點焊機(jī)器人仿真模擬分析

1、.點焊機(jī)器人仿真模擬分析主題：以統(tǒng)計分析的方法，對機(jī)器人仿真的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。機(jī)器人仿真模擬是概念設(shè)計階段，對機(jī)器人工作站進(jìn)行工藝方案設(shè)計時，所采用的一種手段或者表達(dá)方法。仿真軟件能夠做到的是：通過對機(jī)器人各軸運動范圍的限制，定義工具的可達(dá)范圍，通過干涉檢查功能避免干涉產(chǎn)生。通過補(bǔ)間方式及速度參數(shù)的設(shè)置核查動作時間乃至輸出離線編程所需要的代碼文件。三維動畫的視覺效果給人以直觀的感覺。然而這些僅能說明可達(dá)，并不能說明合理或者最優(yōu)。機(jī)器人工作站方案設(shè)計的目的是針對產(chǎn)品的工藝需求，將機(jī)器人、工具、工裝這三個設(shè)備形成最佳的組合與布置。僅能夠說明可達(dá)的手段不足以實現(xiàn)要達(dá)到的目的。連續(xù)播放三維動畫的任一瞬時

2、，所展現(xiàn)的只是運動過程中的某一姿態(tài)。滿足所有姿態(tài)的最佳組合與布置，在缺少必要的數(shù)據(jù)統(tǒng)計或者表達(dá)方法的情況下，僅能憑記憶中的想象結(jié)合經(jīng)驗作出判斷，這說明了手段上的欠缺。所以有必要通過統(tǒng)計分析的方法，對機(jī)器人仿真的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。如果對機(jī)器人的每一個姿態(tài)，進(jìn)行綜合描述，所呈現(xiàn)出的是離散性的分布。離散度的減小以及將分布中值點調(diào)整至最佳點是對于分布的優(yōu)化。也就是達(dá)到形成最佳組合與布置目的手段。一、方案設(shè)計時需要重點考慮的問題：1）明確工藝操作內(nèi)容：對于由多臺機(jī)器人組成的生產(chǎn)線或者工作站而言，存在著工藝操作分工的問題。在全部工藝操作要求中，重點關(guān)注不易于達(dá)到的焊點分布與實現(xiàn)方式。將難點分解到每個工位的每個

3、機(jī)器人（或操作人），行成初步方案構(gòu)想。結(jié)合裝件、搬運、工裝等動作時間因素。以各工位動作周期時間均衡為目的，測算出計劃分配給每個機(jī)器人焊接的數(shù)量。在初步方案的基礎(chǔ)上，再將其它焊點予以分配。2）機(jī)器人選型：a、采用普通型還是下探型機(jī)器人；b、機(jī)器人的運動范圍，必要時采用行走外部軸或者夾具運動。c、機(jī)器人的搬運能力。是指如果工具重心在以六軸中心為圓心，以一定數(shù)值為半徑，在工具安裝側(cè)行程的半球范圍內(nèi)，機(jī)器人仍能夠在其可達(dá)范圍內(nèi)達(dá)到額定速度時，所能承受的最大重量。如果重心超出半球范圍，仍要達(dá)到額定速度，則可搬重量必須降低。如果重心超出半球，工具重量大于額定重量。則意味著運動速度可能降低，需要進(jìn)一步分析機(jī)

4、器人的負(fù)重姿態(tài)和五軸的承重方式。3）選擇工具（焊槍）：a、焊槍為C型槍還是X型槍。b、焊槍打點姿態(tài)，即沿Z軸旋轉(zhuǎn)的角度調(diào)整應(yīng)易于機(jī)器人可達(dá)。c、焊槍的前部結(jié)構(gòu)（喉深、喉寬、電極頭形式、打開行程等）。d、焊槍的后部結(jié)構(gòu)（變壓器的安裝方式等）。e、確定與機(jī)器人六軸安裝法蘭面的朝向，是決定焊槍姿態(tài)變化的重要因素。對于大型焊槍要考慮機(jī)器人負(fù)重姿態(tài)。f、以與TCP點距離近為原則確定BASE點的位置（某些情況為了提高工具可達(dá)范圍可能有意拉大TCP點與BASE點間距）。g、可能存在更換焊槍、附帶小型抓具、GEO Gripper等其它情況。4）機(jī)器人與夾具的相對安裝位置通常只采用水平放置的姿態(tài)，如果需要傾斜、

5、壁掛或吸頂?shù)陌惭b方式，需要機(jī)器人供應(yīng)商提供詳細(xì)的技術(shù)說明。仿真軟件的掃描分析功能可以得出滿足可達(dá)要求的安裝范圍，條件允許的情況下選擇中間點。5）考慮相鄰機(jī)器人或其他設(shè)備對機(jī)器人操作過程可能造成的干涉影響。通過優(yōu)化打點路徑的方式，避免等待現(xiàn)象的產(chǎn)生。6）根據(jù)仿真模擬的結(jié)果，考慮進(jìn)槍通道狹窄、負(fù)重等因素，對機(jī)器人的操作時間進(jìn)行分析計算。7）考慮由機(jī)器人控制系統(tǒng)、夾具控制系統(tǒng)構(gòu)成的機(jī)器人工作站組站控制方式。相互連鎖信號的數(shù)量、內(nèi)容和傳遞方式等。8）機(jī)器人動力電、控制電、焊接電、冷卻水、壓縮空氣等公用動力需求的供給方式和條件。地面基礎(chǔ)的需求，以及控制柜、圍欄橋架、電極修磨器。工具放置架等的布置與分工。

6、9）工程化設(shè)計時應(yīng)注意的問題：a、焊接狀態(tài)以外所需的補(bǔ)間點補(bǔ)間方式，以及由此而產(chǎn)生的相關(guān)問題。b、電纜的繞接方式，并由此可能帶來的干涉問題。以及電纜的壽命因素。c、滿足焊接參數(shù)要求的焊槍工程化設(shè)計。d、焊槍等工具的確切重量、重心位置與機(jī)器人負(fù)重能力的校核。e、機(jī)器人底座、伺服軌道等輔助設(shè)備的工程化設(shè)計。二、基本概念和定義以ABB產(chǎn)IRB6600-2.55型機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)舉例說明1）術(shù)語：機(jī)器人各軸名稱為大寫的一軸、二軸六軸，各軸在立面圖中的投影點或指定點為小寫的1點、2點6點。軸點之間的連接線命名為23線、35線、15線等。TCP點不是投影點而是空間點。以5點為起點，以56點連線定義方向和長

7、度的矢量為。以5點為起點，以5點與TCP點連線定義方向和長度的矢量為。過TCP點作垂線，垂足為R點。用T5R描述工具。機(jī)器人簡圖表示法2）機(jī)器人各軸的作用：一、二、三軸的旋轉(zhuǎn)組合負(fù)責(zé)工具點（5點）的位置可達(dá)；四五六軸的旋轉(zhuǎn)組合負(fù)責(zé)調(diào)整工具姿態(tài)。假定一二三軸不動，只旋轉(zhuǎn)四五六軸，工具始終繞5點旋轉(zhuǎn)，所以5點是兩個組合分工的分界點。一般的應(yīng)用中，工具的姿態(tài)變化以六軸為主實現(xiàn)，四、五軸組合起輔助作用。另外四五軸的組合實現(xiàn)15線與56形成的空間角度。3）機(jī)器人的5點運動范圍：機(jī)器人5點立面運動范圍曲線（如圖）是根據(jù)二、三軸角度范圍23線，35線長度繪制出來的。曲線上每段圓弧的弧度是二軸或三軸的角度允許

8、變化范圍。曲線上任一點是5點可達(dá)的極限位置，曲線包容的范圍內(nèi)5點均可達(dá)。以曲線外輪廓為草圖，以一軸為軸進(jìn)行圓周掃掠而行成的立體空間是5點可達(dá)的立體范圍（一軸運動范圍為±180°）。形成5點在空間某一位置可能存在一、二、三軸的多種組合方式如下圖：唯一組合兩種組合三種組合四種組合一軸旋轉(zhuǎn)任何角度均滿足多種組合意味著由前一位置到達(dá)現(xiàn)在位置有多種補(bǔ)間方式，應(yīng)以姿態(tài)優(yōu)美避免干涉為優(yōu)先進(jìn)行人工判斷。4)四、五、六軸組合：對于空間的任意姿態(tài)，四、五、六軸的組合只存在兩種組合方式，如圖工具初始姿態(tài)。R05T0到最終姿態(tài)R25T3，有兩種轉(zhuǎn)法： 五軸轉(zhuǎn)°，四軸轉(zhuǎn)°，六軸轉(zhuǎn)

9、°，合計：°+°+°。 五軸轉(zhuǎn)-°，四軸轉(zhuǎn)180°-°，六軸轉(zhuǎn)180°-°，合計：360°-（°+°+°）。兩種組合方式是以選項的方式體現(xiàn)在模擬軟件中。乘以之前敘述的一、二、三軸組合的多種情況，滿足機(jī)器人可達(dá)要求的六軸組合，可能會有2、4、6、8無窮多種情況。四軸、六軸角度運動范圍是-300°，300°，對節(jié)省機(jī)器人運動時間和提高電纜使用壽命是大有益處的。但在仿真程序中四、六軸角度數(shù)值通常在-180°，180°之間。只有在補(bǔ)間

10、運動時才發(fā)揮作用，因此離線編程時，應(yīng)充分注意。5）工具姿態(tài)的分布：將T5R代表的焊槍插入到每一個焊點，會得出所有焊槍的位置與姿態(tài)分布。不考慮位置僅考慮姿態(tài)，將圖中所有T5R的5點通過平移的方式，重合在一起得到焊槍姿態(tài)的分布。這種做法相當(dāng)于，將機(jī)器人的一、二、三軸看做是沿世界坐標(biāo)系坐標(biāo)軸移動的軸。適合手工焊槍的吊掛系統(tǒng)，對于點焊機(jī)器人是不適合的。機(jī)器人的一、二、三軸組合定義的是三維球坐標(biāo)系。安裝位置被確定后，對于每個焊接姿態(tài)，一、二、三軸組合形成5點到達(dá)時，35線就已經(jīng)與機(jī)器人坐標(biāo)系軸形成了空間夾角。四、五、六軸組合在形成焊槍姿態(tài)的過程中，又調(diào)整了的方向。所以焊槍姿態(tài)相對于機(jī)器人坐標(biāo)系的分布應(yīng)理

11、解為如下：依次地將每一個焊接姿態(tài)，保持四、五、六軸不動，將一、二、三軸調(diào)整到機(jī)器人原位，得到的焊槍姿態(tài)分布，簡稱RT分布。6）機(jī)器人第六軸的功能：設(shè)想機(jī)器人所持的工具不是焊槍而是一根針（與56線重合安裝）。焊接過程是用針沿焊點Z向刺的話，就不需要六軸的功能。實際的工具是焊槍而不是針。所以六軸的功能就可以孤立出來單獨考慮。在RT分布狀態(tài)進(jìn)一步地，保持六軸不動，將四、五軸調(diào)整到機(jī)器人原位，就會得到如圖所示的效果：所有姿態(tài)的均重合到一起，所有T點均在以R為圓心，以RT為半徑的圓弧上，構(gòu)成了一個扇形錐的形狀。在機(jī)器人安裝位置一定時，扇形錐的大小取決于焊槍的安裝方式。7）四五分析圖在確定了焊槍的安裝尺寸

12、和機(jī)器人安裝位置后，四五軸角度變化結(jié)果以二維表達(dá)圖的方式直觀體現(xiàn)。圓弧方向表達(dá)五軸，徑向表達(dá)四軸。三、根據(jù)5點分布圖優(yōu)化機(jī)器人的安裝位置1）確定機(jī)器人的最優(yōu)姿態(tài)和常規(guī)應(yīng)用作業(yè)范圍機(jī)器人的5點運動范圍曲線所表達(dá)的是機(jī)器人理論可以達(dá)到的最大運動范圍。實際的應(yīng)用中幾乎不會用到如圖所示的姿態(tài)。至少在焊裝車間幾乎所有的點焊應(yīng)用如左圖，5點在2點的右前方的一個區(qū)域內(nèi)。少數(shù)起搬運動作的機(jī)器人會有如右圖所示的姿態(tài)。 考慮到常用工具（焊槍）體積大，重量大，且在實際的應(yīng)用中分布廣，姿態(tài)多等因素。確定機(jī)器人最優(yōu)姿態(tài)的條件是：a 在常規(guī)應(yīng)用作業(yè)范圍的中心位置b 負(fù)重能力強(qiáng)c 小范圍變化二、三軸角度仍保持上述優(yōu)點。圖示

13、拐點與2點連線，在運動范圍內(nèi)的中點，作為最優(yōu)姿態(tài)的5點。根據(jù)23線和35線求得3點，并將機(jī)器人調(diào)整至最優(yōu)姿態(tài)如圖：將最優(yōu)姿態(tài)視為機(jī)器人的初始位置姿態(tài)（二、三軸轉(zhuǎn)角清零），將二軸的運動范圍修定為-，等于23線與85°線的夾角。將三軸的運動范圍修定為，等于35線與70°線夾角，等于35線與23線延長線夾角。根據(jù)修定后的二、三軸運動范圍，重新繪制5點運動范圍曲線后，重新獲得區(qū)域（填充部分）是常規(guī)應(yīng)用作業(yè)范圍。2）制定優(yōu)化范圍曲線將修定后的二軸、三軸角度范圍提?。ㄈ缬覉D），將±，分別等分10份，得出±1，±2±10等分線。以-1a0，0a1，

14、-1b0，0b1為二、三軸的運動范圍，繪制5點運動范圍曲線，并依次類推。最終形成了以不同二、三軸角運動范圍定義的不同程度的5點運動范圍曲線如圖。其中某一個5點運動范圍曲線拐點上的機(jī)器人姿態(tài)是二、三軸均達(dá)到極限角度。曲線上的任一點是二軸或三軸的極限角度。有趣的是，每個曲線與圖示“拐點”相同的拐點均落在“2點-拐點”的連線上。連線被曲線切割得到的線段又是曲線范圍在機(jī)器人右側(cè)（作業(yè)范圍）最大長度。這些都驗證了之前對機(jī)器人最優(yōu)姿態(tài)，常規(guī)作業(yè)范圍角度等比分配等方法的正確。（頂置式機(jī)器人的應(yīng)用）3）在5點優(yōu)化分析圖中描述5點分布俯視圖中描述的1、2、3、4是機(jī)器人運動過程中一軸運動角度分布位置，對應(yīng)的每一

15、個角度位置都存在一個立面圖描述的機(jī)器人姿態(tài)。將1、2、3、4位置以一軸旋轉(zhuǎn)到0位置，便形成了如立面圖所示的機(jī)器人姿態(tài)合成圖。僅保留每個姿態(tài)的5點，刪除其余的線條后，在5點優(yōu)化分析圖中得到了各個姿態(tài)5點的分布圖。4）分析：通常5點的分布是相對離散的，造成離散性分布的主要原因有三個： 目標(biāo)點（焊點）的離散性分布客觀性存在，除非調(diào)整焊點分配方案。 焊槍焊接的姿態(tài)（沿Z軸轉(zhuǎn)動調(diào)整）受夾具等的制約在仿真模擬初期進(jìn)行人工優(yōu)化。 焊槍與機(jī)器人的安裝存在優(yōu)化的可能，在后面敘述。離散性分布不可能通過調(diào)整機(jī)器人安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，所以優(yōu)化機(jī)器人安裝位置之前，必須完成離散性分布的優(yōu)化。焊槍與機(jī)器人安裝優(yōu)化方法，之所以

16、在后面敘述，是為了易于理解的需要。不難理解，5點分布如果能為最小的5點運動范圍曲線所包容，則說明運動過程中二、三軸角度變化相對均衡，四周可達(dá)范圍余量均勻，甚至可能優(yōu)化為小型機(jī)器人。通常不使用機(jī)器人傾斜安裝的方式，所以只采取上下左右移動的辦法進(jìn)行調(diào)整。以得到最小包容曲線為目的，移動的數(shù)值是機(jī)器人安裝位置需要調(diào)整的數(shù)值。四、根據(jù)15線布置圖優(yōu)化機(jī)器人安裝角度在機(jī)器人俯視圖中描述所有焊接姿態(tài)，15線的布置，即一軸轉(zhuǎn)角線。根據(jù)最大最小轉(zhuǎn)角求出中值線。中值線與0°線的夾角是機(jī)器人安裝角度的優(yōu)化值。在確認(rèn)水、電、氣、橋架等連接條件的情況下，優(yōu)化機(jī)器人初始安裝角度。五、焊槍安裝方式的優(yōu)化四、五、六

17、軸組合運動形成了焊槍姿態(tài)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的RT分布。由前述可知，所有的焊槍姿態(tài)均以、兩個矢量進(jìn)行表達(dá)。同時基點統(tǒng)一在了5點。如果焊槍安裝圓法蘭設(shè)置不當(dāng)，會造成六軸功能不能充分發(fā)揮。導(dǎo)致四、五、六軸運動行程增大，所以采取程序統(tǒng)計計算的方法予以優(yōu)化。方法如下：1）在RT分布中按照排列組合的順序，選取兩個焊槍姿態(tài)。2）根據(jù)一次旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)剛體姿態(tài)的空間變化，計算出兩個焊槍姿態(tài)之間的一次旋轉(zhuǎn)軸，并以此修訂。3）重新計算達(dá)到每個焊接姿態(tài)，四、五、六軸需要轉(zhuǎn)過的角度。（根據(jù)焊接次序，以+為小值判斷四、五、六軸組合形式。4）按照焊接次計算+5）循環(huán)14操作步驟，得出所有排列組合情況中，四、五軸轉(zhuǎn)角差值和最小的情

18、況，并由此得出安裝法蘭方向的優(yōu)化建議。6）進(jìn)一步采取循環(huán)計算的方法，以減小5點運動范圍為目的得出安裝點優(yōu)化方向建議。六、根據(jù)四五分析圖優(yōu)化焊槍沿Z軸的轉(zhuǎn)角。初期的仿真模擬，對于焊槍的姿態(tài)調(diào)整往往不能達(dá)到最優(yōu)。特別對于補(bǔ)焊工位，焊槍沿Z軸旋轉(zhuǎn)余地較大。處理的好則可以使得5點分布集中且四、五軸轉(zhuǎn)動量小。所以在對焊槍姿態(tài)優(yōu)化調(diào)整時，應(yīng)將四五分析圖和5點分布圖結(jié)合起來分析。四五分析圖中，對于焊接順序的描述線可以輔助設(shè)計人員，選擇恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)間方式。在四、五、六軸的兩種組合方式中，選擇與前一步驟四、五軸轉(zhuǎn)角小的組合方式。另外四軸運動范圍-300°，300°中，選擇大于180°的

19、使用等。另外點在圖中的分布過于離散，或者整體偏，也說明裝槍方式有待優(yōu)化。七、機(jī)器人負(fù)重分析機(jī)器人的二、三、五軸相當(dāng)于人的肩、肘、腕關(guān)節(jié)，姿勢不同可提起的重量不同。方案設(shè)計階段缺少焊槍的準(zhǔn)確重量和重心位置，所以只根據(jù)外形尺寸，使用體積代表，并以大、中、小簡單區(qū)分。坐標(biāo)系原點表示5點：第四象限：線條偏轉(zhuǎn)角度為與地面的夾角；線條長度與體積關(guān)聯(lián)。第二象限：以點描述的方式，表達(dá)三軸承受負(fù)載力矩的力臂長度，長度等于35線在地面投影線的長度。第三象限：以點描述的方式表達(dá)二軸承受負(fù)載的力臂長度，長度等于25線在地面投影線的長度。將上述表達(dá)連成一條Pline線得出某一姿態(tài)，二、三、五的受力狀態(tài)的綜合表達(dá)。八、機(jī)

20、器人焊接動作時間計算1）機(jī)器人控制時的選項設(shè)置補(bǔ)間方式設(shè)置：是以工具坐標(biāo)系進(jìn)行控制時，位置點之間的運動軌跡要求。a自動補(bǔ)間：從使用角度出發(fā)，多數(shù)場合只要求機(jī)器人所持工具達(dá)到具體的目標(biāo)位置，對于運動軌跡要求并不嚴(yán)格。機(jī)器人各軸的回轉(zhuǎn)運動合成為工具的直線運動過程中，工具并非嚴(yán)格按照直線軌跡運動。而是按照機(jī)器人默認(rèn)的控制方式，走出近似直線的運動軌跡。這樣工具的運動速度可以大大提高。b直線補(bǔ)間：某些應(yīng)用（比如弧焊），要求工具行走軌跡必須是直線，各軸轉(zhuǎn)速必須精確匹配，所以工具運動速度較慢。c圓弧補(bǔ)間：要求工具行走軌跡必須是規(guī)定的圓弧，同樣運動速度較慢。點焊機(jī)器人只采用自動補(bǔ)間方式。位置點精度等級設(shè)置根據(jù)

21、使用要求對于目標(biāo)位置點精度等級設(shè)置非常重要的。某些應(yīng)用（比如在線檢測），要求到位精度非常高，點焊應(yīng)用顯然不需要那么高的精度。由于慣性的影響，對于精度要求高的位置點，機(jī)器人自動擬合計算時，會自動延長制動距離，當(dāng)然制動時間也會增加。點焊應(yīng)用中只作焊接點和補(bǔ)間點兩種精度等級劃分。速度或時間要求設(shè)置實際的應(yīng)用中可能對每個補(bǔ)間過程的速度或時間要求不一樣，所以需要對每個步驟進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置方式通常為兩種：最高速度設(shè)置或運動時間要求設(shè)置。控制程序根據(jù)要求自行匹配加減速度時間段。要求與實際情況往往存在差異。比如：很短的距離要求很高的速度，速度還沒達(dá)到就要開始減速了。又如：機(jī)器人負(fù)重過大，要求速度高，造成驅(qū)動電機(jī)過載等。2）運動時間計算機(jī)器人各軸的極限轉(zhuǎn)速（以IRB6600為例）一軸100°/S四軸150°/S二軸90°/S五軸120°/S三軸90°/S六軸190°/S一、二、三軸電機(jī)承受的轉(zhuǎn)動慣量大，所以轉(zhuǎn)速低；四、五、六軸電機(jī)承受的轉(zhuǎn)動慣量小，所以轉(zhuǎn)速高。一、二、三軸組合形成5點位置變化是運動時間的主導(dǎo)因素；四、五、六軸組合形成工具的姿態(tài)變化是次要因素。定5點額定運動速度V=500mm/s，5點空間距離為S，t1=注：方案設(shè)計階段未設(shè)置