ABB機器人激光熔敷系統離線編程與應用

楊 偉，劉建永

YANG Wei, LIU Jian-yong

（湖北汽車工業學院 材料科學與工程學院，十堰 442002）

0 引言

隨著我國制造業水平的不斷進步，對工業機器人技術與自動化裝備的需求迅速增長，機器人的應用范圍日趨廣泛。機器人是可編程的機械裝置，其功能的靈活性和智能化很大程度上決定于機器人的編程能力[1]。機器人編程方式可分為示教再現編程和離線編程兩種形式。目前，在國內外生產中應用最為廣泛的機器人系統大多仍為示教再現型。但是，示教編程在實際生產應用中存在有如下一些問題：1）機器人的在線示教編程過程繁瑣、效率低下，在編程時必須停止生產，影響生產效率；2）示教的質量完全靠編程者的經驗目測決定，對操作人員要求較高，而且對于復雜和空間路徑難以取得理想的效果[2]；而離線編程系統可以大大提高機器人編程效率，是實現系統集成的必要的軟件支撐系統。與示教編程相比，離線編程系統具有如下優點：1）減少機器人停機的時間，當對下一個任務進行編程時，機器人可仍在生產線上工作；2）使編程者遠離危險的工作環境，改善了編程環境；3）離線編程系統使用靈活，可以對機器人各種工作對象進行編程，并能方便地實現優化機器人運行姿態；4）便于和CAD/CAM系統結合，發揮各自系統優勢[2]，因此，離線編程引起了人們的廣泛重視，研究和應用機器人離線編程技術是提高機器人作業自動化水平的必然趨勢。

1 系統平臺搭建

有完整的系統模型是離線編程的基礎，而完整的機器人激光熔敷系統一般由以下六部分組成：工業機器人、變位機、機器人控制系統、激光加工系統、送粉系統和中央控制系統等。

筆者所使用機器人是瑞士ABB IRB4600，變位機是IRBPA，激光器使用的是LASERLINE半導體光纖耦合激光器，最大輸出功率可達3kW，主要編程軟件是DCAM。

圖1 激光熔敷系統組成框架圖

DCAM具備CAD功能，也支持UG等多種三維軟件建模后導入模型，可用于構建工作平臺和工件模型，與機器人模塊一起構成機器人作業系統，模擬出一個逼真的工作場景。將各部件添加進軟件，進行裝配并定義各部位運動學參數。定義激光器熔敷頭出光焦點處為TCP(Tool Center Point)。TCP位置和矢量方向要與實際機器人末端工具在編程時所使用的位置和矢量方向一致。

圖2 機器人激光熔敷系統作業現場

圖3 CAD建模構建的機器人工作場景

2 運動路徑規劃

首先使用CAD功能進行建模，導入到編程系統中，在模型上設計提取所需運動路徑，在該路徑上根據線條特征，分離出TCP運動時所需要的各節點，調整各節點的矢量方向，優化控制機器人姿態，然后利用MovL、MovJ或MovC等插補指令，控制TCP從一節點向下一節點移動。在移動過程中，通過送粉器向熔覆頭同軸送粉，粉料在勻粉環的作用下在匯聚于激光焦點處，在激光掃描時熔化，隨后激光熔池冷卻堆積形成所需表面。

圖4 運動路徑規劃作業流程

3 運動編程

圖形化編程是目前大多數機器人離線編程系統采用的方法，然而這種編程方式對于復雜路徑來說工作量仍是相當大的[3]。而DAM軟件可根據分離出的各節點矢量，自動生成所需的路徑插補指令，并可以方便地對各節點矢量進行調整。為了體現離線編程的優勢，筆者用激光熔敷打印了空心“汽車”兩個字，熔敷高度4mm，每層在熔敷時的層高為0.5mm。如圖所示紅色、綠色、藍色分別對應的空間曲線的弗萊納－雪列切向單位矢量、次法向單位矢量和法向單位矢量。

圖5 運動路徑編程

4 后置處理與仿真模擬

后置處理在機器人離線編程應用中至關重要，它決定了經編程后的程序是否能應用于生產實際，是整個系統中聯系編程和加工的最具實用價值的環節。其中機器人逆運動學求解是其核心內容，它是根據機器人末端執行器所到達的節點的位姿，求出機器人各個關節的角度，實現對機器人姿態的控制。在后置處理的同時，還需要對所需的IO控制信號指令進行編程，以便在自動工作時響應外部設備。經過后置處理生成所需的機器人程序指令代碼。

在仿真時，為了保持仿真與實際運動的一致性，筆者除了使用DCAM進行仿真以外，還將程序模塊導入RobotStudio中進行運動仿真，分析其運動的可達性、平穩性以及是否發生干涉等，以驗證作業程序的正確性。其完整的程序模塊結構如下：

5 試驗驗證

經仿真無誤的情況下，將程序模塊CLXYLASER.MOD同步到機器人控制器中，實地加工驗證。經試驗發現，機器人運行路徑和仿真模擬完全一致，整個作業過程運行平穩流暢，所打印出的空心“汽車”二字字跡輪廓清晰，高度均勻一致，效果完全滿足了實際應用需要，效果良好。

6 結束語

1）采用離線編程，能極大提高編程效率和精度，而且可以通過可視化仿真來對運動進行修正，提高機器人工作時的安全性。

圖6 試驗驗證結果

2）該離線編程系統實現了機器人和變位機之間的聯動，對于復雜路徑運動編程有較大應用優勢。

3）經仿真后的程序指令傳輸到控制器中后，無需再做任何修改即可直接運行，證實該系統的有著良好的可靠性，是實現生產自動化的關鍵，有著廣闊的應用前景。

[1]王克鴻,劉永,許越蘭.弧焊機器人離線編程系統[J].焊接學報,2001,22(4):84-87.

[2]Yocam Regev.The evolution of off-line programming[M].Industrial Robot,1995,22(3):3.

[3]姜蓓.機器人等離子切割離線編程技術[D].上海:上海交通大學,2008.