楊 偉，劉建永

YANG Wei, LIU Jian-yong

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，十堰 442002）

0 引言

隨著我國制造業(yè)水平的不斷進(jìn)步，對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與自動化裝備的需求迅速增長，機(jī)器人的應(yīng)用范圍日趨廣泛。機(jī)器人是可編程的機(jī)械裝置，其功能的靈活性和智能化很大程度上決定于機(jī)器人的編程能力[1]。機(jī)器人編程方式可分為示教再現(xiàn)編程和離線編程兩種形式。目前，在國內(nèi)外生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人系統(tǒng)大多仍為示教再現(xiàn)型。但是，示教編程在實際生產(chǎn)應(yīng)用中存在有如下一些問題：1）機(jī)器人的在線示教編程過程繁瑣、效率低下，在編程時必須停止生產(chǎn)，影響生產(chǎn)效率；2）示教的質(zhì)量完全靠編程者的經(jīng)驗?zāi)繙y決定，對操作人員要求較高，而且對于復(fù)雜和空間路徑難以取得理想的效果[2]；而離線編程系統(tǒng)可以大大提高機(jī)器人編程效率，是實現(xiàn)系統(tǒng)集成的必要的軟件支撐系統(tǒng)。與示教編程相比，離線編程系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）減少機(jī)器人停機(jī)的時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進(jìn)行編程時，機(jī)器人可仍在生產(chǎn)線上工作；2）使編程者遠(yuǎn)離危險的工作環(huán)境，改善了編程環(huán)境；3）離線編程系統(tǒng)使用靈活，可以對機(jī)器人各種工作對象進(jìn)行編程，并能方便地實現(xiàn)優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)；4）便于和CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)合，發(fā)揮各自系統(tǒng)優(yōu)勢[2]，因此，離線編程引起了人們的廣泛重視，研究和應(yīng)用機(jī)器人離線編程技術(shù)是提高機(jī)器人作業(yè)自動化水平的必然趨勢。

1 系統(tǒng)平臺搭建

有完整的系統(tǒng)模型是離線編程的基礎(chǔ)，而完整的機(jī)器人激光熔敷系統(tǒng)一般由以下六部分組成：工業(yè)機(jī)器人、變位機(jī)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、激光加工系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)等。

筆者所使用機(jī)器人是瑞士ABB IRB4600，變位機(jī)是IRBPA，激光器使用的是LASERLINE半導(dǎo)體光纖耦合激光器，最大輸出功率可達(dá)3kW，主要編程軟件是DCAM。

圖1 激光熔敷系統(tǒng)組成框架圖

DCAM具備CAD功能，也支持UG等多種三維軟件建模后導(dǎo)入模型，可用于構(gòu)建工作平臺和工件模型，與機(jī)器人模塊一起構(gòu)成機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，模擬出一個逼真的工作場景。將各部件添加進(jìn)軟件，進(jìn)行裝配并定義各部位運(yùn)動學(xué)參數(shù)。定義激光器熔敷頭出光焦點(diǎn)處為TCP(Tool Center Point)。TCP位置和矢量方向要與實際機(jī)器人末端工具在編程時所使用的位置和矢量方向一致。

圖2 機(jī)器人激光熔敷系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)場

圖3 CAD建模構(gòu)建的機(jī)器人工作場景

2 運(yùn)動路徑規(guī)劃

首先使用CAD功能進(jìn)行建模，導(dǎo)入到編程系統(tǒng)中，在模型上設(shè)計提取所需運(yùn)動路徑，在該路徑上根據(jù)線條特征，分離出TCP運(yùn)動時所需要的各節(jié)點(diǎn)，調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的矢量方向，優(yōu)化控制機(jī)器人姿態(tài)，然后利用MovL、MovJ或MovC等插補(bǔ)指令，控制TCP從一節(jié)點(diǎn)向下一節(jié)點(diǎn)移動。在移動過程中，通過送粉器向熔覆頭同軸送粉，粉料在勻粉環(huán)的作用下在匯聚于激光焦點(diǎn)處，在激光掃描時熔化，隨后激光熔池冷卻堆積形成所需表面。

圖4 運(yùn)動路徑規(guī)劃作業(yè)流程

3 運(yùn)動編程

圖形化編程是目前大多數(shù)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)采用的方法，然而這種編程方式對于復(fù)雜路徑來說工作量仍是相當(dāng)大的[3]。而DAM軟件可根據(jù)分離出的各節(jié)點(diǎn)矢量，自動生成所需的路徑插補(bǔ)指令，并可以方便地對各節(jié)點(diǎn)矢量進(jìn)行調(diào)整。為了體現(xiàn)離線編程的優(yōu)勢，筆者用激光熔敷打印了空心“汽車”兩個字，熔敷高度4mm，每層在熔敷時的層高為0.5mm。如圖所示紅色、綠色、藍(lán)色分別對應(yīng)的空間曲線的弗萊納－雪列切向單位矢量、次法向單位矢量和法向單位矢量。

圖5 運(yùn)動路徑編程

4 后置處理與仿真模擬

后置處理在機(jī)器人離線編程應(yīng)用中至關(guān)重要，它決定了經(jīng)編程后的程序是否能應(yīng)用于生產(chǎn)實際，是整個系統(tǒng)中聯(lián)系編程和加工的最具實用價值的環(huán)節(jié)。其中機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)求解是其核心內(nèi)容，它是根據(jù)機(jī)器人末端執(zhí)行器所到達(dá)的節(jié)點(diǎn)的位姿，求出機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的角度，實現(xiàn)對機(jī)器人姿態(tài)的控制。在后置處理的同時，還需要對所需的IO控制信號指令進(jìn)行編程，以便在自動工作時響應(yīng)外部設(shè)備。經(jīng)過后置處理生成所需的機(jī)器人程序指令代碼。

在仿真時，為了保持仿真與實際運(yùn)動的一致性，筆者除了使用DCAM進(jìn)行仿真以外，還將程序模塊導(dǎo)入RobotStudio中進(jìn)行運(yùn)動仿真，分析其運(yùn)動的可達(dá)性、平穩(wěn)性以及是否發(fā)生干涉等，以驗證作業(yè)程序的正確性。其完整的程序模塊結(jié)構(gòu)如下：

5 試驗驗證

經(jīng)仿真無誤的情況下，將程序模塊CLXYLASER.MOD同步到機(jī)器人控制器中，實地加工驗證。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人運(yùn)行路徑和仿真模擬完全一致，整個作業(yè)過程運(yùn)行平穩(wěn)流暢，所打印出的空心“汽車”二字字跡輪廓清晰，高度均勻一致，效果完全滿足了實際應(yīng)用需要，效果良好。

6 結(jié)束語

1）采用離線編程，能極大提高編程效率和精度，而且可以通過可視化仿真來對運(yùn)動進(jìn)行修正，提高機(jī)器人工作時的安全性。

圖6 試驗驗證結(jié)果

2）該離線編程系統(tǒng)實現(xiàn)了機(jī)器人和變位機(jī)之間的聯(lián)動，對于復(fù)雜路徑運(yùn)動編程有較大應(yīng)用優(yōu)勢。

3）經(jīng)仿真后的程序指令傳輸?shù)娇刂破髦泻?，無需再做任何修改即可直接運(yùn)行，證實該系統(tǒng)的有著良好的可靠性，是實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的關(guān)鍵，有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1]王克鴻,劉永,許越蘭.弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報,2001,22(4):84-87.

[2]Yocam Regev.The evolution of off-line programming[M].Industrial Robot,1995,22(3):3.

[3]姜蓓.機(jī)器人等離子切割離線編程技術(shù)[D].上海:上海交通大學(xué),2008.