韓 青

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 合肥市 230000

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。整個(gè)焊裝項(xiàng)目設(shè)備調(diào)試周期中機(jī)器人的運(yùn)行軌跡示教編程占比較大，縮短機(jī)器人的軌跡示教時(shí)間對縮短整個(gè)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，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。本文重點(diǎn)論述基于西門子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)證及干涉區(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。

建立機(jī)器人工作坐標(biāo)系

如圖1所示，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。工作坐標(biāo)系包括工具坐標(biāo)Tool（TCP/RTCP）和基坐標(biāo)Base。

圖1 機(jī)器人TOOL&BASE設(shè)置

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。

軌跡程序編程

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，可以直觀地觀察到工位焊點(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.軌跡程序離線編程

在離線編程軟件中，編程變得簡單許多。如圖2所示，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(shí)借助軟件碰撞檢測功能，可以實(shí)時(shí)檢測干涉情況，不斷調(diào)整優(yōu)化機(jī)器人姿態(tài)。

圖2 焊接軌跡程序編程

（1）機(jī)器人軌跡點(diǎn)示教 機(jī)器人到達(dá)某個(gè)空間軌跡點(diǎn)時(shí)，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，而實(shí)際只需要其中的一個(gè)姿態(tài)，這時(shí)候需要config來鎖定機(jī)器人當(dāng)前六軸角度（見圖3），確定機(jī)器人的姿態(tài)。

圖3 軌跡點(diǎn)config

機(jī)器人軌跡程序包括Home點(diǎn)、焊接點(diǎn)和過渡點(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。

軌跡示教流程如下：

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。

（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)器人的軌跡屬性包括：運(yùn)動方式（Motion）、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）及行走軸伺服值（Rail Value）。焊接點(diǎn)工藝參數(shù)包括：板厚（Thickness）、焊接程序號（Gun ProgNr）和焊接壓力（Gun Force）等。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。

（3）運(yùn)行驗(yàn)證 第三方編程軟件一般指機(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。

機(jī)器人干涉區(qū)

點(diǎn)焊工位往往有多臺機(jī)器人同時(shí)作業(yè)，每臺機(jī)器人焊點(diǎn)位置、焊槍類型及焊接姿態(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(gè)時(shí)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，如圖4所示，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，包絡(luò)體重疊部分即為機(jī)器人干涉區(qū)。

圖4 干涉區(qū)包絡(luò)體（紅色區(qū)域）

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。

應(yīng)用實(shí)施效果

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。以某工位weldA焊接程序?yàn)槔?，機(jī)器人焊接任務(wù)包含40個(gè)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，完成編程至少需要8h。

離線程序完成后下載導(dǎo)入機(jī)器人中運(yùn)行驗(yàn)證，軌跡程序共包含40個(gè)焊點(diǎn)，305個(gè)過渡點(diǎn)僅三處軌跡與夾具干涉，準(zhǔn)確率達(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(shí)40min，相比人工示教8h，節(jié)省時(shí)間80%以上，取得了較好的應(yīng)用效果。

結(jié)語

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，在縮短機(jī)器人現(xiàn)場調(diào)試周期及降低人力成本方面取得了良好的應(yīng)用效果。離線編程技術(shù)是響應(yīng)工廠數(shù)字化、智能化要求的重要技術(shù)，必將得到越來越多的重視和發(fā)展。