點(diǎn)焊機(jī)器人的離線(xiàn)編程

　　借助離線(xiàn)編程技術(shù)，技術(shù)人員可以在軟件環(huán)境中合理分配工藝，模擬焊鉗選型和站內(nèi)布局，優(yōu)化焊接順序和干涉區(qū)設(shè)置，預(yù)測(cè)生產(chǎn)節(jié)拍等。將技術(shù)難題解決在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之前，離線(xiàn)編程技術(shù)的應(yīng)用使整個(gè)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)得以并行開(kāi)展。

　　工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，主要用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域，特別在汽車(chē)生產(chǎn)的沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大生產(chǎn)工藝過(guò)程中有著廣泛的應(yīng)用。其中，焊裝車(chē)間的點(diǎn)焊應(yīng)用最具代表性。

　　隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的提高及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，焊接機(jī)器人得以快速發(fā)展，同時(shí)，機(jī)器人離線(xiàn)編程技術(shù)得到了發(fā)展和完善。由于機(jī)器人離線(xiàn)編程技術(shù)具有編程不影響機(jī)器人工作，并可通過(guò)仿真試驗(yàn)程序以及能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的編程等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

　　本文總結(jié)了離線(xiàn)編程技術(shù)在首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司點(diǎn)焊項(xiàng)目中的應(yīng)用。在離線(xiàn)編程技術(shù)應(yīng)用之前，各廠(chǎng)家點(diǎn)焊項(xiàng)目的程序編制和示教工作通常都在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，包括工具尖端點(diǎn)校準(zhǔn)、程序流程編制、干涉區(qū)設(shè)置、再現(xiàn)檢驗(yàn)和測(cè)試節(jié)拍等。而這些工作是一個(gè)循環(huán)往復(fù)、不斷優(yōu)化的過(guò)程，尤其在多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的工作站，這樣的作業(yè)模式占用了大量調(diào)試時(shí)間。為解決這一問(wèn)題，首鋼莫托曼從2005年開(kāi)始研究離線(xiàn)編程技術(shù)，以后逐步應(yīng)用到具體項(xiàng)目之中，通過(guò)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，完善提高，使這一技術(shù)日趨成熟。

具體應(yīng)用
　　從點(diǎn)焊項(xiàng)目的前期準(zhǔn)備到具體實(shí)施，離線(xiàn)編程技術(shù)都發(fā)揮著重要作用，具體應(yīng)用如下：

1.機(jī)器人選型和場(chǎng)地布置
　　離線(xiàn)編程技術(shù)能在資本投入之前，鑒別項(xiàng)目的可行性。首先離線(xiàn)編程技術(shù)有助于在軟件環(huán)境中確定項(xiàng)目方案，例如依據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及場(chǎng)地空間的要求，確定一個(gè)工作站需要幾臺(tái)機(jī)器人來(lái)完成點(diǎn)焊工作、機(jī)器人是否需要行走機(jī)構(gòu)等�？傮w方案確定之后，可以根據(jù)焊鉗重量、工件大小確定點(diǎn)焊機(jī)器人選型。借助仿真軟件還可以確定機(jī)器人與工件之間的安裝位置，包括確定機(jī)器人底座高度、機(jī)器人與工件之間距離。圖1中一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人需要兼顧三套工件，在確定夾具位置時(shí)，首先利用仿真軟件自帶的可達(dá)性顯示功能，圖中淺黃色的部分即為機(jī)器人可達(dá)到的區(qū)域，以此為參考初步布置工件位置。當(dāng)焊鉗確定之后，再逐一驗(yàn)證工件上焊點(diǎn)的可達(dá)性，確定工件的最終位置。這樣的前期工作可靠性很高，不會(huì)出現(xiàn)由于機(jī)器人和工件位置布置不合理，而造成現(xiàn)場(chǎng)示教時(shí)焊點(diǎn)無(wú)法達(dá)到的情況發(fā)生。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 點(diǎn)焊站布置

2.焊鉗選型與焊點(diǎn)可達(dá)性驗(yàn)證
　　在離線(xiàn)編程技術(shù)出現(xiàn)之前，焊鉗的選型和焊點(diǎn)可達(dá)性驗(yàn)證是通過(guò)對(duì)工件和夾具的數(shù)模進(jìn)行分析，依靠經(jīng)驗(yàn)完成的，焊鉗通常使用標(biāo)準(zhǔn)件。這樣的焊鉗選型和焊點(diǎn)可達(dá)性驗(yàn)證存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)到了客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)焊鉗與夾具、工件產(chǎn)生干涉的情況，焊鉗需要經(jīng)過(guò)反復(fù)修改才能達(dá)到要求，導(dǎo)致延誤了交工時(shí)間，并需追加更多成本。

　　使用離線(xiàn)編程技術(shù)可以有效避免類(lèi)似情況的發(fā)生。利用仿真軟件，我們可以在訂購(gòu)焊鉗之前，對(duì)每一個(gè)焊點(diǎn)和程序過(guò)渡點(diǎn)進(jìn)行可達(dá)性和干涉性驗(yàn)證，當(dāng)出現(xiàn)干涉情況時(shí)，可以非常直觀(guān)并有針對(duì)性地對(duì)焊鉗鉗口形狀、喉深和喉寬等參數(shù)提出修改意見(jiàn)，直至確定出適合工件上所有焊點(diǎn)的專(zhuān)用非標(biāo)焊鉗。

　　圖2為座椅點(diǎn)焊項(xiàng)目中為適應(yīng)工件特制的焊鉗。該焊鉗的固定極和活動(dòng)極經(jīng)過(guò)反復(fù)修改和驗(yàn)證后，能夠滿(mǎn)足該工件所有焊點(diǎn)的需要。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖2 焊鉗選型

3.路徑優(yōu)化
　　點(diǎn)焊項(xiàng)目中，一臺(tái)機(jī)器人的焊點(diǎn)很少集中分布在同一區(qū)域，機(jī)器人需要通過(guò)變換幾種姿態(tài)才能完成全部焊接工作。如何使機(jī)器人在盡量少的姿態(tài)變化中完成預(yù)定工作，同時(shí)又能在焊接過(guò)程中避讓開(kāi)與相鄰機(jī)器人的干涉，這就需要不斷優(yōu)化焊接路徑。在現(xiàn)場(chǎng)由于受到調(diào)試時(shí)間和調(diào)試安全性限制，很難通過(guò)一次次調(diào)整機(jī)器人打點(diǎn)順序來(lái)尋找最優(yōu)路徑，而在計(jì)算機(jī)中使用離線(xiàn)編程技術(shù)來(lái)優(yōu)化焊接路徑則變得容易很多。在計(jì)算機(jī)軟件中可以直觀(guān)地了解工作站中各臺(tái)機(jī)器人的打點(diǎn)位置，從而安排打點(diǎn)先后順序，避免兩臺(tái)機(jī)器人同時(shí)出現(xiàn)在同一區(qū)域，造成互相等待耽誤節(jié)拍。而且這些工作在機(jī)器人到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之前完成，有充足的時(shí)間反復(fù)嘗試，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。圖3為白車(chē)身地板線(xiàn)焊接時(shí)的焊接順序圖，這是考慮了相鄰機(jī)器人打點(diǎn)位置后得出的優(yōu)化路線(xiàn)。有了這樣的路徑圖做指導(dǎo)，對(duì)示教人員了解焊接順序，提高示教效率有很大的幫助。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 焊接路徑

4.干涉區(qū)設(shè)置
　　對(duì)于白車(chē)身點(diǎn)焊，一個(gè)工作站內(nèi)通常有4臺(tái)甚至更多臺(tái)機(jī)器人，工作時(shí)機(jī)器人之間的干涉很難避免。如圖4所示，當(dāng)機(jī)器人1和機(jī)器人2同時(shí)進(jìn)行B立柱焊接時(shí)，兩臺(tái)機(jī)器人會(huì)發(fā)生干涉。通過(guò)路徑優(yōu)化，使機(jī)器人2先通過(guò)干涉區(qū)，這樣機(jī)器人1和機(jī)器人2同時(shí)工作時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉。但是當(dāng)機(jī)器人2在工作中發(fā)生故障停在干涉區(qū)中時(shí)，后進(jìn)入干涉區(qū)的機(jī)器人1就會(huì)與機(jī)器人2發(fā)生碰撞，發(fā)生事故。因此，通過(guò)優(yōu)化路徑可以節(jié)約生產(chǎn)節(jié)拍，而機(jī)器人之間的安全性就需要通過(guò)干涉區(qū)設(shè)置來(lái)保障。尤其是當(dāng)機(jī)器人比較多，焊點(diǎn)分布區(qū)域廣，干涉區(qū)重疊時(shí)，有的干涉區(qū)不能通過(guò)路徑優(yōu)化避免，而必須讓其中一臺(tái)機(jī)器人等待，在這些情況下干涉區(qū)設(shè)置成為點(diǎn)焊項(xiàng)目調(diào)試中不可或缺的環(huán)節(jié)。在離線(xiàn)編程技術(shù)使用之前，干涉區(qū)由示教人員在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，存在干涉區(qū)設(shè)置不規(guī)范、格式不統(tǒng)一等問(wèn)題。使用離線(xiàn)技術(shù)之后，點(diǎn)焊項(xiàng)目干涉區(qū)的設(shè)置由離線(xiàn)編程人員在仿真軟件中使用統(tǒng)一格式完成，并經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，既保證了機(jī)器人之間的安全，又做到路徑最佳。
    　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 機(jī)器人的干涉區(qū)

5.編寫(xiě)程序
　　離線(xiàn)編程技術(shù)的一大特點(diǎn)就是在離線(xiàn)的環(huán)境下，生成機(jī)器人程序。與在線(xiàn)編程相比，離線(xiàn)編程具有減少機(jī)器人停機(jī)時(shí)間、使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境和便于修改機(jī)器人程序等優(yōu)點(diǎn)。而且隨著離線(xiàn)編程技術(shù)的發(fā)展，仿真軟件在離線(xiàn)時(shí)可以直接生成點(diǎn)焊命令和點(diǎn)焊的各個(gè)參數(shù)，包括間隙文件序號(hào)、伺服焊鉗序號(hào)、壓力條件文件序號(hào)、焊接條件序號(hào)、焊機(jī)啟動(dòng)時(shí)序和焊接條件組輸出，節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)輸入這些參數(shù)的時(shí)間。圖5為離線(xiàn)程序的生成過(guò)程，圖中左上角的對(duì)話(huà)框顯示機(jī)器人的動(dòng)作姿態(tài)，可以通過(guò)六個(gè)軸的脈沖值或者工具尖端點(diǎn)的空間坐標(biāo)值來(lái)顯示。通過(guò)調(diào)整脈沖值或者坐標(biāo)值，能夠使機(jī)器人達(dá)到需要的姿態(tài)，完成預(yù)定的工作。圖5中左下的對(duì)話(huà)框用INFORM語(yǔ)言記錄移動(dòng)命令和此時(shí)的脈沖值，由此生成機(jī)器人程序。
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 離線(xiàn)程序的生成

6.預(yù)測(cè)節(jié)拍
　　運(yùn)行離線(xiàn)程序時(shí)，仿真軟件能夠記錄機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，如圖6所示。與實(shí)際情況比較，軟件中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的誤差小于5%。在離線(xiàn)技術(shù)出現(xiàn)之前，往往只能通過(guò)焊點(diǎn)數(shù)目估算機(jī)器人的動(dòng)作節(jié)拍，這樣帶來(lái)誤差比較大，而使用離線(xiàn)編程技術(shù)預(yù)測(cè)節(jié)拍，對(duì)把握整個(gè)生產(chǎn)節(jié)奏，預(yù)測(cè)產(chǎn)量很有幫助。
　　　　　　　　　　
                                                                　圖6 運(yùn)動(dòng)時(shí)間顯示

7.在線(xiàn)應(yīng)用
　　編寫(xiě)離線(xiàn)程序的最終目的是在線(xiàn)應(yīng)用，在線(xiàn)使用離線(xiàn)程序面臨的主要問(wèn)題是安裝誤差對(duì)程序精度的影響�，F(xiàn)場(chǎng)安裝與圖紙一致時(shí)，離線(xiàn)程序可以直接使用。如果現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人與工具的相對(duì)位置和安裝圖紙差距較大，離線(xiàn)程序不能直接使用，需要找出安裝誤差的數(shù)值，以此對(duì)點(diǎn)焊程序進(jìn)行平移校準(zhǔn)，對(duì)平移校準(zhǔn)后的程序進(jìn)行微調(diào)后即可使用。

　　在線(xiàn)使用離線(xiàn)程序最大的優(yōu)點(diǎn)在于離線(xiàn)編程的整體規(guī)劃性。在整體上把握點(diǎn)焊機(jī)器人的路徑，姿態(tài)和干涉區(qū)之后，可以提高示教質(zhì)量，節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)示教時(shí)間，提高示教的工作效率。據(jù)首鋼莫托曼對(duì)最近幾個(gè)大型項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)，使用離線(xiàn)程序示教，與以往現(xiàn)場(chǎng)示教相比，平均節(jié)約80%的示教時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)
　　借助離線(xiàn)編程技術(shù)，技術(shù)人員可以在軟件環(huán)境中合理分配工藝，模擬焊鉗選型和站內(nèi)布局，優(yōu)化焊接順序和干涉區(qū)設(shè)置，預(yù)測(cè)生產(chǎn)節(jié)拍等，通過(guò)離線(xiàn)編程技術(shù)將技術(shù)難題解決在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之前，使整個(gè)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)得以并行開(kāi)展�，F(xiàn)場(chǎng)工程師只需將離線(xiàn)程序進(jìn)行微調(diào)和再現(xiàn)驗(yàn)證便可投入使用�？朔�了現(xiàn)場(chǎng)示教編程大量占用調(diào)試時(shí)間的不足，使程序得以規(guī)范化，提高了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試速度和針對(duì)客戶(hù)需求的響應(yīng)速度，提高了項(xiàng)目質(zhì)量。