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機器人焊接系統離線編程實例分析

日期:2018-03-25           來源: 青島中茂電子有限公司

 隨著國內航天事業飛速發展、國際衛星發射市場競爭日趨激烈,對發動機的生產周期、制造成本,提出了更高的要求。為了適應這種形勢,設法提高焊接接頭質量及保證焊接接頭質量的穩定性、生產周期已成為當務之急。機器人的柔性優勢正是解決這種矛盾的良好方案。

 

目前機器人焊接存在的問題

 

為滿足焊接質量的要求,對每一段都需要選擇其中一條焊縫進行機器人編程。目前采用的編程方式為示教編程。操作人員利用示教盒控制機器人運動,使焊槍到達完成焊接作業所需位姿,并記錄下各個示教點的位姿數據。隨后機器人便可以在“再現”狀態完成這條焊縫的焊接。

 

根據前期的試驗,目前存在以下兩方面問題:

 

(1)示教精度不穩定,影響焊接質量

 

在示教過程中,編程效果受操作人員水平及狀態的影響較大。示教時,應盡量保證示教點在焊縫軌跡上,保證合適的焊槍高度,并且要保證焊槍姿態的連續變化,對操作人員的水平要求很高。另外,操作人員長時間處在高度精神集中的狀態,很難保證每個示教點的準確。從而使最終的編程精度變得不穩定,有時還會發生焊槍與工件相碰等問題。

 

(2)編程時間長,焊接效率低

 

為了保證軌跡的精度,通常在 100mm 的焊縫上,需要示教 50 個點,以保證焊接機器人運行平滑及收弧點位置的一致。在每段的在線示教與編程中,需要 2 小時的時間,約需 25 個工作日,加大了總焊接時間。因此,如何提高編程的效率及精度,縮短產品總的焊接時間,提高焊接質量成為需要迫切解決的問題。

 

機器人焊接離線編程技術

 

目前的機器人編程可以分為示教編程與離線編程兩種方式。在機器人所要完成的任務不很復雜,以及編程時間相對于工作時間來說比較短的情況下,示教編程是有效可行的,但在許多復雜的作業應用中不是令人滿意。

 

♦機器人離線編程的特點

 

機器人焊接離線編程及仿真技術是利用計算機圖形學的成果,在計算機中建立起機器人及其工作環境的模型,通過對圖形的控制和操作,在不使用實際機器人的情況下進行編程,進而產生機器人程序。與傳統的在線示教編程相比,離線編程具有如下優點:

◇減少機器人不工作的時間;

◇使編程者遠離危險的工作環境;

◇便于修改機器人程序;

◇可結合各種人工智能等技術來提高編程效率;

◇便于和 CAD/CAM 系統結合,做到 CAD/CAM/Robotics一體化。

因此,機器人焊接離線編程及仿真是提高機器人焊接系統柔性化的一項關鍵技術,是現代機器人焊接制造業的一個重要發展趨勢。

 

♦機器人離線編程技術的現狀

 

目前國際市場上已有基于普通PC機的商用機器人離線編程軟件。 如Workspace、 ROBCAD、 IGRIP等。

 

Workspace 是 Robot Simulations 公司開發的第一個商品化的基于微機的機器人仿真與離線編程軟件。該軟件最新版本采用了 ACIS 作為建模核心,與一些基于微機的 CAD 系統如 AutoCAD做到了很好的數據交換。

 

ROBCAD 是美國 Tecnomatix 公司1986年推出的機器人 CAD 及仿真系統。短短幾年內,ROBCAD已在實際工業系統中得到了廣泛的應用,美國福特、德國大眾、意大利菲亞特等多家汽車公司、美國洛克希德宇航局都使用 ROBCAD進行機器人生產線的設計、仿真和離線編程。 美國另一個著名的機器人離線編程與仿真軟件包是 IGRIP,它是美國 Deneb Robotics公司推出的交互式機器人圖形編程與仿真軟件包, 主要用于機器人工作單元布置、 仿真及離線編程。 IGRIP可在 SGI、HP、SUN 等工作站上運行。IGRIP 軟件分為三個部分:IMS、GSL、CLI。此外,它還通過一個共享庫為用戶提供一些更高級的功能。

 

國內在機器人焊接離線編程方面,哈爾濱工業大學、北京工業大學、南京理工大學等單位開展了研究工作。其中哈爾濱工業大學在十幾年前便開展了研究工作,研究水平在國內處于領先地位,相繼開發出了 RAWCAD 等機器人弧焊離線編程系統,并在一些產品上得到了應用。

 

機器人離線編程與仿真解決方案

 

開發基于 SolidWorks 平臺的弧焊機器人離線編程與仿真系統, 實現焊接過程中的離線編程工作。

 

工作流程如下:

 

1) 建立噴管模胎與管子的 CAD 模型及機器人模型;

2) 對焊縫進行分段并編號,并針對每一段焊縫,利用離線編程系統進行自動編程,包括焊槍軌跡的規劃、焊槍姿態的規劃;

3) 對編程結果進行仿真,并根據仿真結果對規劃的位姿進行修正;

4) 對機器人坐標系進行標定,使其與離線編程系統中的坐標系一致;

5) 將離線編程得到的程序轉換成 Motoman 機器人程序,并通過通訊接口或 CF 卡導入到機器人控制器中。

6) 機器人利用離線編制的程序完成工件的焊接

 

實例 1 標定


三點標定法分別用到實際工件的三個特征點的空間坐標和虛擬工件的三個特征點的空間坐標。其中,標簽點(X)為標定用坐標系的 x 軸上的一點,標簽點(Y)為標定用坐標系的 y 軸上的一點,標簽點(o)為標定用坐標系的原點位置。

 

進行實際機器人的示教,將機器人焊槍示教到工件的三個特征點處,記錄在三個特征點處機器人關節角的大小,保存到文件中。再將此三組機器人關節角文件改寫為機器人程序文件,然后利用“編程器”的程序上載功能上載到離線編程系統中,在“編程器”中控制機器人單步運動,每運動到一點就將機器人末端的位置記錄到相應的點中。見圖一

 

圖一 工件標定坐標系

 

此處提供了馬鞍形焊縫工件的標定功能,標定過程中需要六個標簽點,上圓三個,下圓三個。各個點的記錄方法和前面的三點標定相同,注意圓上各點的記錄順序應該相同,一般為逆時針方向。見圖二

 

圖二 馬鞍形焊縫工件仿真結果

 

實例 2 創建焊接接頭特征對象

 

生成焊接接頭特征對象:1)進行名稱檢查;2)進行位姿計算;目前的位姿計算只支持角焊縫,計算原理為:對于角焊縫焊縫的截面為近似倒三角形,整體近似三楞形,在兩個焊板相交的焊縫底部楞邊上生成焊接路徑點,從邊上提取空間位置信息,邊在該點的切線方向為焊縫點的 X軸方向,焊縫的兩個側面的法向方向的夾角方向為焊縫點的 Z 軸方向,Y 軸由 X,Z 叉乘得到。見圖三。

 

圖三 焊接接頭特征

 

在沒有生成焊縫幾何體的情況下,生成焊接路徑。計算原理和從焊縫幾何體生成焊縫點的原理相同。見圖四。

 

圖四 焊接路徑仿真結果

 

實例3 噴管機器人焊接仿真

 

圖五 噴管機器人焊接系統仿真結果

 

結束語

 

由于采用離線編程,編程時不影響焊接機器人的正常生產。而且離線編程系統可以進行自動編程器, 焊槍位置點的選取及焊槍姿態的過渡會很平滑, 編程精度會提高。 編程人員通過仿真系統,能夠很直觀地檢查編程結果,并可以進行人工修正。所以采用這樣的離線編程系統,能夠提高編程效率,減輕編程員的勞動強度,提高產品的生產率及產品的焊接質量。