Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

РТК контактной сварки лонжеронов автомобиля ВАЗ 2110

Подготовка моделей сварных узлов выполнялась в отделе подготовки сварочно-кузовного производства АвтоВАЗ с использованием программных продуктов фирмы AutoDesk. При этом был использован IGES-Translator г.5.2, обеспечивающий передачу поверхностей из других систем (С ATI А, COMPUTERVISION), сформированных с использованием NURBS-тех­нологии.

Далее полученные поверхности сварного узла были переведены в «фасеточное» (face) представление с точностью 0,01 мм (стандартная опция AutoSurf) и сформированы DWG-файлы, воспринимаемые инструменталь­ной графической средой AutoCAD (рис. 8.5).

Перевод в фасеточное представление обеспечил:

• возможность визуализации указанных моделей в режимах HIDE, SHADE, RENDER на всех этапах проектирования;

• возможность построения произвольных сечений, разрезов, вырезов с использованием функций программ РОБОМАКС;

• формирование математической модели для проведения теста столк­новения между перемещающимися объектами.

375-модель сборки двух изделий в сборочно-сварочном приспособле­нии приведена на рис. 8.6.

В рамках системы РОБОМАКС к объекту «сборочно-сварочное приспо­собление + изделие» был введен фрейм системы координатных осей, по кото­рому производится посадка всего объекта на выбранную планшайбу поворот-

>

54

ного стола (по выбранному фрейму крепления на столе). При задании сварных точек на узле была использована сформированная в CATLA информация по положению сварных точек на поверхности и ориентации вектора нормали в виде линий с началом в сварной точке. Формирование фреймов сварных то­чек произведено в соответствии с принятой в РОБОМАКС идеологией фор­мирования фреймов, т. е. оси направлены следующим образом:

ось Z — по нормали к поверхности в сторону подхода верхнего элек­трода сварочных клещей;

оси X и Y находятся в картинной плоскости к оси Z, причем ось Y на­правлена в сторону предполагаемого подхода сварочных клещей (например, ортогонально к кромке изделия);

ось X дополняет систему координат до правой.

Заданные фреймы являются базовыми: от начала фрейма, от их осей производится отсчет таких технологических параметров, как углы ориента­ции сварочного инструмента относительно сварного соединения, свобод­ный параметр у (не влияющий на технологию сварки), смещение клещей относительно сварных точек. Пример условного обозначения и нумерации точек приведен на рис. 8.7.

При создании моделей сва­рочного инструмента использована графическая модель сварочных клещей СКП ВАЗ с креплением торцом к фланцу робота. Подготов­ка сварочного инструмента пред­ставляет собой ввод фреймов креп­ления к фланцу робота и фрейма точки сжатия электродов (Tool Center Point). Первый фрейм нужен для крепления инструмента на фла­нец робота, второй — для програм­мирования движения инструмента в системах координат: сварного со­единения, мировой, инструмента, сварочных электродов. В совокуп­ности эти фреймы необходимы для решения задач кинематики при ро­ботизированной сварке изделия.

Сборка поворотного стола Рис. 8.8. Семистепенной поворотный стол (рис. 8.8) включает следующие этапы: разработки ПТО ВАЗ

• подготовку графических моделей звеньев;

• задание кинематических пар (Rotor & Stator), в данном случае — семь вращательных пар;

• задание фреймов крепления свариваемых узлов на планшайбах стола, что обеспечивает автоматическую посадку изделия на планшайбу с необходимой ориентацией;

• графическую сборку стола в интерактивном режиме;

• задание ограничений на кинематические параметры стола.

Для работы программы анализа столкновений были подготовлены специальные математические модели соответствующих элементов: изделия в сборочно-сварочном приспособлении и кондукторной плиты в сборе, звеньев робота, звеньев стола, элементов ограждения и шкафов. Эти модели создаются автоматически в соответствующих подсистемах РОБОМАКС.

Точность подготовки моделей можно задать в пределах 5...50 мм. Система гарантирует отсутствие столкновений между графическими моде­лями элементов РТК, если подсистема анализа столкновений их не обнару­живает. Если столкновения обнаружены при точности, например, 5 мм, то это означает, что в некоторых положениях между контролируемыми объек­тами может быть расстояние менее 5 мм, т. е. столкновения определяются с «запасом». Время, требуемое на анализ сцены, содержащей все элементы

РТК, включая поворотный стол, пол, ограждение и анализ столкновения клещей со звеньями собственного робота, составляет доли секунды.

Сборка РТК была произведена из подготовленных элементов по чер­тежам АвтоВАЗ. Модель робота ПР161/60 (без удлинителя руки) взята из библиотеки роботов РОБОМАКС (рис. 8.9).

При проектировании РТК из четырех роботов основные проблемы решались моделированием работы роботов № 1 и № 3, поскольку они об­служивают сварные точки на обоих сварных узлах и для них реализуется наиболее сложный режим по достижимости сварных точек роботами.

Для робота № 3:

• плита со свариваемой конструкцией большим измерением ори­ентирована горизонтально и развернута поворотным столом по 1-й оси на 240° от положения загрузки, по 2-й оси на 30° так, что правый лон­жерон находится внизу и плита составляет с вертикальной плоскостью угол 30°;

• робот установлен в точку с координатами 2800 мм, 810 мм, 0 и развернут вокруг вертикальной оси на угол 210°, отсчитываемый от оси X (рис. 8.10);

• сварочные клещи крепятся к фланцу робота с торца;

• робот должен сварить шесть точек, соединяющих левый лонжерон с кронштейном крепления двигателя (точки № 18—20, 25, 30, 31).

Проверка доступности сварочного инструмента к свариваемым точкам. При проектировании РТК прежде всего проверяли доступность сварочного инструмента к свариваемым точкам. Действительно, если электрод не может подойти к свариваемой точке и сталкивается со свар­ным узлом, то дальнейшее проектирование лишено смысла. Необходимо либо выбрать или спроектировать другой сварочный инструмент, либо изменить технологию сварки (перенести точки сварки), либо внести из­менения в сборочно-сварочное приспособление (если столкновение про­исходит с ним).

Поскольку роботы № 1 и 3 расположены симметрично относительно свариваемого изделия, то проверку доступности точек, закрепленных за этими роботами, можно моделировать на одной позиции, например на пози­ции робота № 3. В системе РОБОМАКС для проверки доступности свароч­ного инструмента предусмотрены следующие операции:

• позиционирование сварочного инструмента на совмещенном по сварным точкам и нормалям к поверхности множестве сечений сварного узла — функция Slicing;

• автоматическая проверка позиционирования множества сварочных инструментов на множестве сварных точек — функция Tooltry;

• моделирование подвода-отвода сварочных клещей с визуальной и автоматической проверкой отсутствия столкновений — функция Toolteach.

Рассмотрим все эти способы проверки доступности клещей к сварным точкам, закрепленным для обслуживания за выбранным роботом № 3 на правом и левом лонжеронах. Построенное множество сечений по сварным точкам с указанными номерами точек для робота № 3 и позиционированный к ним сварочный инструмент (базовое направление подхода клещей — ось Y) показано на рис. 8.11.

Из этого рисунка следует, что сварные точки №47, 50, 51, 54 не доступны вследствие пересечения сварочного инструмента с кондукторной плитой (по базовым направлениям подхода). Точки №50, 51 желательно сместить в направлении кромки на 2...3 мм.

Построение в точке № 54 дополнительных сечений с вариацией пово­рота плоскости сечения относительно нормали и включение их в состав ра­нее подготовленного множества сечений и их визуализация происходит ав­томатически с возможностью задания цвета и расположения на заданном слое. Можно установить, что точка № 54 будет доступна при изменении на­правления подхода относительно базового на -30..,^Ю°. При построении сечения клещей и свариваемой конструкции в плоскости клещевины в точке

№ 47, а также вида с обратной стороны кондукторной плиты можно убе­диться в том, что эта точка недоступна.

При использовании функции Tooltry имеется возможность варьиро­вать следующие параметры:

• угол поворота плоскости клещей относительно нормали;

• углы наклона сварочных клещей относительно нормали в пределах технологического конуса;

• смещение точки подхода клещей в плоскости XY фрейма сварной точки.

При автоматической проверке имеется возможность задавать началь­ное приближение и шаг поиска. При нахождении допустимого значения сварная точка считается доступной заданному инструменту. Решение задачи о группировании сварных точек по обслуживающим их сварочным инстру­ментам обеспечивает выбор минимального количества типов инструмента для обслуживания всех сварных точек.

Результаты применения приложения Tooltry совпали с результатами анализа доступности по множеству совмещенных сечений: доступны все сварные точки, кроме № 47 и 1.

С использованием приложения Toolteach была осуществлена проверка не только доступности инструмента к сварным точкам, но и отсутствия столкновений инструмента при переходе между сварными точками, а также при выводе клещей за кромку изделия. Подключение теста столкновений позволяет построить промежуточные точки и осуществить необходимые операции контроля.

В системе РОБОМАКС различают понятия «доступность» и «дос­тижимость» свариваемой точки сварочным инструментом. Доступность — это принципиальная возможность сварки указанных точек заданными сварочными клещами без столкновений с изделием или элементами сбо­рочно-сварочного приспособления. Достижимость — это возможность позиционировать в точку сварки данные сварочные клеши, определен­ным образом закрепленные на заданном роботе. Достижимость без столкновений включает в себя доступность и называется полной дости­жимостью.

Для анализа достижимости в рамках приложения WORKCEEL были сформированы четыре объекта, включающих в себя свариваемые точки DOTS1, DOTS2, DOTS3 и DOTS4.

DOTS1 содержит точки № 47-—54 и ссылку на загруженный в ячейку сварочный инструмент (в ней может быть несколько инструментов);

DOTS2 содержит точки № 9—13, 51—54 и ссылку на загруженный в ячейку сварочный инструмент;

DOTS3 содержит точки № 18—20, 25, 30, 31 и ссылку на загруженный в ячейку сварочный инструмент;

DOTS4 содержит точки № 1—8 и ссылку на загруженный в ячейку сварочный инструмент.

Выбор с помощью мыши на экране монитора графических значков, соответствующих этим объектам, позволяет производить их редактирова­ние: удалять или добавлять свариваемые точки и ссылки на сварочный ин­струмент.

Анализ достижимости свариваемых точек производится в системе РОБОМАКС с помощью команді, i WELD, в которой возможна настройка параметров сварки — углов а, Р, у, определяющих поворот клещей в точке сварки вокруг осей Y, Z и X соответственно. По команде WELD система либо проверяет заданный диапазон по углу у при фиксированных заданных значениях углов аир, либо сканирует заданные диапазоны по всем трем углам относительно заданных начальных значений в поиске достижимых положений клещей и робота. Для решения этой задачи используются алго­ритмы решения обратной кинематической задачи, т. е. определения обоб­щенных координат робота по заданному конечному положению и ориента­ции сварочного инструмента.

При моделировании работы РТК клещи в ряде случаев могут подхо­дить к элементам сборочно-сварочного приспособления и кондукторной плите на расстояние нескольких миллиметров (1...3 мм), при этом подсис­тема анализа столкновений может показать наличие столкновения. В этих случаях при необходимости можно провести дополнительный анализ с по­мощью построения соответствующих сечений в плоскостях точек сварки или сместить на несколько миллиметров точку позиционирования сварочно­го инструмента командами обучения WTOOL или TOOL.

Анализ достижимости точек, предназначенных для сварки роботом № 3, показал, что все семь точек множества DOTS2 (9—13, 55, 56), соеди­няющие левый лонжерон с кронштейном двигателя достижимы, однако следует отметить близость значений обобщенных углов по осям q2 и q5 к границе допустимого диапазона (~1...1,5°). Проверка аналогичным обра­зом множества точек DOTS1 (точки №48—54), соединяющих правый лонжерон и правый соединитель пола показала, что ни одна из них не дос­тижима, так как наклон оси q2 превышает допустимые значения. Анализ достижимости точек, предназначенных для сварки роботом № 1, показал, что все шесть точек, соединяющие левый лонжерон с кронштейном двига­теля, полностью достижимы и ни одна из точек множества DOTS4 (№ 1—8), соединяющих левый лонжерон и левый соединитель пола, не достижима. Таким образом, при заданном закреплении клещей к роботу с торца и заданном расположении роботов № 1 и 3 относительно поворотно­го стола с изделием указанные роботы не могут полностью выполнить поставленную задачу. Для обеспечения достижимости указанных точек возможны следующие действия:

• изменить относительное расположение робота и поворотного стола;

• перераспределить сварные точки между роботами;

• изменить положение планшайбы поворотного стола при сварке группы точек;

• изменить способ крепления клещей к фланцу робота.

Поскольку в соответствии с техническим заданием изменять относи­тельное положение сварочного робота и манипулятора изделия нельзя, из­меним способ крепления клещей к кисти робота и присоединим их со сто­роны, обратной по отношению к силовому цилиндру. Проведем проверку доступности точек из приведенных выше множеств DOTS3 и DOTS4 с по­мощью команды WELD. Все точки становятся достижимыми, кроме точки № 1 (с учетом замечаний по точкам № 2—5, 8), однако при сварке точек, соединяющих левый лонжерон и левый соединитель пола (№ 2—8), угол q2 находится на границе допустимого диапазона. Возможное решение этой проблемы — развернуть плиту со свариваемой конструкцией на 5...7° так, чтобы угол плиты с вертикальной плоскостью составил 35. ..31°.

Достижимость всех точек еще не гарантирует существования траекто­рии обхода этих свариваемых точек, удовлетворяющей кинематическим и динамическим ограничениям по осям робота и свободной от столкновений с

изделием и другими элементами сцены. Для формирования такой траекто­рии (например, для робота № 1) следует сначала с помощью команды обу­чения робота WELD установить роботом клещи во все свариваемые точки рассматриваемого подмножества (выбирается одно из возможных достижи­мых положений). После выполнения команды WELD и выбора допустимых углов а, р, у с помощью команды STORE необходимо сохранить положение клещей и робота (обобщенные координаты робота и поворотного стола) для каждой из свариваемых точек № 2—8, 18—20, 25, 30, 31. Затем для каждой точки введем имя, например D2 х 10 и т. п. Далее запрограммируем и смо­делируем подход клещей к точке сварки № 2. Для этого воспользуемся ко­мандой WTOOL (TOOL) — перемещение клещей относительно системы координат TCP. Сместим клещи в направлении подхода (по оси Y) на 70 мм и запомним полученную точку командой STORE с именем D2 х 70. Теперь командами LIN, РТР смоделируем перемещение клещей из этой опорной точки в точку сварки № 2 (D2 х 10). Если столкновение не обнаружено, пе­рейдем с помощью той же команды LIN из точки № 2 в точку № 3 (D3 х 10). При обнаружении столкновения сместим клещи в точке № 2 (или № 3) вдоль электродов на 2...5 мм (эта операция может потребоваться при малом раскрытии клещевин, если расстояние между точкой TCP и каким - либо электродом составляет несколько миллиметров). Чтобы определить величину смещения, может потребоваться построение сечения в плоскости клещевин (в плоскости TCP XZ). Аналогичным образом командами LIN, РТР перейдем в точки № 4, 5—8, из точки № 8 командой TOOL установим смещение в направлении подхода и смоделируем командой LIN отход кле­щей из точки № 8 в точку, смещенную на 70 мм (D8 х 70). Далее переведем клещи в исходное положение — в точку D8z400, полученную из точки D8 х 70 смещением на 400 мм по оси Z (команда WTOOL). Аналогичным образом моделируется участок обхода точек № 18—20, 25, 30, 31.

Таким образом, формирование траектории обхода свариваемых точек включает следующие основные действия:

1) позиционирование клещей в точке сварки командой WELD;

2) сохранение положения клещей, робота и поворотного стола в точке сварки командой STORE;

3) моделирование перехода в следующую точку сварки командами обучения L1N, РТР, ZR;

4) задание опорных точек в случае обнаружения столкновения, ис­пользуя команды обучения в системе координат TCP (WTOOL, TOOL) или в мировой СК (JOINT, WORLD).

5. Моделирование переходов в опорные точки командами обучения.

Формирование программы движения робота и определение вре­мени цикла его работы. Дальнейшие действия при формировании траекто­рии обхода точек выполняются в такой последовательности:

1) составление и компиляция «off-line» программы управления робо­том в универсальной среде PSC (Program System Compiler);

2) проверка выполнения программы на графиках углов, скоростей и ускорений звеньев робота;

3) ЗП-моделирование программы с автоматическим анализом столк­новений.

Ниже приведен пример анализа одной из программ обхода сварных точек для робота № 1. Плита со свариваемой конструкцией большим изме­рением ориентирована горизонтально и развернута поворотным столом по 1-й оси на 240° от положения загрузки, по 2-й оси на 35°, по 4-й оси на 180° так, что левый лонжерон находится внизу и плита составляет с вертикаль­ной плоскостью угол 35°.

В процессе обхода 14 точек сварки (восемь точек, соединяющих ле­вый лонжерон и левый соединитель пола, и шесть точек, соединяющих ле­вый лонжерон с кронштейном двигателя, — DOTS3 и DOTS4) ориентация плиты не изменяется. Обход точек начинается и заканчивается в одной и той же точке D8z400.

Исходное положение робота показано на рис. 8.12, где отсутствует изображение изделия, указано только положение сварных точек. Такой ре­жим может использоваться при моделировании программы для ускорения перерисовки графической модели РТК. При этом проводится анализ столк­новений с полной моделью РТК.

Время обхода 14 точек сварки роботом (без учета времени на сварку) составило 23,6 с. Угловые скорости звеньев робота составляли не более 30 % от максимально возможных.

Таким образом, в результате анализа достижимости точек, получены следующие результаты:

• точки № 1 и 47 (крайние точки, соединяющие правый и левый лон­жероны с правым и левым соединителем пола соответственно) не доступны для сварки любым типом клещей;

• полностью достижимы семь точек (№ 9—13, 55, 56), соединяющие левый лонжерон с кронштейном двигателя, однако значения углов по осям q2 и q5 близки к границе допустимого диапазона;

• не достижимы восемь точек (№ 47—54), соединяющие правый лонжерон с правым соединителем пола (ось q2 превышает допустимые значения);

• полностью достижимы шесть точек (№ 18—20, 25, 30, 31), соеди­няющие левый лонжерон с кронштейном двигателя;

• не достижимы восемь точек (№ 1-—8), соединяющие левый лонже­рон с левым соединителем пола (ось q2 превышает допустимые значения).

На основании приведенного анализа предложены рекомендации по изменению положения инструментов для роботов № 1 и 3:

1) изменить крепление клещей к ПР и присоединить их со стороны, обратной силовому цилиндру;

2) развернуть плиту со свариваемой конструкцией на 5...7° вокруг го­ризонтальной степени подвижности так, чтобы угол плиты с вертикальной плоскостью составлял 35...37°;

3) исключить точки сварки № 1 и № 7;

4) желательно сместить точки сварки № 2—5, 8, 50, 51 на 2...3 мм в сторону кромки.

В этом случае все точки, закрепленные за роботом № 1, полностью достижимы.

Таким образом, на примере созданного в сварочно-кузовном произ­водстве ВАЗ РТК сварки передних лонжеронов автомобиля ВАЗ 2110 про­демонстрированы некоторые возможности САПР комплексов сварки:

• передача и конвертация моделей из других CAD-систем ( в том чис­ле и NURBS-моделей) в систему РОБОМАКС;

• подготовка моделей элементов РТК: сварной конструкции, свароч­ных клещей, сборочно-сварочного приспособления, поворотного стола, ро­бота и периферийного оборудования;

• сборка сварочной ячейки;

• проверка доступности сварных точек для сварочного инструмента различными способами, включая подвод-отвод его за кромку;

• проверка достижимости сварных точек сварочным инструментом, закрепленным на ПР;

• формирование программ работы и моделирование работы оборудо­вания в РТК;

• подготовка рекомендаций по результатам проектирования.