LabVIEW在機器人弧焊作業仿真中的應用

胡云巖，王會霞，葛宇晨，王　軍

（河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊050000）

LabVIEW在機器人弧焊作業仿真中的應用

胡云巖，王會霞，葛宇晨，王軍

（河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊050000）

提出一種基于LabVIEW環境開發的虛擬控制臺，用于控制弧焊機器人的作業仿真過程。根據系統的功能需求，設計了仿真系統的控制流程。建立了控制臺功能模塊，包括幾何模型、運動模型及驅動數據、作業信息統計與采集，分析了功能模塊間的相互關聯、調用的方式。仿真模擬的結果表明，按上述設計的虛擬控制臺能很好地實現對弧焊作業仿真過程的控制。

弧焊；仿真控制；LabVIEW；機器人

0　前言

目前一些基于SolidWorks的機器人運動仿真系統在使用中集成度很差。這些系統中一部分是通過SolidWorks提供的二次開發接口開發插件，插件成為SolidWorks集成的一種功能。另一部分是開發集成機器人軌跡規劃、數值計算以及運動仿真動作控制的應用程序，應用程序通過調用機器人的三維模型文件來實現機器人運動過程的仿真[1-3]。

根據NI LabVIEW軟件提供的技術資料，其提供了驅動SolidWorks Motion插件中虛擬電機的接口[4]，因此由其生成的程序可實現對SolidWorks Motion插件的控制[5-6]。同時也可以調用Matlab Robotics工具箱函數[7]，實現軌跡的規劃和插補運算。同時由于LabVIEW在信息采集及呈現方面有其獨特的優勢[8]，容易實現弧焊作業信息的采集、處理、統計，為此開發一款虛擬控制臺程序，用于仿真系統的虛擬機器人運動控制、弧焊作業參數設定、信息采集等功能。

1　需求分析

1.1作業仿真平臺意義

機器人仿真技術是計算機技術、機器人學和計算機圖形學相結合的產物。借助于機器人的實體圖形對機器人的運動進行定位、仿真運行，模擬運動程序的運行過程。由于機器人是一種柔性生產的通用工具，若結合弧焊領域的作業特點開發相應的控制軟件，就能成為更具有實用價值、集成度更高的制造平臺。使工程師、操作員更好地操作工業機器人，進一步挖掘工業機器人在弧焊領域的應用潛力，提高其生產效率。

1.2仿真平臺功能

包括弧焊、點焊、及配套裝卡在內的焊接領域是工業機器人應用中最廣泛的一個行業。考慮弧焊過程中電弧狀態的快速、大范圍變化特點，會對焊縫成形造成直接的影響，因而電弧及工藝的狀態信息的反饋信息會對焊接工藝的制定提供宏觀的指導。如電流、電壓、軌跡圖像、焊槍姿態、送絲、送氣量等信息若能在仿真時模擬得出，或在實際運行中監控采集，那么這種作業仿真平臺的實用性會大大增加。

隨著作業任務需求越來越復雜，應用范圍越來越廣泛，便出現了離線編程技術。離線編程是一種脫離生產進程的編程，一般采用CAD技術建立起機器人及其工作環境的幾何模型，再利用規劃算法，通過對圖形的控制和操作，在上位機離線的狀況下進行作業路徑規劃。并通過對編程的動畫仿真，檢驗生產作業流程的合理性。

上述兩種功能若能有機地結合，那么催生出的就是具備弧焊作業參數設定、狀態信息顯示、圖形化的機器人運動模擬的集成系統。而這套系統需要一個能起到中央控制臺作用的軟件程序，這里稱之為控制臺。

2　結構規劃

2.1系統結構

作業仿真系統的控制臺相當于整套系統的人機交互接口，用于數據、命令的輸入、功能實現的調用及信息的反饋。基于這些目的而編制的控制系統程序流程如圖1所示，可承擔仿真及監控的交互控制功能。圖中的虛線流程是可以作為預留功能的部分，配合數據采集、作業文件編譯等模塊可以實現離線編程和控制實體機器人的任務。基于以上構想，形成如圖2所示的功能模塊。即幾何、運動學模型，位姿路徑換算，作業控制及信息采集三部分。

圖1　作業仿真的控制流程

2.2模型構建

機器人的三維幾何模型是利用CAD技術設計并參與生產的實體模型或虛擬樣機，而這里的CAD建模要為機器人各個部分零件、設備建模，區分發生相對運動的部分。高級任務規劃甚至要為作業環境及其配套設施（如變位機及工作臺、焊件）建模。圖3是實驗室FANUC產M-10iA的CAD模型，利用Motion插件在關節處添加虛擬電機，實現通過LabVIEW SoftMtion插件中的控件實現對SolidWorks中虛擬電機的驅動（見圖4）[9]。

參數化的桿件模型是機器人運動學計算的基礎，也是機器人機械結構體D-H模型的數學描述（見圖5）。機器人運動學正解模型是在結構參數確定后，結合各運動關節的運動量，確定機器人末端執行器TCP點相對于基底坐標系所處的位置和姿態而建立的。反解模型是由末端執行器TCP規劃或標定的位姿，求解串聯各關節相對初始狀態的運動量。模型的求解運算控制可通過LabVIEW MatlabScript節點調用MATLAB函數實現[10]，計算函數可參考Robotic Toolbox。若需要移植程序到沒有安裝MATLAB的計算機上，則需要通過C++包裝函數或COM技術實現LabVIEW對計算函數的調用（見圖6）。

圖2　系統功能模塊

圖3　CAD模型添加虛擬電機

圖4　SoftMotion控件與軸關聯

圖5　運動學模型可視化

圖6　MatlabScript節點調用MATLAB函數

2.3驅動數據

要在虛擬環境下模擬機器人的作業過程，如同在實際操作弧焊機器人作業時，需要提供給控制系統命令，使其能按規劃的軌跡驅動機器人運行。仿真系統同樣需要有驅動關節做相對運動的數據。對作業過程編程的文件中，描述的是標定的軌跡點坐標、運動形式、速度以及終止形式。利用運動學模型導出的計算方程參與計算，將規劃的運動形式換算成對應時間內驅動各關節的位置-時間函數。由于沒有加入運動控制中力和力矩的因素，這里無需考慮動力學影響。而計算出的理論結果必然與實際結果有偏差，可以在計算方程中加入誤差修正。

弧焊作業的狀態信息如運行時間、軌跡圖像、起弧時間、焊接姿態角、焊接速度、送絲速度、送氣量、電壓、電流、弧長等，可以在LabVIEW設計的控制臺面板中設定工藝參數以仿真，或與焊接設備通信采集數據以監控。

3　系統調試

3.1控制臺設計

控制臺面板是人機交互的實現載體，其設計首先要滿足功能的需求，同時要盡可能地方便使用及日后的升級擴展[11-12]。由于LabVIEW程序編譯環境對虛擬儀器儀表面板設計有操作直觀形象、數據鏈接清晰的特點，能設計出既滿足要求又方便使用的程序界面[13]。圖7為作業仿真系統設計的控制臺界面，提供高級選項卡以實現更多參數的配置，提供更多的參數設置和查看，可以實現按設計流程控制仿真系統的運行。

圖7　控制臺面板設計

3.2仿真測試

測試面板控制作業仿真的過程如圖8所示。面板提供了機械臂裝配體文件的關聯、作業文件調用功能，能切換仿真/監控模式，能控制系統的運行與暫停。簡單模式下，弧焊狀態能提供起弧狀態、送絲、送氣狀態指示燈，提供工藝、保護氣、焊絲成分焊絲直徑、電壓、電流、送絲速度等顯示和設定。機械臂狀態能提供定位、關節空間運動、笛卡爾空間軌跡運動指示燈，提供當前位置的坐標姿態、6個關節轉角變量的顯示和設定。面板提供了作業仿真系統匯總的作業統計信息，按照日志數據的形式記錄，同時可以導出為文本文件。

圖8　作業仿真控制過程測試

4　結論

（1）設計了機器人弧焊作業仿真系統控制流程。

（2）建立了基于LabVIEW的虛擬控制臺，包括能提供焊接作業信息設定、反饋、虛擬機械臂運動控制、反饋等功能。

（3）仿真結果表明，使用LabVIEW環境設計控制臺面板程序，實現了對弧焊作業過程的控制、信息、動畫的反饋。

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[2]古耀達，何漢武，胡兆勇，等.基于Web的機器人虛擬示教仿真研究[J].微計算機信息（嵌入式與SOC），2007，23（11-2）：253-255

[3]黃志鋒，李笑，秦輝明.基于OpenGL和SolidWorks的搖操作工程機器人建模與仿真[J].機械設計與制造，2012（12）：157

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[13]胡仁喜.LabVIEW2012中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2013.

Application of LabVIEW in the simulation of robotic arc welding operations

HU Yunyan，WANG Huixia，GE Yuchen，WANG Jun
（School of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050000，China）

A virtual console is developed using LabVIEW to control arc welding robotic operations simulation.The flow of simulation system control is proposed according to the functional requirements of the system.Set up a console function modules,including geometric model，motion model，driving data and job information collection or statistics.Analyze the correlation and calling between the functional modules.The simulation test results show that,according to the design of the virtual console can well realize the control of simulation of arc welding process.

arc welding；simulation control；LabVIEW；robotic

TP249

A

1001－2303（2016）02－0030-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.06

2015－02－20；

2015－06－18

胡云巖（1957—），河北河間人，男，副教授，主要從事焊接設備控制方面的研究工作。