韓青

離線編程技術(shù)在車身焊接機(jī)器人應(yīng)用

韓青

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

離線編程技術(shù)可以有效降低機(jī)器人調(diào)試時間，縮短車身項(xiàng)目開發(fā)周期。文章利用西門子Tecnomatix軟件完成機(jī)器人坐標(biāo)系建立、焊接路線規(guī)劃、程序編程、干涉區(qū)設(shè)置，將現(xiàn)場機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試工作轉(zhuǎn)移至軟件中，取得了較好應(yīng)用效果。

離線編程；工業(yè)機(jī)器人；數(shù)字化制造

前言

工業(yè)機(jī)器人在汽車白車身焊接生產(chǎn)線中應(yīng)用廣泛，焊裝生產(chǎn)線機(jī)器人數(shù)量眾多、布局緊湊、工作環(huán)境復(fù)雜。機(jī)器人的運(yùn)行軌跡示教編程占據(jù)了整個焊裝項(xiàng)目設(shè)備調(diào)試周期較大比重，縮短機(jī)器人的軌跡示教時間對縮短整個焊裝線設(shè)備調(diào)試周期有著重要意義。

西門子Tecnomatix系列軟件為用戶提供了一套焊裝線數(shù)字化制造完整解決方案[1]，工程師可以在三維軟件環(huán)境中完成工藝設(shè)計(jì)、建模仿真、離線編程及虛擬調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線制造過程數(shù)字化。文本重點(diǎn)講述基于西門子Tecnomatix軟件的離線編程技術(shù)應(yīng)用情況，將機(jī)器人調(diào)試中的工具坐標(biāo)系建立、焊接路線規(guī)劃、離線編程、節(jié)拍驗(yàn)證、干涉區(qū)設(shè)置等工作轉(zhuǎn)移至三維軟件中，在設(shè)備安裝完成之前完成軌跡程序編程工作，從而縮短項(xiàng)目調(diào)試周期。

1 建立機(jī)器人工作坐標(biāo)系

機(jī)器人編程前需建立工作坐標(biāo)系，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動參考。工作系包括工具坐標(biāo)Tool（TCP/RTCP）、基坐標(biāo)Base。

機(jī)器人默認(rèn)Base0原點(diǎn)位于機(jī)器人底座中心處，焊接機(jī)器人工作坐標(biāo)系一般使用車身坐標(biāo)系Base1。Base1的位置數(shù)據(jù)X、Y、Z、RX、RY、RZ為Base1原點(diǎn)在Base0坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。機(jī)器人默認(rèn)Tool0原點(diǎn)位于機(jī)器人第六軸端法蘭中心處，在安裝工具作用點(diǎn)（TCP）處建立工具坐標(biāo)系Tool1。Tool1的位置數(shù)據(jù)X、Y、Z、RX、RY、RZ為Tool1點(diǎn)在Tool0坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

離線程序編程中根據(jù)機(jī)器人工作內(nèi)容選取使用Base和Tool坐標(biāo)系，編程完成后下載機(jī)器人程序后得到機(jī)器人軌跡程序和參考坐標(biāo)系Base、Tool數(shù)據(jù)，調(diào)試中采用直接輸入數(shù)據(jù)方法在機(jī)器人中建立坐標(biāo)系，相比傳統(tǒng)三點(diǎn)法、四點(diǎn)法現(xiàn)場建立坐標(biāo)系更便捷，更準(zhǔn)確。

圖1 基于西門子Tecnomatix的數(shù)字化制造過程

圖2 機(jī)器人TOOL&BASE設(shè)置

2 軌跡程序編程

2.1 焊接路線規(guī)劃

焊接工位一般包含多臺機(jī)器人，軌跡程序編程前，需要對工藝焊接路線進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)焊點(diǎn)位置、機(jī)器人及焊槍位姿，合理調(diào)整焊點(diǎn)順序，減少不必要的機(jī)器人運(yùn)行軌跡。

在三維軟件中，可以觀察到工位焊點(diǎn)分布，分配焊點(diǎn)至機(jī)器人，生成焊點(diǎn)路線，根據(jù)路線進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整焊點(diǎn)順序及焊點(diǎn)分配，達(dá)到最優(yōu)路徑。

2.2 碰撞檢查設(shè)置

在開始各臺機(jī)器人的軌跡程序編程之前，需要對機(jī)器人間可能存在的干涉區(qū)域設(shè)置碰撞檢查。設(shè)置碰撞干涉檢查是要在正常運(yùn)行情況下，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)器人與機(jī)器人、機(jī)器人與工裝夾具之間的碰撞干涉，及時調(diào)整機(jī)器人及工具姿態(tài)，或增加過渡限制點(diǎn)調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動路線。

對于焊槍，由于在焊點(diǎn)打點(diǎn)時電極帽會與工件接觸造成干涉，Process Simulate軟件能夠設(shè)置特定物件不檢查干涉，將電極帽設(shè)置為不檢查對象。當(dāng)軌跡示教完成后再開啟電極帽干涉檢查，確認(rèn)過渡軌跡中電極帽與工件是否存在干涉。

2.3 軌跡程序離線編程

在離線編程軟件中，編程變得簡單許多。通過切換視角可以直觀觀察到焊槍位姿及隱蔽區(qū)域干涉情況，不斷調(diào)整機(jī)器人及焊槍姿態(tài)，以最優(yōu)姿態(tài)到達(dá)焊點(diǎn)位置。同時借助軟件碰撞檢測功能，可以實(shí)時檢測干涉情況，不斷調(diào)整優(yōu)化機(jī)器人姿態(tài)。

圖3 焊接軌跡程序編程

2.3.1機(jī)器人軌跡點(diǎn)示教

機(jī)器人到達(dá)某個空間軌跡點(diǎn)時，由于6軸機(jī)器人的基本特性，同樣的軌跡點(diǎn)，機(jī)器人的姿態(tài)可能有多種配合，而我們只需要其中的一個姿態(tài)，這時候需要config來鎖定機(jī)器人機(jī)器人當(dāng)前六軸角度，確定機(jī)器人的姿態(tài)。

機(jī)器人軌跡程序包括Home點(diǎn)、焊接點(diǎn)、過渡點(diǎn)。將Home點(diǎn)、過渡點(diǎn)、焊接點(diǎn)連接起來，避開與工件、夾具等設(shè)備設(shè)施干涉，形成完整的焊接任務(wù)軌跡程序。

軌跡示教流程：

（1）設(shè)置Home點(diǎn)及Home點(diǎn)Config；

（2）移動機(jī)器人到達(dá)焊點(diǎn)，調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)后進(jìn)行焊點(diǎn)Config；

（3）添加過渡點(diǎn)，制作過渡軌跡。

圖4 軌跡點(diǎn)config

2.3.2機(jī)器人軌跡點(diǎn)屬性設(shè)置

以庫卡機(jī)器人為例，機(jī)器人的軌跡點(diǎn)屬性包括：運(yùn)動方式（Motion Type），工具坐標(biāo)（Tool），基坐標(biāo)（Base），加速度（ACC），速度（Speed），逼近值（Zone），焊槍伺服值（Servo Value），行走軸伺服值（Rail Value）。

表1 機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)

機(jī)器人品牌Motion TypeSpeed逼近值 KUKA焊點(diǎn)：PTP過渡點(diǎn)：PTP CD焊點(diǎn)：100%過渡點(diǎn)：100%焊點(diǎn)：FINE ABB焊點(diǎn)：SPOTL過渡點(diǎn)：MOVEL焊點(diǎn)：Vmax過渡點(diǎn)：Vmax焊點(diǎn)：FINE FANUC焊點(diǎn)：linear過渡點(diǎn)：Joint焊點(diǎn)：2 000 mm/s過渡點(diǎn)：100%焊點(diǎn)：FINE

接點(diǎn)工藝參數(shù)包括：板厚（Thickness），焊接程序號（Gun ProgNr），焊接壓力（Gun Force）等，根據(jù)工藝文件要求參數(shù)錄入。

圖5 軌跡點(diǎn)屬性設(shè)置

當(dāng)完成軌跡點(diǎn)的制作、軌跡確認(rèn)及軌跡點(diǎn)config后，需要對軌跡進(jìn)行屬性設(shè)置，完成完整編程。

2.3.3運(yùn)行驗(yàn)證

第三方編程軟件一般只機(jī)器人運(yùn)動模型，通過設(shè)定模型機(jī)構(gòu)運(yùn)動函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動，與真實(shí)的機(jī)器人運(yùn)動算法相差較大，為了進(jìn)行節(jié)拍測試及優(yōu)化，需要進(jìn)行機(jī)器人RCS（Realistic Controller Simulation）連接，使機(jī)器人更加接近現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

加載RCS后，機(jī)器人節(jié)拍精準(zhǔn)度可達(dá)95%，機(jī)器人軌跡更為精準(zhǔn)，過渡更為圓滑，接近機(jī)器人真實(shí)運(yùn)動方式。

3 機(jī)器人干涉區(qū)

點(diǎn)焊工位往往有多臺機(jī)器人同時作業(yè)，每臺機(jī)器人焊點(diǎn)位置，焊槍類型，焊接姿態(tài)都不相同，每臺機(jī)器人都有自己的焊接路線，難免出現(xiàn)機(jī)器人之間相互干涉。這個時候就需要加入機(jī)器人互鎖干涉區(qū)，避免出現(xiàn)干涉撞機(jī)事故。

借助離線編程軟件，可以生成機(jī)器人及工具運(yùn)行軌跡包絡(luò)體（圖6），直觀顯示出空間內(nèi)各機(jī)器人運(yùn)行路線空間占用情況，相鄰機(jī)器人運(yùn)行軌跡包絡(luò)體重疊部分即為機(jī)器人干涉區(qū)。

圖6 軌跡包絡(luò)體

圖7 干涉區(qū)包絡(luò)體

存在干涉區(qū)的機(jī)器人軌跡需進(jìn)行焊接路線優(yōu)化，消除或減小干涉區(qū)，得到最優(yōu)路徑程序。軌跡優(yōu)化完成后，無法消除的干涉區(qū)在離線程序中添加干涉區(qū)進(jìn)入、離開信號，完成干涉區(qū)設(shè)置工作。

相比現(xiàn)場調(diào)試靠人工目視核對機(jī)器人干涉區(qū)，離線編程生成干涉區(qū)包絡(luò)體更加直觀、準(zhǔn)確、高效。

4 實(shí)施應(yīng)用

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，離線程序取得了較好的應(yīng)用效果。離線編程完成后下載程序?qū)霗C(jī)器人中運(yùn)行驗(yàn)證。程序讀取正常，無報(bào)錯信息。Home點(diǎn)位姿與離線狀態(tài)一致。

以某工位weldA焊接程序?yàn)槔?，機(jī)器人焊接任務(wù)包含40個焊點(diǎn)，工位夾具夾爪分布密集，示教難度較大，部分區(qū)域人工難以觀察焊槍靜電極位置，現(xiàn)場示教需不斷調(diào)整機(jī)器人及焊槍姿態(tài)，躲避障礙到達(dá)焊點(diǎn)位置，完成編程預(yù)計(jì)至少需要8小時。

圖8 調(diào)試時間對比

軌跡程序共包含40個焊點(diǎn)，305個過渡點(diǎn)。離線程序僅三處軌跡點(diǎn)與夾具干涉，準(zhǔn)確度率達(dá)到90%以上。干涉位置增加過渡點(diǎn)限制軌跡后解決。離線程序手動低速驗(yàn)證及干涉點(diǎn)調(diào)整處理總計(jì)耗時40分鐘，相比人工示教8小時，節(jié)省時間80%以上，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

通過離線編程技術(shù)的應(yīng)用，將部分機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試工作轉(zhuǎn)移至電腦軟件中，最大限度縮短機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試周期，減少車間機(jī)器人停工時間，為新產(chǎn)品上市占領(lǐng)市場贏得先機(jī)。離線編程技術(shù)是響應(yīng)數(shù)字工廠[2]、智能工廠要求的重要技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0不可缺少的一環(huán)，必將得到越來越多地重視和發(fā)展。

[1] 于永初.Realize LIVE西門子數(shù)字化在加速[J].汽車工藝師,2019 (06):8-10.

[2] 熊容廷,宋艷麗.數(shù)字工廠技術(shù)在汽車焊裝中的應(yīng)用[J].汽車零部件,2020(03):96-98.

Application of Off-line Programming Technology in Body Welding Robot

HAN Qing

( Technology Center of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Off line programming technology can effectively reduce the robot debugging time and shorten the development cycle of body project. In this paper, Siemens Tecnomatix software is used to complete the establishment of robot coordinate system, welding route planning, program programming and interference area setting,to transfer the on-site robot debugging work in the software, and achieved gratifying successes.

Off-line programming; Industrial robot;Digital manufacturing

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.043

U466

B

1671-7988(2021)21-163-04

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韓青，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，從事車身及總裝自動化工藝設(shè)備工作，致力工廠數(shù)字化、智能化研究。