賀鑫鑫, 雷同飛, 王瑞龍
(西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710123)
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization,ISO)對(duì)機(jī)器人的定義為“機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手”[1]。 工業(yè)機(jī)器人的主要由機(jī)械本體、伺服系統(tǒng)、減速器和控制器等組成。 機(jī)器人進(jìn)行工作的機(jī)械機(jī)構(gòu)是由眾多關(guān)節(jié)部位組成,具備人體手部的相似功能。而機(jī)械臂的優(yōu)勢(shì)就是擁有人類不具有的重復(fù)性、高精確性和重負(fù)荷作業(yè)的能力??刂破髯饔檬球?qū)動(dòng)關(guān)節(jié)部位在特定工作區(qū)域重復(fù)精確完成指令動(dòng)作,控制器則是機(jī)器人的核心,決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣[2]。機(jī)器人離線編程系統(tǒng)主要包括以下一些主要模塊:傳感器、機(jī)器人系統(tǒng)CAD 建模、離線編程、圖形仿真、人機(jī)界面以及后置處理等。
焊接技術(shù)在制造業(yè)中自動(dòng)化水平越來(lái)越高,焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線具有穩(wěn)定的焊接質(zhì)量,并且可以有效提高焊接效率[3]。在工業(yè)生產(chǎn)線布局中,焊接機(jī)械臂生產(chǎn)線的布局能夠改善工人們的工作環(huán)境,焊接過(guò)程中通過(guò)離線仿真編程技術(shù)驗(yàn)證后,焊接參數(shù)及工藝要求一次設(shè)置完成后即可快速完成大量生產(chǎn)。而在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)前期需要面臨的問(wèn)題就有兩大類,一是焊接機(jī)器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)如基于視覺的焊縫追蹤、基于傳感器的焊縫識(shí)別等;二是生產(chǎn)線設(shè)備中多機(jī)器的協(xié)調(diào)控制,對(duì)于機(jī)器人的合理布局,生產(chǎn)線節(jié)拍控制等。 而機(jī)械焊接工作開始的前提,就是要先對(duì)焊接機(jī)械臂生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析和研究。
示教編程是指操作人員通過(guò)肉眼觀察和操作,用機(jī)器人示教控制器引導(dǎo)機(jī)器人從一個(gè)路點(diǎn)(Waypoint)到達(dá)另一個(gè)路點(diǎn),逐點(diǎn)合成整個(gè)的機(jī)器人工作軌跡(直線、圓弧軌跡等除外)。 示教器是示教編程的必備工具,示教器的作用是操作人員控制機(jī)器人到達(dá)指定點(diǎn)后完成指定動(dòng)作,現(xiàn)場(chǎng)生成簡(jiǎn)單編程,機(jī)器人可快速地完成固定路徑往復(fù)運(yùn)動(dòng)。大部分機(jī)器人配備有示教器,可由操作者進(jìn)行簡(jiǎn)單編程。 示教編程主要應(yīng)用于軌跡簡(jiǎn)單,頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中,此工作中示教編程不會(huì)花費(fèi)過(guò)多時(shí)間,例如搬運(yùn)、碼垛和焊接等。
而離線編程是通過(guò)在仿真軟件中依照真實(shí)的機(jī)器人工作站搭建一整套對(duì)應(yīng)的虛擬三維場(chǎng)景, 并在此場(chǎng)景中配置機(jī)器人、工具、工件、外部軸等生產(chǎn)要素,通過(guò)這一系列的操作來(lái)生成用于生產(chǎn)的機(jī)器人工作軌跡。
離線編程是將機(jī)器人工作的場(chǎng)景在三維軟件中重現(xiàn),為了滿足生產(chǎn)和工藝等相關(guān)需求,在軟件中模擬機(jī)器人的控制指令,并以此生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑,我們可以進(jìn)行路徑規(guī)劃和碰撞分析。 根據(jù)需求可以及時(shí)修改編程信息,最后將變成信息上載到機(jī)器人中即可完成。離線仿真編程設(shè)計(jì)是一種直觀且自動(dòng)地編程生成技術(shù), 它不使用真實(shí)的機(jī)器人系統(tǒng), 因此大大減少了系統(tǒng)編程所需的停機(jī)時(shí)間,并在人工成本方面帶來(lái)了巨大的節(jié)約。機(jī)器人焊接系統(tǒng)的編程已經(jīng)開發(fā)了兩種不同的編程模式(在線和離線)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。在線編程通常使用教學(xué)編程方法來(lái)實(shí)現(xiàn), 離線編程是一種不需要在真實(shí)機(jī)器人系統(tǒng)中操作的自動(dòng)編程生成技術(shù), 可以有效減少在線編程所需的停機(jī)時(shí)間,節(jié)省了人力成本。 目前,離線仿真編程技術(shù)通??梢苑譃榛谟?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和基于視覺的方法。 隨著人機(jī)交互技術(shù)和AI 技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)器人系統(tǒng)的學(xué)習(xí)輔助功能可以幫助我們逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)編程技術(shù)、路徑優(yōu)化和故障診斷和處理等工作。這兩種仿真編程方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人焊接系統(tǒng)。
與以往的機(jī)械設(shè)計(jì)方法作對(duì)比,CAD 技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì),機(jī)械制圖和設(shè)計(jì)計(jì)算是需要耗費(fèi)大量工作時(shí)間的,CAD 技術(shù)可以顯著提高項(xiàng)目效率, 降低項(xiàng)目成本。 CAD系統(tǒng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法, 可以對(duì)產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,與此同時(shí)也注重了安全性。CAD 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以使繁瑣的計(jì)算和制圖工作簡(jiǎn)單化, 例如通過(guò)在總結(jié)工裝夾具方案設(shè)計(jì)過(guò)程中的特點(diǎn)和規(guī)律, 逐步建立了基于實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)模型案例庫(kù), 方便后續(xù)的方案設(shè)計(jì)及產(chǎn)品工藝優(yōu)化等。
離線編程中產(chǎn)生的外部誤差, 通常出現(xiàn)在機(jī)器人本體的安裝誤差, 例如機(jī)械臂各軸的原點(diǎn)位置偏差和工裝夾具的設(shè)計(jì)誤差。 外部誤差在設(shè)計(jì)和安裝中屬于可控的誤差。 內(nèi)部誤差是機(jī)器人本體在生產(chǎn)制造時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的誤差,由機(jī)器人的產(chǎn)品質(zhì)量決定。減小安裝誤差校準(zhǔn)方式: 利用仿真軟件在加工工件三維模型中特征點(diǎn)生成三點(diǎn)程序,在現(xiàn)場(chǎng)工件上同樣位置找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)。路點(diǎn)和坐標(biāo)兩者保持一致, 通過(guò)計(jì)算機(jī)器人坐標(biāo)系中三點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)工件的三點(diǎn)位置信息,計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)得出安裝誤差。用差值去補(bǔ)償上載的離線編程,縮小誤差造成的偏值。這種方法需要到現(xiàn)場(chǎng)示教編程,通過(guò)計(jì)算測(cè)量誤差后,修改機(jī)器人運(yùn)行程序,該步驟繁瑣耗費(fèi)時(shí)間較多。內(nèi)部誤差的校準(zhǔn)方法可以采用構(gòu)建一個(gè)夾具的用戶坐標(biāo)系置于仿真系統(tǒng)中,首先將離線仿真編程導(dǎo)入到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人,隨后重新示教同位置的夾具坐標(biāo)系, 對(duì)比誤差后進(jìn)行示教編程補(bǔ)償, 最后將之前的相對(duì)程序轉(zhuǎn)換為關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)用戶坐標(biāo)系的脈沖程序。
為保證焊接機(jī)器人視覺系統(tǒng)精確運(yùn)行,綜合各標(biāo)定方法對(duì)系統(tǒng)中所涉及坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定[4]。對(duì)機(jī)械臂的絕對(duì)原點(diǎn)標(biāo)定,確定機(jī)械臂的安裝誤差。機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí),末端法蘭需要連接吸盤、夾爪等工具,工具相對(duì)末端法蘭坐標(biāo)系的位置姿態(tài)必須得以確定, 才能依賴末端工具與環(huán)境的準(zhǔn)確位姿關(guān)系, 以確保相關(guān)任務(wù)的順利進(jìn)行。所以工具的TCP 標(biāo)定是基礎(chǔ)而重要的。傳感器的手眼標(biāo)定是為了確定視覺系統(tǒng)中坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系; 而機(jī)器人基座坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行工具坐標(biāo)系的標(biāo)定,確立相互的轉(zhuǎn)換關(guān)系。以此達(dá)成焊接工作站的系統(tǒng)標(biāo)定的解決辦法。對(duì)機(jī)器人本體,做絕對(duì)精度的標(biāo)定, 檢測(cè)機(jī)器人執(zhí)行代碼到達(dá)的實(shí)際點(diǎn)與理論點(diǎn)間的誤差,并通過(guò)算法,予以補(bǔ)償、校正[5-6]。
在傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中, 機(jī)械工程師在前期工作中完成項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)和工藝要求的制定。 以往項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案流程如圖1 所示,先按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)器人、夾具等周邊設(shè)備結(jié)合車間結(jié)構(gòu)完成了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線的布置工作, 這些工作要求設(shè)計(jì)者擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。到了裝配環(huán)節(jié),數(shù)量龐大且復(fù)雜的機(jī)器人裝配線也令現(xiàn)場(chǎng)布局的工程師應(yīng)接不暇。因?yàn)樵陧?xiàng)目前期,設(shè)計(jì)者并沒有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況對(duì)工藝規(guī)劃和設(shè)備布局做驗(yàn)證, 因?yàn)槿狈σ粋€(gè)有效的仿真實(shí)體模型進(jìn)行可行性和安全性驗(yàn)證。 此情況下直接開始現(xiàn)場(chǎng)施工先進(jìn)行生產(chǎn)線的布局,然后進(jìn)行安全性檢測(cè)。工程師首先需要論證設(shè)計(jì)機(jī)械臂的安裝位置是否合理, 整個(gè)機(jī)械臂生產(chǎn)線組裝完成后,開始通電現(xiàn)場(chǎng)示教機(jī)器人,檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)反饋相應(yīng)的設(shè)計(jì)部門, 首先保證安全,其次合理布置流水線。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后反饋修改設(shè)計(jì)方案, 工程師設(shè)計(jì)新方案后現(xiàn)場(chǎng)工程師將開始驗(yàn)證工藝計(jì)劃、設(shè)備規(guī)劃的正確性和計(jì)劃的可行性。這種設(shè)計(jì)方法不僅耗費(fèi)大量的人力物力,還會(huì)延誤生產(chǎn)線,造成新產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度較慢。
圖1 傳統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案流程
生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于用CAD 技術(shù)來(lái)合理布局生產(chǎn)線, 以及利用精益生產(chǎn)的理念對(duì)生產(chǎn)線的節(jié)拍優(yōu)化。 精益生產(chǎn)的工作重心在于通過(guò)節(jié)拍分析找到瓶頸工位并優(yōu)化的產(chǎn)能。 首先通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中存在的工位的生產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)和分析, 綜合考慮設(shè)備生產(chǎn)線的各種型號(hào)的智能控制設(shè)備的生產(chǎn)流程, 其次考慮生產(chǎn)線流程中質(zhì)量和工藝的不同要求。 綜合生產(chǎn)線的各個(gè)工序和技術(shù)要求,進(jìn)行逐步分析實(shí)施。
路徑優(yōu)化部分主要指生產(chǎn)線中的機(jī)器人執(zhí)行焊接任務(wù)過(guò)程中, 在線編程中用到的程序設(shè)計(jì)是主程序負(fù)責(zé)主要運(yùn)動(dòng)參數(shù), 主程序調(diào)用不同的子程序來(lái)完成焊接中使用的各種功能。 加工工件越復(fù)雜,調(diào)用的子程序就越多,整個(gè)焊接過(guò)程持續(xù)的時(shí)間就長(zhǎng), 焊接機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生多余的程序信號(hào),增加了操作機(jī)的工作時(shí)間。我們可以將總體系統(tǒng)分為以下幾個(gè)子系統(tǒng): 基于視覺傳感的初始焊位識(shí)別與引導(dǎo)子系統(tǒng),基于視覺傳感的焊縫跟蹤子系統(tǒng),基于視覺傳感的焊縫熔透實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)等。 刪除多余的程序信號(hào)和過(guò)渡路點(diǎn),提高生產(chǎn)節(jié)拍。
焊接過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化有質(zhì)量和安全兩個(gè)重要前提,焊接生產(chǎn)線的高自動(dòng)化帶來(lái)的安全問(wèn)題復(fù)雜多樣, 在設(shè)計(jì)優(yōu)化中的參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)中的使用參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,確保產(chǎn)品的質(zhì)量以及設(shè)備和生產(chǎn)線的安全。生產(chǎn)優(yōu)化的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)該是提高設(shè)備的運(yùn)行速度和提高焊接視覺傳感和焊縫識(shí)別速度。
時(shí)序指代的是生產(chǎn)線的多設(shè)備協(xié)調(diào)工作中的“交接”部分, 而機(jī)器人串聯(lián)工作可以根據(jù)工藝要求更改為多機(jī)器人并聯(lián),通過(guò)減少關(guān)鍵路徑上的組合邏輯級(jí)數(shù)來(lái)優(yōu)化時(shí)序。
機(jī)械工程師進(jìn)行項(xiàng)目的規(guī)劃和工藝設(shè)計(jì)要求, 按照項(xiàng)目的規(guī)劃和工藝設(shè)計(jì)要求執(zhí)行CAD 布局, 先構(gòu)建3D機(jī)械臂模型、其次在CAD 中對(duì)機(jī)械臂和焊槍的結(jié)合以及生產(chǎn)線中的布局進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),在CAD 中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行布局,并要進(jìn)行機(jī)器人碰撞區(qū)測(cè)試,以保證工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線作業(yè)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)碰撞的情況。 在構(gòu)建的機(jī)器人模擬系統(tǒng)中, 執(zhí)行實(shí)際機(jī)器人控制器中可以使用的工藝驗(yàn)證、設(shè)備驗(yàn)證、機(jī)器人軌道程序生成、生產(chǎn)周期計(jì)算、模擬程序。 生成機(jī)器人離線程序,描述控制器離線程序后,設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)。現(xiàn)場(chǎng)工程師在機(jī)器人控制器上載入離線程序后,短時(shí)間內(nèi)完成程序下載和調(diào)試任務(wù),現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)可以迅速展開, 縮短了生產(chǎn)線的安裝和試運(yùn)行周期,加快了生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度。而優(yōu)化后項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案流程如圖2 所示。
圖2 優(yōu)化后項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案流程
而使用CAD 的工業(yè)焊接機(jī)械臂3D 仿真, 能夠比較準(zhǔn)確地反映加工現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)線生產(chǎn)情況。 在每個(gè)站點(diǎn)之間傳輸?shù)牟糠钟蓚鬏斣O(shè)備執(zhí)行。 整個(gè)焊接生產(chǎn)線的傳輸系統(tǒng)是重要組成部分, 設(shè)計(jì)師需要根據(jù)年生產(chǎn)綱領(lǐng)計(jì)劃計(jì)算出產(chǎn)能和生產(chǎn)節(jié)拍。 通過(guò)生產(chǎn)節(jié)拍來(lái)平衡各個(gè)崗位的工藝內(nèi)容。因此傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。為了提高焊接生產(chǎn)線的機(jī)械化水平,同時(shí)完成焊接生產(chǎn)的時(shí)間組織,在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)與車間布局設(shè)計(jì)中, 應(yīng)先計(jì)算出生產(chǎn)周期,依據(jù)生產(chǎn)周期校驗(yàn)生產(chǎn)中的安全技術(shù)[7]。通過(guò)3D 仿真模擬生產(chǎn)線設(shè)計(jì),可以對(duì)設(shè)計(jì)方案、工藝方案進(jìn)行分析,對(duì)生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性進(jìn)行分析論證。 而此過(guò)程與之前的設(shè)計(jì)方法對(duì)比可以突出方便快捷等特有優(yōu)勢(shì)。能夠更快地完成模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,而生產(chǎn)線運(yùn)行后產(chǎn)生的故障問(wèn)題與解決方案也可進(jìn)行模擬, 提前完成優(yōu)化設(shè)計(jì)和問(wèn)題預(yù)案。
基于CAD 的離線仿真編程焊接機(jī)械臂生產(chǎn)線設(shè)計(jì)隨著視覺跟蹤與識(shí)別技術(shù)、傳感器反饋技術(shù)和AI 智能控制技術(shù)的發(fā)展,與此同時(shí)5G 網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的半生發(fā)展, 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的發(fā)展和變革在以下幾個(gè)方面尤為突出:
(1)離線仿真編程技術(shù)隨著軟硬件的發(fā)展,編程技術(shù)將會(huì)變得更加的簡(jiǎn)單操作、快速模擬、可視化程度高以及仿真精確。
(2)伴隨著視覺跟蹤、傳感器識(shí)別反饋,信息和大數(shù)據(jù)技術(shù), 環(huán)境識(shí)別與構(gòu)建愈發(fā)準(zhǔn)確, 各工序產(chǎn)品的CAD模型庫(kù)完善。
(3)基于5G 的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)所實(shí)現(xiàn)編程的網(wǎng)絡(luò)高速化、辦公遠(yuǎn)程化、操作可視化。
(4)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的人機(jī)互動(dòng)和遠(yuǎn)程離線編程。
(5)基于智能AI 技術(shù)的離線仿真編程技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)多維空間信息,自主規(guī)劃焊接生產(chǎn)線布局與仿真。自動(dòng)獲取加工路徑的幾何信息。
從項(xiàng)目的功能性與實(shí)用性出發(fā), 離線編程技術(shù)仍處于高速發(fā)展中,在項(xiàng)目中的復(fù)雜應(yīng)用,一些關(guān)鍵的方法技術(shù)仍需假以時(shí)日的改進(jìn)。 由于工業(yè)生產(chǎn)用機(jī)器人的設(shè)計(jì)以及在項(xiàng)目中的使用場(chǎng)景越來(lái)越復(fù)雜, 國(guó)內(nèi)外編程軟件中也得此機(jī)會(huì)得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。 機(jī)器人離線編程的快速發(fā)展同時(shí)也推動(dòng)著整個(gè)產(chǎn)業(yè)向智能化、 專業(yè)化的方向快速發(fā)展。用戶的操作會(huì)變得快捷而高效,只需簡(jiǎn)單操作即可快速生成控制程序。 工作效率的提升離不開離線編程的快速發(fā)展。只有示教編程時(shí),機(jī)器人的使用場(chǎng)景更多出現(xiàn)在搬運(yùn)碼垛等簡(jiǎn)單工作, 對(duì)于稍微復(fù)雜的作業(yè)需要對(duì)復(fù)雜動(dòng)作進(jìn)行拆分, 或者花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行編程和調(diào)試。 而示教編程推動(dòng)了機(jī)器人去適應(yīng)復(fù)雜化和多元化的場(chǎng)景,使之成為新時(shí)代的“大國(guó)工匠”。
傳統(tǒng)的在線示教編程并不會(huì)走向沒落, 而是更多在特種加工的應(yīng)用場(chǎng)合出現(xiàn)高頻次應(yīng)用,例如空間站、核電等場(chǎng)景使用。 而隨著CAD 技術(shù)、視覺技術(shù)、傳感技術(shù),互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)深度融合,自動(dòng)感知、辨識(shí)和重構(gòu)工件和加工路徑等,實(shí)現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃,自動(dòng)糾偏和自適應(yīng)環(huán)境。 本文對(duì)基于CAD 的離線仿真編程焊接機(jī)械臂生產(chǎn)線設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些研究, 概述了機(jī)械臂生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案流程。 對(duì)CAD 的工業(yè)焊接機(jī)械臂仿真編程設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析, 探索將傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)與仿真編程設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合, 使用仿真編程在復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程可以大大提高工作效率。 將其應(yīng)用于焊接機(jī)械臂的生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)中,則提高了設(shè)計(jì)、制造、工藝的效益,達(dá)成了設(shè)備功能性、可靠性和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性、時(shí)效性的統(tǒng)一。