焊接機(jī)器人離線編程應(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗(yàn)

1、焊接機(jī)器人離線編程應(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗(yàn)Jenny was compiled in January 2021焊接機(jī)器人離線編程應(yīng)用技術(shù)一、引述隨著國內(nèi)外機(jī)械裝備制造事業(yè)飛速發(fā)展，對(duì)各種機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)周期、產(chǎn)品質(zhì)量、制 造成本，提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種形勢(shì)，設(shè)法提高及保證焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定 性，機(jī)器人的柔性優(yōu)勢(shì)正是解決這一問題的的良好方案。二、機(jī)器人系統(tǒng)簡介通用工業(yè)機(jī)器人，按其功能劃分，一般由3個(gè)相互關(guān)連的部分組成：機(jī)械手總成、控 制器、示教系統(tǒng)（即示教盒）。機(jī)械手總成是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)、機(jī)器人臂、關(guān)節(jié)、末端操作器、以及內(nèi)部傳感器等組成，它的任務(wù)是精確地保證末端 操作器所要求

2、的位置，姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)；控制器是機(jī)器人的神經(jīng)中樞，它由計(jì)算機(jī)硬 件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機(jī)器人專用語言、機(jī)器人運(yùn) 動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件、機(jī)器人控制軟件、機(jī)器人自診斷、自保護(hù)功能軟件等，它處理機(jī)器人 工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作；示教系統(tǒng)是機(jī)器人與人的交互接口，在示教過 程中它將控制機(jī)器人的全部動(dòng)作，并將其全部信息送入控制器的存儲(chǔ)器中，它實(shí)質(zhì)上是一 個(gè)專用的智能終端。三、機(jī)器人編程的類型與應(yīng)用方法目前的機(jī)器人編程可以分為示教編程與離線編程兩種方式。示教編程是指操作人員利 用示教盒控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，使焊槍到達(dá)完成焊接作業(yè)所需位姿，并記錄下各個(gè)示教點(diǎn)的位 姿數(shù)據(jù)，隨

3、后機(jī)器人便可以在“再現(xiàn)”狀態(tài)完成這條焊縫的焊接。離線編程是利用三維圖 形學(xué)的成果，在計(jì)算機(jī)的專業(yè)軟件中建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，通過軟件功能對(duì) 圖形的控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行編程，進(jìn)而自動(dòng)計(jì)算出符合機(jī)器人 語言的文本程序，再通過計(jì)算機(jī)的仿真模擬運(yùn)行后將最終的數(shù)據(jù)程序傳至機(jī)器人控制系統(tǒng) 直接使用。示教編程與離線各有特點(diǎn)。在示教過程中，編程效果受操作人員水平及狀態(tài)的 影響較大，示教時(shí)，為了保證軌跡的精度，通常在一段較短（如100mm）的樣條曲線焊縫 上需要示教數(shù)十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以保證焊接機(jī)器人運(yùn)行平滑及收弧點(diǎn)位置的一致。每段在線示 教編程都需要花很長的時(shí)間。因要盡量保證示教點(diǎn)在

4、焊縫軌跡上，并且要讓焊槍姿態(tài)的連 續(xù)變化，對(duì)操作人員的水平要求很高。另外，示教的精度完全靠示教者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y(cè)決定， 對(duì)于復(fù)雜路徑難以保證示教點(diǎn)的精確結(jié)果。而離線編程是將機(jī)器人所有編程的工作內(nèi)容在 計(jì)算機(jī)軟件在完成，過程一般包括：機(jī)器人及設(shè)備的作業(yè)任務(wù)描述、建立變換方程、求解 未知矩陣及編制任務(wù)程序等。在進(jìn)行圖形仿真以后，根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果，對(duì)程序做適當(dāng) 的修正，以達(dá)到滿意效果，最后在線控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以完成作業(yè)。節(jié)省了在機(jī)器人上編程 的時(shí)間、離線編程的程序易于修改、通過仿真模擬后，防止昂貴的設(shè)備發(fā)生碰撞而損壞、 結(jié)合CAD軟件系統(tǒng)和其它人工智能技術(shù)與機(jī)器人系統(tǒng)一體化，來提高工作效率和焊接質(zhì) 量。由

5、此看來當(dāng)焊縫是直線或者簡單曲線，焊縫上方?jīng)]有干涉物且焊縫的精度要求不太高 的情況下，釆用在線示教的編程方式是非常理想的，但在許多復(fù)雜的作業(yè)應(yīng)用中不是那么 令人滿意了。因此，機(jī)器人離線編程及仿真是提高機(jī)器人焊接系統(tǒng)柔性化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是現(xiàn)代 機(jī)器人焊接制造業(yè)的一個(gè)重要方法。一般工業(yè)機(jī)器人焊接時(shí)，機(jī)器人對(duì)焊接過程動(dòng)態(tài)變 化、焊件變形和隨機(jī)因素干擾等不具有自適應(yīng)能力。隨著焊接產(chǎn)品的高質(zhì)量、多品種、小 批量等要求增加，乂對(duì)機(jī)器人焊接技術(shù)提出了更高要求。這就需要對(duì)本體機(jī)器人焊接系統(tǒng) 進(jìn)行二次開發(fā)，包括給焊接機(jī)器人配置適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎嵝灾苓呍O(shè)備以及相應(yīng)軟件功能， 如焊縫跟蹤傳感、焊接過程傳感與實(shí)時(shí)控制、

6、焊接變位機(jī)構(gòu)。這些功能大大擴(kuò)展了基本的 焊接機(jī)器人的功能，這樣的焊接機(jī)器人系統(tǒng)智能程度的高低由所配置的傳感器、控制系統(tǒng) 以及軟硬件所決定。根據(jù)目前的整體技術(shù)還不太容易滿足機(jī)器人焊接的所有智能要求，但 這是個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)一些特定類型的零部件的機(jī)器人焊接，就像水力發(fā)電設(shè)備的混流水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪 體，葉片與上冠、下環(huán)之間的焊縫曲率變化連續(xù)而劇烈、寬窄不一，焊接區(qū)域厚薄不均、 而且焊縫上面的空間極小，焊縫上部空間大多都有干涉物，要成熟的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接智能 技術(shù)是有相當(dāng)難度的。使用一款合適的此類焊件的離線編程軟件是十分必要的。四、焊接機(jī)器人離線編程軟件概述機(jī)器人離線編程軟件也有兩大類：一種是市場上主

7、流機(jī)器人廠家的離線模擬仿真軟件，這 類軟件只適用于本廠系列的機(jī)器人，不能通用于其它廠家的機(jī)器人，因?yàn)檫@些軟件使用過 程和方法是調(diào)出指定型號(hào)的機(jī)器人、工具和焊接工件、工裝的模型圖，通過虛擬示教盒控 制機(jī)器人進(jìn)行示教編程，相當(dāng)于是將機(jī)器人工具系統(tǒng)和工件、工裝等整體作業(yè)環(huán)境搬進(jìn)了 計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行示教編程，最后將軟件模擬示教得到的程序進(jìn)行仿真運(yùn)行后放到 機(jī)器人系統(tǒng)上正式使用。另一種是當(dāng)前市場大多機(jī)器人可以通用的智能化離線編程的專業(yè) 軟件，這類軟件通常都有三維畫圖、離線編程和模擬仿真等功能的自動(dòng)化集成技術(shù)，這種 軟件的編程過程是通過白身功能命令畫好或?qū)肫渌麮AD軟件設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)工具設(shè)備 和

8、工件工裝等作業(yè)現(xiàn)場的所有物體的模型，使用軟件中的編程模塊，指定工件焊縫以及設(shè) 置工藝參數(shù)白動(dòng)生成焊接機(jī)器人的作業(yè)數(shù)據(jù)，通過模擬仿真后將源程序處理成機(jī)器人控制 系統(tǒng)能夠識(shí)別的目標(biāo)程序，傳入機(jī)器人控制柜。由于機(jī)器人控制柜的多樣性，要設(shè)計(jì)通用 的通信模塊比較困難，因此一般采用后置處理將離線編程的最終結(jié)果翻譯成目標(biāo)機(jī)器人控 制柜可以接受的代碼形式，然后實(shí)現(xiàn)加工文件的上傳及下載。當(dāng)前市場上主流機(jī)器人廠商的離線模擬仿真軟件有徳國KUKA （庫卡）公司的KUKA. Simpro 瑞典ABB公司的Robotstudio、丨丨本安川（motoman）的motosim-EG、丨丨本發(fā) 那科公司的Roboguide

9、以及口本OTC公司使用的離線模擬仿真軟件就叫OTC。國內(nèi)機(jī)器人廠 家暫時(shí)還沒有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模擬仿真軟件。因?yàn)檫@些機(jī)器人公司業(yè)務(wù)主體是機(jī)器人 與控制系統(tǒng)，而并非專業(yè)的軟件公司，這些機(jī)器人廠家為了使自己的機(jī)器人更加適應(yīng)市場 需求，同時(shí)出于對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)保護(hù)的考慮，而開發(fā)了只可用于自己公司機(jī)器人系統(tǒng)的 離線模擬示教軟件。這些軟件雖然沒有三維建模功能，但可以導(dǎo)入其它CAD軟件設(shè)計(jì)的模 型文件，通過虛擬示教方式離線編程，對(duì)于簡單焊縫的作業(yè)倒也實(shí)用。通用性較強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)智能化離線編程的專業(yè)軟件目前也只有國外的一些公司成熟掌 握，主要有：Rob otm aster Robcad、RobotExper

10、t、Robomove Robot works WorkspaceRinasWeld、Powermill 等等。Robotmaster來自加拿大，是目前離線編程軟件市場上頂尖的軟件，兒乎支持市場上 絕大多數(shù)機(jī)器人品牌（KUKA, ABB, Fanuc, Motoman,史陶比爾、珂瑪、三菱、DENSO、松 下）。優(yōu)點(diǎn)是可以按照產(chǎn)品數(shù)模，生成程序，適用于切割、銃削、焊接、噴涂等等。 獨(dú)家的優(yōu)化功能，運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃和碰撞檢測(cè)非常精確，支持外部軸（直線導(dǎo)軌系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系 統(tǒng)），并支持復(fù)合外部軸組合系統(tǒng)；缺點(diǎn)是暫時(shí)不支持多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)模擬仿真。Robcad：西門子旗下產(chǎn)品，在車廠占統(tǒng)治地位，是做方案和項(xiàng)目規(guī)劃

11、的利器。優(yōu)點(diǎn)是 支持離線點(diǎn)焊、支持多臺(tái)機(jī)器人仿真、支持非機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真，精確的節(jié)拍仿真；缺 點(diǎn)是價(jià)格昂貴、離線功能較弱、人機(jī)界面不友好RobotExpert：西門子新出的離線軟件，可以理解為Robcad的廉價(jià)版和界面優(yōu)化版。Robomove：來自意大利，同樣支持市面上大多數(shù)品牌的機(jī)器人，機(jī)器人加工軌跡由外 部CAM導(dǎo)入，與其他軟件不同的是，Robomove走的是私人定制路線，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行定 制。軟件操作自由，功能完善，支持多臺(tái)機(jī)器人仿真，缺點(diǎn)是需要操作者對(duì)機(jī)器人有較為 深厚的理解，策略智能化程度與Robotmaster有較大差距。Robotworks：基于solidworks, sol

12、idworks本身不帶編程功能。RobotWorks可建立高 質(zhì)量的3D模型，可以生成日本FANUC、安川電機(jī)、川崎重工、瑞典ABB、徳國Kuka及法國 Staubli生產(chǎn)的機(jī)器人程序。同時(shí)這6家公司，分別備有其主要產(chǎn)品的機(jī)器人模型在 RobotWorks中使用。Robotworks有三種工作模式，工具模式、零件模式和定位模式。在工 件模式下首先定義工具，然后定義路徑，可以選擇面、邊界、和曲線作為機(jī)器人的焊接運(yùn) 動(dòng)軌跡。缺點(diǎn)是操作較繁瑣、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃策略智能化程度低。Workspace：有三維建模、離線編程、模擬仿真等功能。軟件的部件庫中含有200多種 機(jī)器人、50余種機(jī)械裝置和工具，同時(shí)

13、可以創(chuàng)建其它機(jī)器人。進(jìn)行高精度位置分析、碰撞 檢測(cè)路徑優(yōu)化。圖型化的機(jī)器人編輯程序接口，雙向翻譯與仿真機(jī)器人多語言?？赏ㄟ^編 程語言快速建模。RinasWeld：是荷蘭機(jī)器人集成商KRANEND0NK開發(fā)的機(jī)器人焊接軟件包。該公司為了 改進(jìn)外形和尺寸都不一樣的單件工件的機(jī)器人焊接離線編程技術(shù)而開發(fā)的，在焊接方面是 一款具有高度智能化的離線編程軟件，但在國內(nèi)暫時(shí)還沒有找到該軟件的應(yīng)用信息，也沒 有更多的相關(guān)資料。Powermill：是英國DELCAM公司開發(fā)的軟件，之前本是一款具有強(qiáng)大功能的三維建模 和多軸數(shù)控編程軟件。隨著機(jī)器人應(yīng)用市場的發(fā)展，現(xiàn)在的新版Powermill軟件專門增加 了用于機(jī)

14、器人離線編程和模擬仿真的模塊，能讓多達(dá)8軸的機(jī)器人編程像5軸NC編程一樣簡 單。模擬仿真也能準(zhǔn)確顯示機(jī)器人的動(dòng)作，支持主流機(jī)器人：KUKA, ABB, Fanuc, Motoman, Staubli等。此軟件的銃削編程功能十分強(qiáng)大，可能在機(jī)器人的 離線編程方面?zhèn)戎赜跈C(jī)器人銃削的編程，用在機(jī)器人焊接的離線編程還需要對(duì)程序進(jìn)行人 工修改。五、目前焊接機(jī)器人離線編程的應(yīng)用概況從全國的應(yīng)用的情況上看，復(fù)雜焊縫類型的機(jī)器人焊接離線編程技術(shù)基本還處于研究 階段，只有其中的一些單元技術(shù)已經(jīng)或正在趨于成熟。機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研制和開發(fā) 涉及的問題很多。包括多個(gè)領(lǐng)域的多個(gè)學(xué)科：如多媒體技術(shù)在機(jī)器人離線編程中的

15、研究和 應(yīng)用，友好的人機(jī)界面、直觀的圖形顯示及標(biāo)準(zhǔn)的語言信息都是離線編程系統(tǒng)所需要的； 多傳感器的融合技術(shù)的建模與仿真。隨著機(jī)器人智能化的提高，傳感器技術(shù)在機(jī)器人系統(tǒng) 中的應(yīng)用越來越重要。對(duì)傳感器的仿真已成為機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中必不可少的一部分， 并且也是離線編程能夠?qū)嵱没年P(guān)鍵。利用傳感器的信息能夠減少仿真模型與實(shí)際模型之 間的誤差，增加系統(tǒng)操作和程序的可靠性。對(duì)于有傳感器驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)，由于傳感器 產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)受到多方面因素的干擾（如光線條件、物理反射率、物體兒何形狀以及運(yùn)動(dòng) 過程的不平衡性等），使得基于傳感器的運(yùn)動(dòng)不可預(yù)測(cè)。傳感器技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)器人系統(tǒng) 的智能性大大提高，機(jī)器人作業(yè)任務(wù)漸已離不開傳感器的引導(dǎo)。因而需要在離線編程系統(tǒng) 中對(duì)多傳感器進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)多傳感器的通訊，執(zhí)行基于多傳感器的操作。三、錯(cuò)誤檢測(cè)