優化中就可得技術方案,其流程圖如圖2 所示。圖2 技術方案流程圖4 焊接作業順序優化軟件根據技術方案的流程圖(圖2,使用VC +為工具就可以編寫出白車身焊接作業順序優化的軟件,步驟如下。(1輸入焊點組坐標。(2計算焊點組之間的運動時間為距離除以平均運動

12、速度,或者使用仿真軟件直接測量出各焊點組之間的運動時間,研究采用前者來計算各焊點組之間的運動時間。(3利用式(2計算各焊點之間的節約值。(4進入循環體,編寫函數M axSave(找到最大節約值,并將對應的兩焊點i ,j 提取出來,根據算法進行條件判斷。(5在循環過程中得到的優化線路以鏈表的形式存儲,然后根據工程因素進行修正,獲得最終結果。應用該軟件就可以進行焊接作業順序優化。5 實例及結論圖1所示是某轎車白車身側圍工位的示意圖,共有124個焊點,原來的經驗分布為:B 機器人36點,C 機器人55點,D 機器人33點,作業時間為118s ,利用白車身側圍機器人工位規劃系統軟件2進行規劃后,合理分配為:B 機器人43點,C 機器人43點,D 機器人38點,然后應用焊接作業順序優化軟件就可以進行焊接作業順序優化,例如以C 機器人為例。圖3 C 機器人的焊接作業順序(1輸入C 機器人焊點組坐標。(2在經過算法求解優化后,新的焊接作業順序如圖3中按數字順序所示的7個區域,表示該工位機器人的焊點任務分布。進行計算和優化后,工位作業時間減少23s 。(3從理論上可以采用從7到1