機(jī)器人焊接系統(tǒng)離線編程

1 引言

　　隨著國(guó)內(nèi)航天事業(yè)飛速發(fā)展、國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)周期、制造成本，提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種形勢(shì)，設(shè)法提高焊接接頭質(zhì)量及焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)周期己成為當(dāng)務(wù)之急二機(jī)器人焊接系統(tǒng)的柔性優(yōu)勢(shì)正是解決這種矛盾的良好方案。

2機(jī)器人焊接存在的問(wèn)題

　　為滿足焊接質(zhì)量的要求，對(duì)每·段都需要選擇其中一條焊縫進(jìn)行機(jī)器人編程。目前采用的編程方式為示教編程。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)。隨后機(jī)器人便可以在"再現(xiàn)"狀態(tài)完成這條焊縫的焊接。

根據(jù)前期的試驗(yàn)，目前存在以下兩方面問(wèn)題:

(1)示教精度不穩(wěn)定，影響焊接質(zhì)量

　　在示教過(guò)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)，應(yīng)盡量保證示教點(diǎn)在焊縫軌跡上，保證合適的焊槍高度，并且要保證焊槍姿態(tài)的連續(xù)變化，對(duì)操作人員的水平要求很高。另外，操作人員長(zhǎng)時(shí)間處在高度精神集中的狀態(tài)，很難保證每個(gè)示教點(diǎn)的準(zhǔn)確。從而使最終的編程精度變得不穩(wěn)定，有時(shí)還會(huì)發(fā)生焊槍與工件相碰等問(wèn)題。

(2)編程時(shí)間長(zhǎng)，焊接效率低

　　為了保證軌跡的精度，通常在100mm的焊縫上，需要示教50個(gè)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。在每段的在線示教與編程中，需要2小時(shí)的時(shí)間，即整個(gè)產(chǎn)品在示教編程上需要200小時(shí)，合計(jì)在25個(gè)工作日，加大了噴管延伸段的總焊接時(shí)間。

　　因此，如何提高編程的效率及精度，縮短產(chǎn)品總的焊接時(shí)間，提高焊接質(zhì)量成為需要迫切解決的問(wèn)題。

3機(jī)器人焊接離線編程技術(shù)

　　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。在機(jī)器人所要完成的任務(wù)不很復(fù)雜，以及編程時(shí)間相對(duì)于工作時(shí)間米說(shuō)比較短的情況下，示教編程是有效可行的，但在許多復(fù)雜的作業(yè)應(yīng)用中不是令人滿意。

3. 1機(jī)器人離線編程特點(diǎn)

　　機(jī)器人焊接離線編程及仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，在計(jì)算機(jī)中建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，通過(guò)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)而產(chǎn)生機(jī)器人程序。與傳統(tǒng)的在線示教編程相比，離線編程具有如下優(yōu)點(diǎn):

a.減少機(jī)器人不工作的時(shí)間。
b.使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境。
c.便于修改機(jī)器人程序。
d.可結(jié)合各種人工智能等技術(shù)來(lái)提高編程效率。
e.便于和CADICAM系統(tǒng)結(jié)合，做到CAD/CAM/Robotics一體化。

　　因此，機(jī)器人焊接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)重要發(fā)展趨勢(shì)。

3. 2機(jī)器人離線編程技術(shù)現(xiàn)狀

　　目前國(guó)際市場(chǎng)上己有基于普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件，如Workspace, ROBCAD, IGRIP等。

　　Workspace是Robot Simulations公司開(kāi)發(fā)的第一個(gè)商品化的基于微機(jī)的機(jī)器人仿真與離線編程軟件。該軟件最新版木采用了ACIS作為建模核心，與一些基于微機(jī)的CAD系統(tǒng)如AutoCAD做到了很好的數(shù)據(jù)交換。

　　ROBCAD是美國(guó)Tecnomatix公司1986年推出的機(jī)器人CAD及仿真系統(tǒng)。短短幾年內(nèi)，ROBCAD已在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，美國(guó)福特、德國(guó)大眾、意大利菲亞特等多家汽車公司，美國(guó)洛克希德宇航局都使用ROBCAD進(jìn)行機(jī)器人生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、仿真和離線編程。

　　美國(guó)另一個(gè)著名的機(jī)器人離線編程與仿真軟件包是IGRIP，它是美國(guó)Deneb Robotics公司推出的交互式機(jī)器人圖形編程與仿真軟件包，主要用于機(jī)器人工作單元布置、仿真及離線編程。IGRIP可在SGI、HP, SUN等工作站上運(yùn)行。IGRIP軟件分為三個(gè)部分:IMS, GSL. GLI。此外，它還通過(guò)一個(gè)共享庫(kù)為用戶提供一些更高級(jí)的功能。國(guó)內(nèi)在機(jī)器人焊接離線編程方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位開(kāi)展了研究工作。其中哈爾濱丁業(yè)大學(xué)在十幾年前便開(kāi)展了研究工作，研究水平在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，相繼開(kāi)發(fā)出了RAWCAD等機(jī)器人弧焊離線編程系統(tǒng)，并在一些產(chǎn)品上得到了應(yīng)用。

4機(jī)器人離線編程與仿真解決方案

　　開(kāi)發(fā)基于SolidWorks平臺(tái)的弧焊機(jī)器人離線編程與仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴管延伸段焊接過(guò)程中的離線編程工作。

4. 1工作流程

a.建立噴管延伸段模胎與管子的CAD模型及機(jī)器人模型。
b.對(duì)焊縫進(jìn)行分段并編號(hào)，并針對(duì)每一段焊縫，利用離線編程系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)編程，包括焊槍軌跡的規(guī)
劃、焊槍姿態(tài)的規(guī)劃。
c.對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)規(guī)劃的位姿進(jìn)行修正。
d.對(duì)機(jī)器人坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，使其與離線編程系統(tǒng)中的坐標(biāo)系一致。
e.將離線編程得到的程序轉(zhuǎn)換成Motoman機(jī)器人程序，并通過(guò)通訊接口或CF卡導(dǎo)入到機(jī)器人控制器中。
f.機(jī)器人利用離線編制的程序完成工件的焊接。

4. 2三點(diǎn)標(biāo)定法

　　三點(diǎn)標(biāo)定法，分別用到實(shí)際工件的三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)和虛擬工件的三個(gè)特征點(diǎn)的空問(wèn)坐標(biāo)。其中，標(biāo)簽點(diǎn)(X)為標(biāo)定用坐標(biāo)系的x軸上的一點(diǎn)標(biāo)簽點(diǎn)〔Y)為標(biāo)定用坐標(biāo)系的y軸上的一點(diǎn)，標(biāo)簽點(diǎn)(o)為標(biāo)定用坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置。

4.3實(shí)例

4.3.1標(biāo)定

　　進(jìn)行實(shí)際機(jī)器人的示教，將機(jī)器人焊槍示教到工件的三個(gè)特征點(diǎn)處，記錄在三個(gè)特征點(diǎn)處機(jī)器人關(guān)節(jié)角的大小，保存到文件中。再將此蘭組機(jī)器人關(guān)節(jié)角文件改寫(xiě)為機(jī)器人程序文件，然后利用"編程器"的程序上載功能上載到離線編程系統(tǒng)中，在"編程器"中控制機(jī)器人單步運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)到一點(diǎn)就將機(jī)器人末端的位置記錄到相應(yīng)的點(diǎn)中，見(jiàn)圖1。

圖1 工件標(biāo)定坐標(biāo)系

　　此處提供了馬鞍形焊縫工件的標(biāo)定功能，標(biāo)定過(guò)程中需要六個(gè)標(biāo)簽點(diǎn)，上圓三個(gè)，下圓三個(gè)。各個(gè)點(diǎn)的記錄方法和前面的三點(diǎn)標(biāo)定相同，注意圓上各點(diǎn)的記錄順序應(yīng)該相同，一般為逆時(shí)針?lè)较颉Ｒ?jiàn)圖2。
 
圖2 馬鞍形焊縫工件仿真結(jié)果

4.3.2 創(chuàng)建焊接接頭特征對(duì)象

　　生成焊接接頭特征對(duì)象:a進(jìn)行名稱檢查;b，進(jìn)行位姿計(jì)算。目前的位姿計(jì)算只支持角焊縫，計(jì)算原理為:角焊縫的截面為近似倒三角形，整體近似三棱形，在兩個(gè)焊板相交的焊縫底部棱邊上生成焊接路徑點(diǎn)，從邊上提取空間位置信息，邊在該點(diǎn)的切線方向?yàn)楹缚p點(diǎn)的X軸方向，焊縫兩個(gè)側(cè)面的法向方向的夾角方向?yàn)楹缚p點(diǎn)的Z軸方向，Y軸由X,Z叉乘得到。見(jiàn)圖3。
 
圖3 焊接接頭特征

　　在沒(méi)有生成焊縫幾何體的情況下，生成焊接路計(jì)算原理和從焊縫幾何體生成焊縫點(diǎn)的原理相見(jiàn)圖4。
 
圖4 焊接路徑仿真結(jié)果

4.3.3噴管延伸段機(jī)器人焊接仿真
噴管延伸段機(jī)器人焊接系統(tǒng)仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

5結(jié)束語(yǔ)

　　由于采用離線編程，編程時(shí)不影響焊接機(jī)器人的正常生產(chǎn)。而且離線編程系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)編程，焊槍位置點(diǎn)的選取及焊槍姿態(tài)的過(guò)渡會(huì)很平滑，編程精度會(huì)提高。編程人員通過(guò)仿真系統(tǒng)，能夠很充觀地檢查編程結(jié)果，并可以進(jìn)行人工修正。

　　采用這樣的離線編程系統(tǒng)，能夠提高編程效率，減輕編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率及產(chǎn)品的焊接質(zhì)量