基于CAD 的離線仿真編程焊接機器人生產線設計分析

賀鑫鑫， 雷同飛， 王瑞龍

（西京學院 機械工程學院， 陜西 西安 710123）

0 引言

國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）對機器人的定義為“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手”[1]。 工業機器人的主要由機械本體、伺服系統、減速器和控制器等組成。 機器人進行工作的機械機構是由眾多關節部位組成，具備人體手部的相似功能。而機械臂的優勢就是擁有人類不具有的重復性、高精確性和重負荷作業的能力。控制器作用是驅動關節部位在特定工作區域重復精確完成指令動作，控制器則是機器人的核心，決定了機器人性能的優劣[2]。機器人離線編程系統主要包括以下一些主要模塊：傳感器、機器人系統CAD 建模、離線編程、圖形仿真、人機界面以及后置處理等。

焊接技術在制造業中自動化水平越來越高，焊接自動化生產線具有穩定的焊接質量，并且可以有效提高焊接效率[3]。在工業生產線布局中，焊接機械臂生產線的布局能夠改善工人們的工作環境，焊接過程中通過離線仿真編程技術驗證后，焊接參數及工藝要求一次設置完成后即可快速完成大量生產。而在生產線設計前期需要面臨的問題就有兩大類，一是焊接機器人智能化的關鍵技術如基于視覺的焊縫追蹤、基于傳感器的焊縫識別等；二是生產線設備中多機器的協調控制，對于機器人的合理布局，生產線節拍控制等。 而機械焊接工作開始的前提，就是要先對焊接機械臂生產線設計要點進行分析和研究。

1 CAD 的焊接機械臂部分設計要點分析

1.1 示教編程要點

示教編程是指操作人員通過肉眼觀察和操作，用機器人示教控制器引導機器人從一個路點（Waypoint）到達另一個路點，逐點合成整個的機器人工作軌跡（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器人到達指定點后完成指定動作，現場生成簡單編程，機器人可快速地完成固定路徑往復運動。大部分機器人配備有示教器，可由操作者進行簡單編程。 示教編程主要應用于軌跡簡單，頻繁的往復運動中，此工作中示教編程不會花費過多時間，例如搬運、碼垛和焊接等。

而離線編程是通過在仿真軟件中依照真實的機器人工作站搭建一整套對應的虛擬三維場景， 并在此場景中配置機器人、工具、工件、外部軸等生產要素，通過這一系列的操作來生成用于生產的機器人工作軌跡。

1.2 離線仿真編程

離線編程是將機器人工作的場景在三維軟件中重現，為了滿足生產和工藝等相關需求，在軟件中模擬機器人的控制指令，并以此生成機器人的運動路徑，我們可以進行路徑規劃和碰撞分析。 根據需求可以及時修改編程信息，最后將變成信息上載到機器人中即可完成。離線仿真編程設計是一種直觀且自動地編程生成技術， 它不使用真實的機器人系統， 因此大大減少了系統編程所需的停機時間，并在人工成本方面帶來了巨大的節約。機器人焊接系統的編程已經開發了兩種不同的編程模式（在線和離線）來實現自動編程。在線編程通常使用教學編程方法來實現， 離線編程是一種不需要在真實機器人系統中操作的自動編程生成技術， 可以有效減少在線編程所需的停機時間，節省了人力成本。 目前，離線仿真編程技術通常可以分為基于計算機輔助設計（CAD）和基于視覺的方法。 隨著人機交互技術和AI 技術的快速發展，機器人系統的學習輔助功能可以幫助我們逐步實現機器人的自動編程技術、路徑優化和故障診斷和處理等工作。這兩種仿真編程方法已經廣泛應用于機器人焊接系統。

與以往的機械設計方法作對比，CAD 技術具有許多優勢，機械制圖和設計計算是需要耗費大量工作時間的，CAD 技術可以顯著提高項目效率， 降低項目成本。 CAD系統采用優化設計方法， 可以對產品的參數進行標準化和結構的優化，與此同時也注重了安全性。CAD 技術的實現可以使繁瑣的計算和制圖工作簡單化， 例如通過在總結工裝夾具方案設計過程中的特點和規律， 逐步建立了基于實例和經驗的方案設計模型案例庫， 方便后續的方案設計及產品工藝優化等。

1.3 誤差消除及坐標標定

離線編程中產生的外部誤差， 通常出現在機器人本體的安裝誤差， 例如機械臂各軸的原點位置偏差和工裝夾具的設計誤差。 外部誤差在設計和安裝中屬于可控的誤差。 內部誤差是機器人本體在生產制造時產生的標準范圍內的誤差，由機器人的產品質量決定。減小安裝誤差校準方式： 利用仿真軟件在加工工件三維模型中特征點生成三點程序，在現場工件上同樣位置找到對應點。路點和坐標兩者保持一致， 通過計算機器人坐標系中三點和現場工件的三點位置信息，計算相關數據得出安裝誤差。用差值去補償上載的離線編程，縮小誤差造成的偏值。這種方法需要到現場示教編程，通過計算測量誤差后，修改機器人運行程序，該步驟繁瑣耗費時間較多。內部誤差的校準方法可以采用構建一個夾具的用戶坐標系置于仿真系統中，首先將離線仿真編程導入到現場機器人，隨后重新示教同位置的夾具坐標系， 對比誤差后進行示教編程補償， 最后將之前的相對程序轉換為關于現場用戶坐標系的脈沖程序。

為保證焊接機器人視覺系統精確運行，綜合各標定方法對系統中所涉及坐標系及其之間的關系進行標定[4]。對機械臂的絕對原點標定，確定機械臂的安裝誤差。機器人執行任務時，末端法蘭需要連接吸盤、夾爪等工具，工具相對末端法蘭坐標系的位置姿態必須得以確定， 才能依賴末端工具與環境的準確位姿關系， 以確保相關任務的順利進行。所以工具的TCP 標定是基礎而重要的。傳感器的手眼標定是為了確定視覺系統中坐標系之間的轉換關系； 而機器人基座坐標系和工具坐標系的轉換需要進行工具坐標系的標定，確立相互的轉換關系。以此達成焊接工作站的系統標定的解決辦法。對機器人本體，做絕對精度的標定， 檢測機器人執行代碼到達的實際點與理論點間的誤差，并通過算法，予以補償、校正[5-6]。

2 基于CAD 的工業焊接機器人生產線的設計要點分析

2.1 傳統設計方案流程分析

在傳統生產線設計中， 機械工程師在前期工作中完成項目規劃設計和工藝要求的制定。 以往項目設計方案流程如圖1 所示，先按設計經驗對機器人、夾具等周邊設備結合車間結構完成了現場生產線的布置工作， 這些工作要求設計者擁有豐富的經驗。到了裝配環節，數量龐大且復雜的機器人裝配線也令現場布局的工程師應接不暇。因為在項目前期，設計者并沒有根據現場的情況對工藝規劃和設備布局做驗證， 因為缺乏一個有效的仿真實體模型進行可行性和安全性驗證。 此情況下直接開始現場施工先進行生產線的布局，然后進行安全性檢測。工程師首先需要論證設計機械臂的安裝位置是否合理， 整個機械臂生產線組裝完成后，開始通電現場示教機器人，檢測過程中出現的問題及時反饋相應的設計部門， 首先保證安全，其次合理布置流水線。發現問題后反饋修改設計方案， 工程師設計新方案后現場工程師將開始驗證工藝計劃、設備規劃的正確性和計劃的可行性。這種設計方法不僅耗費大量的人力物力，還會延誤生產線，造成新產品的生產進度較慢。

圖1 傳統項目設計方案流程

2.2 精益生產的節拍優化設計要點

生產線優化設計的關鍵點在于用CAD 技術來合理布局生產線， 以及利用精益生產的理念對生產線的節拍優化。 精益生產的工作重心在于通過節拍分析找到瓶頸工位并優化的產能。 首先通過對傳統生產線設計中存在的工位的生產量統計和分析， 綜合考慮設備生產線的各種型號的智能控制設備的生產流程， 其次考慮生產線流程中質量和工藝的不同要求。 綜合生產線的各個工序和技術要求，進行逐步分析實施。

路徑優化部分主要指生產線中的機器人執行焊接任務過程中， 在線編程中用到的程序設計是主程序負責主要運動參數， 主程序調用不同的子程序來完成焊接中使用的各種功能。 加工工件越復雜，調用的子程序就越多，整個焊接過程持續的時間就長， 焊接機器人會產生多余的程序信號，增加了操作機的工作時間。我們可以將總體系統分為以下幾個子系統： 基于視覺傳感的初始焊位識別與引導子系統，基于視覺傳感的焊縫跟蹤子系統，基于視覺傳感的焊縫熔透實時控制子系統等。 刪除多余的程序信號和過渡路點，提高生產節拍。

焊接過程的參數優化有質量和安全兩個重要前提，焊接生產線的高自動化帶來的安全問題復雜多樣， 在設計優化中的參數與實際生產中的使用參數進行仿真驗證，確保產品的質量以及設備和生產線的安全。生產優化的出發點應該是提高設備的運行速度和提高焊接視覺傳感和焊縫識別速度。

時序指代的是生產線的多設備協調工作中的“交接”部分， 而機器人串聯工作可以根據工藝要求更改為多機器人并聯，通過減少關鍵路徑上的組合邏輯級數來優化時序。

2.3 優化設計方案流程分析

機械工程師進行項目的規劃和工藝設計要求， 按照項目的規劃和工藝設計要求執行CAD 布局， 先構建3D機械臂模型、其次在CAD 中對機械臂和焊槍的結合以及生產線中的布局進行仿真設計，在CAD 中對機器人進行布局，并要進行機器人碰撞區測試，以保證工業機器人焊接生產線作業過程中不會出現運動碰撞的情況。 在構建的機器人模擬系統中， 執行實際機器人控制器中可以使用的工藝驗證、設備驗證、機器人軌道程序生成、生產周期計算、模擬程序。 生成機器人離線程序，描述控制器離線程序后，設備到達現場時。現場工程師在機器人控制器上載入離線程序后，短時間內完成程序下載和調試任務，現場生產可以迅速展開， 縮短了生產線的安裝和試運行周期，加快了生產線的生產速度。而優化后項目設計方案流程如圖2 所示。

圖2 優化后項目設計方案流程

而使用CAD 的工業焊接機械臂3D 仿真， 能夠比較準確地反映加工現場的生產線生產情況。 在每個站點之間傳輸的部分由傳輸設備執行。 整個焊接生產線的傳輸系統是重要組成部分， 設計師需要根據年生產綱領計劃計算出產能和生產節拍。 通過生產節拍來平衡各個崗位的工藝內容。因此傳輸系統的設計尤為重要。為了提高焊接生產線的機械化水平，同時完成焊接生產的時間組織，在焊接結構生產與車間布局設計中， 應先計算出生產周期，依據生產周期校驗生產中的安全技術[7]。通過3D 仿真模擬生產線設計，可以對設計方案、工藝方案進行分析，對生產線的結構性、技術性、經濟性和安全性進行分析論證。 而此過程與之前的設計方法對比可以突出方便快捷等特有優勢。能夠更快地完成模型設計與驗證，而生產線運行后產生的故障問題與解決方案也可進行模擬， 提前完成優化設計和問題預案。

3 結束語

基于CAD 的離線仿真編程焊接機械臂生產線設計隨著視覺跟蹤與識別技術、傳感器反饋技術和AI 智能控制技術的發展，與此同時5G 網絡信息技術和大數據技術的半生發展， 生產線設計的發展和變革在以下幾個方面尤為突出：

（1）離線仿真編程技術隨著軟硬件的發展，編程技術將會變得更加的簡單操作、快速模擬、可視化程度高以及仿真精確。

（2）伴隨著視覺跟蹤、傳感器識別反饋，信息和大數據技術， 環境識別與構建愈發準確， 各工序產品的CAD模型庫完善。

（3）基于5G 的互聯網通信技術所實現編程的網絡高速化、辦公遠程化、操作可視化。

（4）基于增強現實技術實現真實場景的人機互動和遠程離線編程。

（5）基于智能AI 技術的離線仿真編程技術和現場多維空間信息，自主規劃焊接生產線布局與仿真。自動獲取加工路徑的幾何信息。

從項目的功能性與實用性出發， 離線編程技術仍處于高速發展中，在項目中的復雜應用，一些關鍵的方法技術仍需假以時日的改進。 由于工業生產用機器人的設計以及在項目中的使用場景越來越復雜， 國內外編程軟件中也得此機會得到了迅速發展和應用。 機器人離線編程的快速發展同時也推動著整個產業向智能化、 專業化的方向快速發展。用戶的操作會變得快捷而高效，只需簡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展。只有示教編程時，機器人的使用場景更多出現在搬運碼垛等簡單工作， 對于稍微復雜的作業需要對復雜動作進行拆分， 或者花費大量時間進行編程和調試。 而示教編程推動了機器人去適應復雜化和多元化的場景，使之成為新時代的“大國工匠”。

傳統的在線示教編程并不會走向沒落， 而是更多在特種加工的應用場合出現高頻次應用，例如空間站、核電等場景使用。 而隨著CAD 技術、視覺技術、傳感技術，互聯網、大數據、增強現實等技術深度融合，自動感知、辨識和重構工件和加工路徑等，實現路徑的自主規劃，自動糾偏和自適應環境。 本文對基于CAD 的離線仿真編程焊接機械臂生產線設計進行了一些研究， 概述了機械臂生產線設計方案流程。 對CAD 的工業焊接機械臂仿真編程設計技術要點分析， 探索將傳統機械設計與仿真編程設計進行結合， 使用仿真編程在復雜的設計過程可以大大提高工作效率。 將其應用于焊接機械臂的生產線優化設計中，則提高了設計、制造、工藝的效益，達成了設備功能性、可靠性和項目經濟性、時效性的統一。