本發(fā)明涉及自動(dòng)化生產(chǎn)線裝配設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字化工廠的汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線的仿真方法。

背景技術(shù)：

2013年由德國(guó)“工業(yè)4.0小組”在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上率先出的第四次工業(yè)革命概念——“工業(yè)4.0”，是德國(guó)未來(lái)重要的高科技戰(zhàn)略計(jì)劃之一。數(shù)字化工廠作為智能制造工程發(fā)展的一個(gè)方向，其內(nèi)涵豐富，涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、三維仿真、信息管理等多方面技術(shù)，能夠全方位地推動(dòng)制造業(yè)智能化的發(fā)展進(jìn)程，幫助我國(guó)制造業(yè)迅速向“中國(guó)制造2025”第一步目標(biāo)邁進(jìn)。

目前，國(guó)內(nèi)很多制造廠商已經(jīng)普遍使用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化。然而，生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化仿真的研究與應(yīng)用仍然得不到推廣，使數(shù)字化工廠技術(shù)的發(fā)展缺少了關(guān)鍵的一環(huán)。只有結(jié)合數(shù)字化工廠仿真技術(shù)，生產(chǎn)過(guò)程才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用數(shù)字化仿真技術(shù)，可以在關(guān)鍵工位采用機(jī)器人工作，組建生產(chǎn)過(guò)程的信息采集系統(tǒng)，建立起智能化生產(chǎn)過(guò)程；可以在數(shù)字化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線三維模型自由交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型的動(dòng)態(tài)仿真，不僅可以前掌握生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況，還可以大大減少修改成本；可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)計(jì)，降低工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，推廣智能化和網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。

數(shù)字化工廠仿真技術(shù)是數(shù)字化工廠技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，它的使用與推廣將有利于國(guó)內(nèi)制造業(yè)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，從根本上解決生產(chǎn)線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種基于數(shù)字化工廠的汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線的仿真方法。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種基于數(shù)字化工廠的汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線的仿真方法，所述仿真方法包括：

s1、利用數(shù)字化工廠仿真軟件visualcomponents對(duì)汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線進(jìn)行三維建模，通過(guò)模擬仿真構(gòu)建出生產(chǎn)不同類型的汽車門(mén)板焊接生產(chǎn)線，其中，所述汽車門(mén)板焊接生產(chǎn)線包括倉(cāng)庫(kù)存取區(qū)、機(jī)器人焊接區(qū)和傳送與存儲(chǔ)區(qū)；

s2、利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，檢測(cè)工件的完整性、確定胎具的選擇、檢測(cè)焊點(diǎn)的總數(shù)和位置、正確調(diào)用焊頭和胎具；

s3、利用路徑規(guī)劃算法，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行分組，并獲取所述汽車門(mén)板焊接生產(chǎn)線上各個(gè)任務(wù)和工序的時(shí)間。

進(jìn)一步地，所述汽車門(mén)板焊接生產(chǎn)線上為每個(gè)機(jī)器人焊接工位配備焊頭庫(kù)，用于不同類型的工件焊接，實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)。

進(jìn)一步地，所述汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線上的任務(wù)包括：任務(wù)a、任務(wù)b和任務(wù)c，其中所述任務(wù)a為倉(cāng)庫(kù)存取，所述任務(wù)b為機(jī)器人焊接，所述任務(wù)c為傳送與存儲(chǔ)；

所述任務(wù)a包括：工序a1、工序a2，其中，所述工序a1為汽車門(mén)板存儲(chǔ)，所述工序a2汽車門(mén)板傳送；

所述任務(wù)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為抓取汽車門(mén)板并安放于空閑的胎具，所述工序b2為4-xyz工位1中的4臺(tái)四軸機(jī)器人從焊頭庫(kù)中更換焊頭，所述工序b3為4-xyz工位1中的4臺(tái)四軸機(jī)器人根據(jù)焊點(diǎn)分組結(jié)果進(jìn)行焊接，所述工序b4為4-xyz工位2中的4臺(tái)四軸機(jī)器人從焊頭庫(kù)中更換焊頭，所述工序b5為4-xyz工位2中的4臺(tái)四軸機(jī)器人根據(jù)焊點(diǎn)分組結(jié)果進(jìn)行焊接，所述工序b6為2-6robot工位中的2臺(tái)六軸機(jī)器人從焊頭庫(kù)中更換焊頭，所述工序b7為2-6robot工位中的2臺(tái)六軸機(jī)器人根據(jù)焊點(diǎn)分組結(jié)果進(jìn)行焊接，所述工序b8為從胎具中分離汽車門(mén)板。

進(jìn)一步地，所述步驟s1具體包括：

s11、機(jī)器人設(shè)備的選型，分別選取抓取機(jī)器人、四軸xyz焊接機(jī)器人以及六軸焊接機(jī)器人；

s12、機(jī)器人焊接區(qū)的搭建，其中，所述機(jī)器人焊接區(qū)包括：1個(gè)抓取機(jī)器人、8個(gè)四軸xyz焊接機(jī)器人、2個(gè)六軸焊接機(jī)器人、4個(gè)用于裝載汽車門(mén)板的可循環(huán)使用胎具、1條可升降的用于運(yùn)輸胎具的傳送帶、1條汽車門(mén)板傳送帶和1條成品傳送帶；

s13、傳送與存儲(chǔ)區(qū)的搭建，其中，所述傳送與存儲(chǔ)區(qū)包括：1個(gè)xy向傳送帶、1個(gè)貨架、2個(gè)碼垛機(jī)和3個(gè)出入貨工作站；

s14、掃碼裝置的裝配，通過(guò)固定在傳送帶上的紅外掃碼裝置，在汽車門(mén)板經(jīng)過(guò)的時(shí)候進(jìn)行記錄，確定汽車門(mén)板出現(xiàn)在某個(gè)工位的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)零部件或產(chǎn)品的實(shí)時(shí)跟蹤；

s15、視覺(jué)識(shí)別裝置的裝配，采用機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行輔助生產(chǎn)，使得機(jī)器人能夠自動(dòng)跟蹤并捕捉零件。

進(jìn)一步地，所述步驟s2具體包括：

s21、工件完整性的檢測(cè)，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)獲得工件的圖像，對(duì)預(yù)處理后的工件圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)和輪廓提取，再進(jìn)行特征匹配，從而判斷出工件個(gè)數(shù)、種類、型號(hào)、尺寸信息，確定工件是否完整；

s22、焊點(diǎn)總數(shù)和位置的檢測(cè)，當(dāng)識(shí)別出工件的每個(gè)部件后，為了檢測(cè)實(shí)際的每個(gè)部件中是否具有正確的焊點(diǎn)數(shù)和位置，通過(guò)對(duì)比實(shí)際的工件圖是否在圓圈處具有相應(yīng)的焊點(diǎn)，如果全部具有，則工件的焊點(diǎn)總數(shù)和位置都是正確的；

s23、正確調(diào)用焊頭和胎具，當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)獲得工件的外圍輪廓，就可以匹配出對(duì)應(yīng)的胎具，然后將胎具信息傳輸?shù)綀?zhí)行系統(tǒng)，就可以成功調(diào)用正確的胎具。當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別出工件中的各個(gè)部件，就可以對(duì)應(yīng)得到每個(gè)部件所需的焊頭型號(hào)，將這些信息傳輸?shù)綑C(jī)械臂，機(jī)械臂就可以從焊頭庫(kù)選擇合適的焊頭，就可以完成相應(yīng)部件的焊接。

進(jìn)一步地，所述步驟s3具體包括：

s31、對(duì)汽車門(mén)板所含的焊點(diǎn)進(jìn)行分組，基于路徑規(guī)劃算法，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行合理的分組，提高生產(chǎn)線的效率；

s32、在每個(gè)區(qū)域內(nèi)，基于最小半徑法，規(guī)劃該區(qū)域內(nèi)機(jī)械臂的焊接次序；

s33、根據(jù)焊點(diǎn)分組結(jié)果及數(shù)字化工廠的仿真結(jié)果，得到每個(gè)工序所需的時(shí)間，并根據(jù)所需的時(shí)間，判斷是否需要通過(guò)增加或減少工位，來(lái)提升效率。

進(jìn)一步地，根據(jù)數(shù)字化工廠的仿真結(jié)果，得到每個(gè)工序所需的時(shí)間，并根據(jù)所需的時(shí)間，判斷是否需要通過(guò)增加或減少工位。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1)實(shí)現(xiàn)基于visualcomponents對(duì)汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)。

2)基于機(jī)器視覺(jué)的工件完整性檢測(cè)及焊點(diǎn)總數(shù)檢測(cè)，可以檢測(cè)出不合格的輸入工件，防止無(wú)用的加工，并可以根據(jù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)果，對(duì)不同的工件，調(diào)用對(duì)應(yīng)的機(jī)器人程序，實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)。

3)通過(guò)路徑規(guī)劃算法，對(duì)工件所含的焊點(diǎn)進(jìn)行合理的分組，提高效率。

4)該生產(chǎn)線上搭配有焊頭庫(kù)，可以存放不同工件所需的焊頭，實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)，并可根據(jù)數(shù)字化工廠的仿真結(jié)果，來(lái)決定是否需要增加或減少工位，以提高效率。

附圖說(shuō)明

圖1是visualcomponents生產(chǎn)線設(shè)備俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是visualcomponents生產(chǎn)線設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是焊接工位設(shè)計(jì)示意圖；

圖4是基于路徑規(guī)劃的焊點(diǎn)分組圖；

圖5是機(jī)器視覺(jué)模塊工作流程圖；

圖6是工件圖及特征提取圖；

圖7是工件外圍輪廓提取圖；

圖8是工件焊點(diǎn)數(shù)量及位置檢測(cè)；

圖9是焊頭庫(kù)的三維模型；

圖10是焊接工位工作流程；

圖11是生產(chǎn)線工作流程。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

本實(shí)施例公開(kāi)了一種基于數(shù)字化工廠的混合空氣開(kāi)關(guān)裝配生產(chǎn)線的仿真方法，如附圖11所示，該仿真方法包括下列步驟：

s1、利用數(shù)字化工廠仿真軟件visualcomponents對(duì)汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線進(jìn)行三維建模，通過(guò)模擬仿真構(gòu)建出生產(chǎn)不同類型的汽車門(mén)板焊接生產(chǎn)線，其中，所述汽車門(mén)板焊接生產(chǎn)線包括倉(cāng)庫(kù)存取區(qū)、機(jī)器人焊接區(qū)和傳送與存儲(chǔ)區(qū)；總的設(shè)計(jì)方案如附圖1及附圖2所示。

s11、機(jī)器人設(shè)備的選型：選用abb公司的機(jī)器人，型號(hào)是irb2400l和irb120。其中，irb2400l為抓取機(jī)器人及六軸焊接機(jī)器人，irb120為四軸焊接機(jī)器人。抓取機(jī)器人主要負(fù)責(zé)從傳送帶抓取工件到工作平臺(tái)，四軸焊接機(jī)器人主要負(fù)責(zé)焊接垂直方向的焊點(diǎn)，六軸焊接機(jī)器人主要負(fù)責(zé)焊接帶角度的焊點(diǎn)。

s12、機(jī)器人焊接區(qū)搭建，所述機(jī)器人焊接區(qū)包括：1個(gè)抓取機(jī)器人、8個(gè)四軸xyz焊接機(jī)器人、2個(gè)六軸焊接機(jī)器人、4個(gè)用于裝載汽車門(mén)板的可循環(huán)使用胎具、1條可升降的用于運(yùn)輸胎具的傳送帶、1條汽車門(mén)板傳送帶和1條成品傳送帶，焊接工位設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示，工作流程如圖10所示；

s13、所述傳送與存儲(chǔ)區(qū)搭建，所述傳送與存儲(chǔ)區(qū)包括：1個(gè)xy向傳送帶、1個(gè)貨架、2個(gè)碼垛機(jī)和3個(gè)出入貨工作站；

s14、裝配掃碼裝置，通過(guò)固定在傳送帶上的紅外掃碼裝置，在汽車門(mén)板經(jīng)過(guò)的時(shí)候進(jìn)行記錄，確定汽車門(mén)板出現(xiàn)在某個(gè)工位的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)零部件或產(chǎn)品的實(shí)時(shí)跟蹤；

s15、裝配視覺(jué)識(shí)別裝置，采用機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行輔助生產(chǎn)，使得機(jī)器人能夠自動(dòng)跟蹤并捕捉零件。

s2、利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，檢測(cè)工件的完整性、確定胎具的選擇、檢測(cè)焊點(diǎn)的總數(shù)和位置、正確調(diào)用焊頭和胎具。其中，視覺(jué)模塊工作流程如圖5所示。

s21、工件完整性檢測(cè)，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)獲得工件的圖像，對(duì)預(yù)處理后的工件圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)和輪廓提取，再進(jìn)行特征匹配，從而判斷出工件個(gè)數(shù)、種類、型號(hào)、尺寸等信息，確定工件是否完整。本實(shí)施例采用基于分?jǐn)?shù)階積分的圖像去噪算法和基于分?jǐn)?shù)階微分的圖像增強(qiáng)算法對(duì)工件圖像進(jìn)行處理，由于相比于傳統(tǒng)的圖像預(yù)處理算法，這些分?jǐn)?shù)階微積分算法對(duì)于工件圖像的去噪和增強(qiáng)效果更好，使工件圖像的信息更加完整，提高了視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工件識(shí)別的準(zhǔn)確性。然后再對(duì)預(yù)處理后的工件圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)和輪廓提取，再進(jìn)行特征匹配，從而判斷出工件個(gè)數(shù)、種類、型號(hào)、尺寸等信息，確定工件是否完整。如圖6所示是工件特征圖。

s22、焊點(diǎn)總數(shù)和位置的檢測(cè)，當(dāng)識(shí)別出工件的每個(gè)部件后，為了檢測(cè)實(shí)際的每個(gè)部件中是否具有正確的焊點(diǎn)數(shù)和位置，通過(guò)對(duì)比實(shí)際的工件圖是否在圓圈處具有相應(yīng)的焊點(diǎn)，如果全部具有，則工件的焊點(diǎn)總數(shù)和位置都是正確的，保證了后續(xù)步驟的進(jìn)行。本實(shí)施例中，利用霍夫圓檢測(cè)算法首先將工件圖中應(yīng)具有焊點(diǎn)的位置畫(huà)上一定大小的圓圈，再對(duì)比實(shí)際的工件圖是否在圓圈處具有相應(yīng)的焊點(diǎn)，如果全部具有，則工件的焊點(diǎn)總數(shù)和位置都是正確的，保證了后續(xù)步驟的進(jìn)行。如圖8所示。

s23、正確調(diào)用焊頭和胎具，當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)獲得工件的外圍輪廓，就可以匹配出對(duì)應(yīng)的胎具，然后將胎具信息傳輸?shù)綀?zhí)行系統(tǒng)，就可以成功調(diào)用正確的胎具。當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別出工件中的各個(gè)部件，就可以對(duì)應(yīng)得到每個(gè)部件所需的焊頭型號(hào)，將這些信息傳輸?shù)綑C(jī)械臂，機(jī)械臂就可以從焊頭庫(kù)選擇合適的焊頭，就可以完成相應(yīng)部件的焊接。工件外圍輪廓提取圖如圖7所示，生產(chǎn)線可根據(jù)其面積判斷工件的類型。

s3、利用路徑規(guī)劃算法，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行分組，并獲取所述汽車門(mén)板焊接生產(chǎn)線上各個(gè)任務(wù)和工序的時(shí)間，如表1所示。

表1.生產(chǎn)線各任務(wù)工序時(shí)間表

s31、對(duì)汽車門(mén)板所含的焊點(diǎn)進(jìn)行分組，基于路徑規(guī)劃算法，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行合理的分組，提高生產(chǎn)線的效率；采用一種基于路徑規(guī)劃的同步定位與多目標(biāo)優(yōu)化方法。在獲知加工件的焊點(diǎn)分布情況后，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行合理的分組管理，設(shè)定每個(gè)機(jī)械臂的焊接區(qū)域。具體分組如圖4所示，其中z1～z4為4臺(tái)四軸機(jī)器人所負(fù)責(zé)的組。

s32、在每個(gè)區(qū)域內(nèi)，基于最小半徑法，規(guī)劃該區(qū)域內(nèi)機(jī)械臂的焊接次序；針對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)，通過(guò)分析目標(biāo)件的焊接點(diǎn)與機(jī)械臂的相對(duì)關(guān)系，構(gòu)建各機(jī)械臂相對(duì)于焊接區(qū)域的坐標(biāo)系，建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，采用機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)原理規(guī)劃焊接機(jī)械臂從當(dāng)前焊接點(diǎn)到下一個(gè)焊接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)律。

該生產(chǎn)線配備有適應(yīng)不同汽車門(mén)板的焊頭庫(kù)，具備柔性生產(chǎn)能力，能夠處理多種汽車門(mén)板，并可根據(jù)仿真結(jié)果，增加或減少相應(yīng)的工位，來(lái)提升生產(chǎn)線效率。

該生產(chǎn)線為每個(gè)機(jī)器人焊接工位配備焊頭庫(kù)，用于不同類型的工件焊接，實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)。焊頭庫(kù)的三維模型如圖9所示。

根據(jù)數(shù)字化工廠的仿真結(jié)果，得到每個(gè)工序所需的時(shí)間，并根據(jù)所需的時(shí)間，判斷是否需要通過(guò)增加或減少工位，來(lái)提升效率。在本實(shí)施例中，數(shù)字化工廠的仿真結(jié)果顯示，4-xyz工位所需的加工時(shí)間為80s，2-6robot所需的加工時(shí)間為40s，為提高生產(chǎn)線平衡率，便采用了兩個(gè)4-xyz工位。

綜上所述，本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)基于visualcomponents對(duì)汽車門(mén)板焊接柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)；基于機(jī)器視覺(jué)的工件完整性檢測(cè)及焊點(diǎn)總數(shù)檢測(cè)，可以檢測(cè)出不合格的輸入工件，防止無(wú)用的加工，并可以根據(jù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的結(jié)果，對(duì)不同的工件，調(diào)用對(duì)應(yīng)的機(jī)器人程序，實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)；通過(guò)路徑規(guī)劃算法，對(duì)工件所含的焊點(diǎn)進(jìn)行合理的分組，提高效率。該生產(chǎn)線上搭配有焊頭庫(kù)，可以存放不同工件所需的焊頭，實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)，并可根據(jù)數(shù)字化工廠的仿真結(jié)果，來(lái)決定是否需要增加或減少工位，以提高效率。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。