孫秀玲， 侯志剛， 石運(yùn)序

（煙臺(tái)大學(xué) 機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005）

0 引言

隨著技術(shù)進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人在汽車領(lǐng)域得到了長足發(fā)展與廣泛應(yīng)用，其中以焊接機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛，其應(yīng)用有效解決了工人作業(yè)時(shí)間長、勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。焊接機(jī)器人造價(jià)高、焊接過程復(fù)雜，若路徑規(guī)劃不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生誤傷人、與夾具發(fā)生干涉等事故，造成生命財(cái)產(chǎn)的極大損失［1-4］。機(jī)器人和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人工作過程的仿真十分必要，一是可以提供和機(jī)器人進(jìn)行交互作用的虛擬環(huán)境，在計(jì)算機(jī)上模擬焊接過程；二是可以有效模擬機(jī)器人與工件或夾具的碰撞問題以及機(jī)器人可達(dá)性問題［5-6］。

本文以機(jī)器人焊接白車身為例，基于Robcad軟件平臺(tái)，提出有效避免機(jī)器人焊接過程中與工件或夾具發(fā)生干涉問題的解決辦法，對(duì)于減少現(xiàn)場調(diào)試的時(shí)間，降低改造、測試的費(fèi)用，提高作業(yè)安全性有重要意義。

1 Robcad仿真模型建立

運(yùn)用Robcad軟件仿真焊接機(jī)器人對(duì)白車身的焊接過程，為真實(shí)模擬實(shí)際作業(yè)工況，仿真前需合理布置焊接作業(yè)環(huán)境，建立仿真模型，再進(jìn)行焊接仿真及路徑優(yōu)化。

1.1 加載機(jī)器人、焊槍、夾具和白車身

根據(jù)作業(yè)要求，選擇合適型號(hào)的機(jī)器人和焊槍，準(zhǔn)備夾具模型和白車身模型，在工作單元（workcell）模塊下分別加載機(jī)器人、焊槍、夾具及車身模型，注意保證相互之間準(zhǔn)確的位置關(guān)系，建立仿真環(huán)境。

1.2 導(dǎo)入焊點(diǎn)

將焊點(diǎn)信息整理保存為“POINT+空格+焊點(diǎn)號(hào)（小寫字母開頭）+Tab+X值+Tab+Y值+Tab+Z值”格式，如“POINT h0221 490.8-135.7-21.8”，導(dǎo)入焊點(diǎn)，注意保證焊點(diǎn)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系原點(diǎn)一致。

1.3 關(guān)聯(lián)焊槍

為模擬機(jī)器人和焊槍焊接作業(yè)的真實(shí)狀態(tài)，通過Mount命令將焊槍關(guān)聯(lián)到機(jī)器人上，并定義焊槍的工具坐標(biāo)系（tcp），為保證焊槍焊接時(shí)有確定的進(jìn)入方向和焊接方向，規(guī)定焊槍工具坐標(biāo)系（tcf） 的 Z坐 標(biāo)（長虛線）為焊槍進(jìn)入方向，X坐標(biāo)（長實(shí)線）為焊槍動(dòng)臂方向，如圖1所示。

圖1 關(guān)聯(lián)到機(jī)器人上的焊槍

2 創(chuàng)建并優(yōu)化焊接路徑

2.1 設(shè)置焊點(diǎn)坐標(biāo)系方向

加載到工件的每一個(gè)焊點(diǎn)有其各自的坐標(biāo)系，為使機(jī)器人焊接時(shí)焊槍有一定的焊接方向，需對(duì)焊點(diǎn)設(shè)置焊槍進(jìn)入方向和焊接方向，如圖2所示。

2.2 創(chuàng)建焊接路徑

打開路徑編輯菜單（Path Editor）顯示焊點(diǎn)坐標(biāo)，運(yùn)用菜單中的創(chuàng)建路徑命令（Create Path）創(chuàng)建并命名路徑，如圖3所示。運(yùn)用測試可達(dá)性命令（Test Reach）檢查機(jī)器人能否準(zhǔn)確到達(dá)焊點(diǎn)位置，并觀察機(jī)器人到達(dá)焊點(diǎn)時(shí)的姿態(tài)，通過路徑編輯菜單的順序調(diào)節(jié)命令調(diào)整焊接順序中不合理的焊點(diǎn)，完成路徑創(chuàng)建。

2.3 優(yōu)化焊接路徑

圖2 設(shè)置焊槍進(jìn)入方向和焊接方向

圖3 創(chuàng)建路徑

仿真焊接機(jī)器人對(duì)已創(chuàng)建路徑的焊接過程，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人與夾具間發(fā)生干涉，觀察干涉處機(jī)器人的焊接過程，分析造成機(jī)器人焊接干涉的原因有3種：1）機(jī)器人焊接姿態(tài)不好；2）工件上焊點(diǎn)坐標(biāo)系方向不合適；3）機(jī)器人在相鄰焊點(diǎn)間移動(dòng)缺少過渡焊點(diǎn)。針對(duì)上述3種原因，提出以下3種解決方案。

2.3.1 優(yōu)化焊接姿態(tài)

機(jī)器人在進(jìn)行焊接時(shí)，焊接姿態(tài)有時(shí)會(huì)發(fā)生大翻轉(zhuǎn)（如圖4所示）對(duì)機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損害，降低機(jī)器人壽命，影響焊接精度，并增加了與夾具等發(fā)生干涉的機(jī)率，因此，需對(duì)此類焊點(diǎn)單獨(dú)定義機(jī)器人焊接姿態(tài)。

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)菜單（Motion）中Solutions and turns命令查看機(jī)器人到達(dá)焊點(diǎn)的幾種姿態(tài)，選擇合適姿態(tài)，用Teach location記錄機(jī)器人的軸配置關(guān)系（如圖5所示）以此姿態(tài)作為機(jī)器人再次到達(dá)該焊點(diǎn)的動(dòng)作姿態(tài)。

2.3.2 調(diào)整焊點(diǎn)坐標(biāo)系方向

相鄰焊點(diǎn)的坐標(biāo)系方向相反意味著焊槍焊接時(shí)需進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)，這不僅增大了干涉發(fā)生的機(jī)率，而且降低焊接效率和焊接質(zhì)量，此時(shí)需對(duì)焊點(diǎn)的坐標(biāo)方向進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法有以下3種：1）用Placement editor命令單個(gè)調(diào)整焊點(diǎn)坐標(biāo)方向；2）用Flip location命令批量翻轉(zhuǎn)焊點(diǎn)坐標(biāo)方向；3）用Align orientation命令批量調(diào)整焊點(diǎn)坐標(biāo)方向，使待修改的焊點(diǎn)坐標(biāo)方向與參考焊點(diǎn)的坐標(biāo)方向一致。

2.3.3 添加過渡焊點(diǎn)

調(diào)整好焊點(diǎn)的坐標(biāo)方向和機(jī)器人的焊接姿態(tài)后，仍不能保證機(jī)器人在焊接時(shí)不會(huì)與夾具及工件等發(fā)生干涉，因?yàn)闄C(jī)器人在相鄰焊點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)不能自動(dòng)規(guī)避夾具及工件，因此，需要設(shè)置合適的過渡焊點(diǎn)優(yōu)化路徑，避免干涉的發(fā)生。

仿真機(jī)器人焊接過程，觀察機(jī)器人與夾具間的干涉狀況，初步確定過渡焊點(diǎn)的位置，手動(dòng)編制過渡焊點(diǎn)，運(yùn)用Mark_loc命令記錄這一過渡軌跡并加到路徑中，完成對(duì)焊接軌跡的優(yōu)化。

通過Robcad干涉檢查功能檢查機(jī)器人與工件及夾具間有無干涉，若仍存在干涉則按上述優(yōu)化過程繼續(xù)調(diào)整焊點(diǎn)方向或設(shè)置合適的過渡點(diǎn)，直到消除干涉現(xiàn)象。

圖4 機(jī)器人大翻轉(zhuǎn)姿態(tài)

圖5 調(diào)節(jié)機(jī)器人焊接姿態(tài)

3 結(jié)論

利用Robcad仿真平臺(tái)建立了白車身焊接仿真模型，創(chuàng)建焊接路徑，對(duì)于機(jī)器人焊接可達(dá)性問題和焊接干涉問題進(jìn)行了有效模擬，分析干涉產(chǎn)生原因并有針對(duì)性地提出了有效避免干涉發(fā)生的解決方案：1）通過Solutions and turns命令優(yōu)化機(jī)器人的焊接姿態(tài)。2）通過Placement editor命令單個(gè)調(diào)整焊點(diǎn)方向；或通過Flip location命令或Align orientation命令批量調(diào)節(jié)焊點(diǎn)方向，優(yōu)化焊槍焊接方向。3）添加過渡焊點(diǎn)，優(yōu)化焊接路徑，避免干涉。

應(yīng)用上述解決辦法，有效避免了白車身焊接過程中干涉的發(fā)生，驗(yàn)證該方案的可行性。對(duì)有效減少現(xiàn)場測試、改造的時(shí)間和費(fèi)用有重要意義，仿真機(jī)器人的焊接過程為實(shí)際作業(yè)提供指導(dǎo)作用，使現(xiàn)場工作更加方便。

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