白车身侧围焊接机器人焊接作业顺序优化研究

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白车身侧围焊接机器人焊接作业顺序优化研究刘海江(济大学机械X程学院，海同 -上 20 9 ) 0 0 2

[摘要]针对轿车白车身焊接机器人作业顺序不合理的问题， 采用启发式的节约算法，有效地解决了焊接机器人焊接作业顺序中的最短路径问题，并实现了优化，编写了相应的程序，以有效地进行焊接作业顺序优化计算。可

关键词：白车身，围。侧焊接作业顺序优化。焊接机器人

A td n t e Op i z t n o edn b tOp rto e u n e Su y o h tmiai fW li g Ro o e ain S q e c of r Bo y. . ie S d n l o d .n. t i e Pa e i whL uHa in i ia g jSho o ca i lE gnei colfMeh n a n ier g,Tni U i rt S ag a 2 0 9 c n ogi nv sy, h n hi 0 0 2 ei

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1前言 汽车白车身是汽车其他零部件的载体，它是一个零部件数量众多、构复杂的体系，的焊接质量结它的优劣对整车质量起着决

定性作用。所以，白车对

2白车身焊接的特点 焊接是白车身制造中重要的加工环节。白车身

的焊接包括对地板、围、门及车身总成等零件和侧车零件总成的装配焊接。它具有以下特点。

身焊接生产线进行规划尤为重要，它是制造出高质量、成本的车身并提高生产效率的关键。随着焊低接技术在白车身制造技术中的发展，焊接机器人被广泛地应用到白车身焊接生产线上。焊接机器人工位规划是白车身焊接生产线规划的重要组成部分， 而在焊接机器人工位规划中，接作业顺序又是工焊位规划的重点之一。 目前国内企业进行白车身焊接机器人作业顺序

( )焊点数量多 1

装夹定位点 170~250 0 0在装配焊接中使用了

个，点 40 0~ 0焊 0 50 0个。

( )使用的焊接方法多 2

各种焊接方法，电阻焊、体保护焊、柱焊、光如气螺激焊等。例如，一辆 Psa轿车车身上有电阻焊焊在 ast点 582个， 9螺栓焊 26个，性气体保护焊焊缝累 0惰计长 237 9 mm等。其中电阻点焊是在车身焊接中应用最广泛的工艺之一。

的规划方案不够完善，导致生产周期过长，响整条影焊接线的生产。因此作者研究的是如何对其进行优化、少机器人工位的生产时间、短整体工时、减缩提高生产效率、编写相应的程序使之能有效地进行并焊接作业顺序优化。

( )对焊接技术的要求高 3

对焊接产品有高的

尺寸精度要求，焊缝接头有高的性能要求，对对批量化焊接生产有高品质的要求，焊接过程有高节拍、对 高效率的要求。 在白车身焊接生产线上使用焊接机器人来完成6%以上的焊点。所以机器人焊接作业顺序规划极 0

原稿收到日期为 20 05年 3月 2 8日，改稿收到日期为 20修 0 5年 6月 1 0日。

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为重要，条合理的焊接作业顺序可以减少机器人一工位的生产时间，短整体工时，高生产效率。缩提 作者以侧围焊接工位为研究对象，析白车身分焊接过程。整个焊接工位的

流程为：输一定位并运夹紧一焊接一松开夹具一运输。在上述生产过程

旅行商问题存在多种类型的求解算法，中包其括穷举搜索法、态规划法、动遗传算法和启发式方法等。其中启发式方法是通过对经验的归纳推理以及试验分析来解决问题的办法，建立在经验和判断是

的基础上，现人的主观能动作用和创造力。体 结合白车身焊接的特点，析机器人焊接路径分优化问题的特点如下。( )白车身的焊点数量多，经过焊点分组之 1但后群体规模大大减少。

中，焊接过程为：器人从作业原点出发，在夹具机对

上装夹的侧围零件进行点焊，在完成一个焊点的焊接之后快速移动至下一焊点继续作业。在完成所有的焊接任务后回到作业原点 。卜

( )从规划的需要出发，合工程实际 ( 2结如避免

3白车身侧围焊接作业顺序优化的数 学原型和技术方案 j’ 某轿车白车身的侧围焊接机器人工位如图 1所示，其焊接过程如下： 3台机器人 B、 D从各自的作 C、业原点出发，在夹具上装夹的侧围零件进行点焊。对 对其中任何一台机器人的焊接过程，可以归纳为都

焊接机器人之间以及机器人与夹具、件、撑装置工支等固定设备的碰撞等问题 )的修正因素，追求过高的

精度没有意义 (常会被修正 )通。 ( )要求通过数学方法对问题进行较为合理的 3解答。

( )从企业的实际出发，求数学方法简单明 4要了，于学习和使用。便 研究选用启发式方法，的优点如下。它 ( )计算步骤简单， 1易于实现，以减少大量的可计算工作量，而节约开支和节省时间。从 ( )能够很大程度上优化焊接作业顺序规划问 2题，减轻规划的工作量。 ( )易于将定量分析与定性分析相结合。 3 3 2白车身侧围焊接作业顺序优化技术方案 .用启发式方法求解问题有多种算法。节约算法

在总数为 Q的焊点组成的网络中选取合理作业顺序和缩短运动时间的问题。如果 p的数量较大，过超 10个， 0就会导致研究对象的规模太大，利于计算不机求解。所以需要对焊点进行分组，少问题的减复

杂程度。作者研究的是在焊点已经分好组，即各个机器人分配的焊点数已定的前提下对单台机器人 ( C机器人 )如的焊接作业顺序进行优化分析，因此

这个问题可以转化为旅行商问题。

又称 cw算法，一种旅行商问题的启发式方法典—是型的算法。它简单、于理解、活性好，分析性易灵可及交互特性都较好。 它的基本思想是首先把各点单独与原点 0相连，成 1仅含一个点的线路。总费用为构条

∑c+∑c 。f l= i l=

式中 z总路径， c器人从原点 0到点的路为 c为机。

径，为 i c 点到原点 0的路径。然后计算将点 i和点J接在一条线路上费用的“约值” .连节为图 1侧围焊接机器人工位

(,=C+C i, _ ) O i嘶+一( 0+c ) 0+c c+c =C i 一。 O+。 () 2

3 1旅行商算法的基本思想 .旅行商问题的一般描述为：行商从驻地出发，旅经过所有目的地一次后返回原地，如何安排其旅应行线路，能使旅行距离 (时间、用等 )少。才或费最 这里的旅行商问题指的是一台机器人的工具原点位姿(即焊钳原点位姿 )从作业原点出发，接所有焊焊点组，回到作业原点，路程或时间最短。求

式中 c为从 i到点的路径， c器人从原点 点 c为机。 0到点的路径，为点到原点 0的路径。 c sJ=c (, )+c一c 0 () 3

式中 c为点到点的路径。

si ) (,越大，明把 i J说和连接在一起时总路程减少越长。构造线路时，据 s i )大到小的顺根 (,从序进行。

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刘海江：白车身侧围焊接机器人焊接作业顺序优化研究

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将此算法应用到白车身侧位焊接机器人作业顺序优化中就可得技术方案，流程图如图 2所示。其l入机器人在各焊点之间，以输 l及起点与焊点之问的时间

式存储，后根据工程因素进行修正，得最终结然获果。

应用该软件就可以进行焊接作业顺序优化。

{

l算各之间的节计焊点约值，且列表示l并

表● l『 ; B‘ .』

5实例及结论图 1示是某轿车白车身侧围工位的示意图，所

循纠

否

共有 14个焊点，来的经验分布为： 2原 B机器人 3 6

点，器人 5 c机 5点，机器人 3 D 3点，业时间为作 l8, ls利用白车身侧围机器人工位规划系统软件进行规划后，理分配为：合 B机器人 4 3点，器人 c机

匦^, t日—L斗e^h, I—

l

4 3点，器人 3 D机 8点，后应用焊接作业顺序优化然软件就可以进行焊接作业顺序优化，如以 c机器例人为例。( )输入 C机器人 1

删除这对焊点， 所对应L一 .一 1

焊点组坐标。是

( )在经过算法求 2解优化后，的焊接作业新顺序如图 3中按数字顺序所示的 7个区域，示表该工位机器人的焊点任图 3 C机器人的焊

得到最优化焊接路线0 i- … -/ …o

图 2技术方案流程图

4焊接作业顺序优化软件根据技术方案的流程图 ( 2,用 V图 )使 C++为

接作业顺序

务分布。进行计算和优化后，工位作业时间减少 2 s 3。( )从理论上可以采用从 7到 1的焊接顺序。 3

工具就可以编写出白车身焊接作业顺序优化的软件，步骤如下。 ( )输入焊点组坐标。 1

如果采用这样的规划方案，机器人 c焊接 7位置时， 另一台机器人 B也在附近位置焊接，易互相干涉，容所以选择从 1到 7的顺序。 经过实例验证，者使用的方法能够较好地满作

( )计算焊点组之间的运动时间为距离除以平 2均运动速度，者使用仿真软件直接测量出各焊点或

足机器人作业顺序优化的要求。参考文献[ 1卢抗美，王小宝.国外汽车工业焊接技术与设备的现状及发展趋势[] J .电焊机，9 5,5 2: 5 19 2 ( ) 1— .[]陈阳. 2白车身焊接机器人工位规划的仿真及优化[ . D]上海：同济大学，0 4 20 .[ j胡运权，耀煌. 3郭运筹学教程[ .京：华大学出版社， M]北清20 O 2

组之间的运动时间，究采用前者来计算各焊点组研之间的运动时间。

( )利用式 ( ) 3 2计算各焊点之

间的节约值。 ( )进入循环体，写函数 MaSv (找到最 4编 xae )大节约值，并将对应的两焊点 i,提取出来，据算根法进行条件判断。 ( )在循环过程中得到的优化线路以链表的形 5

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