基于Roboguide平臺的焊接機器人增材制造虛擬仿真研究與應用

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(1.廣東技術師范學院 機電學院，廣東 廣州 510635； 2.華南理工大學 機械與汽車工程學院,廣東 廣州 510640； 3.廣東信海建筑有限公司，廣東 陽江 529932)

0 前言

焊接的現場環境較為惡劣，焊接過程中產生的有害氣體、煙塵、噪聲、弧光等會對焊工的身體造成一定的傷害，而且在人工焊接過程中焊工需要長時間保持某一固定的姿態，其工作強度較大、焊接生產效率不高、焊接質量不穩定。近年來，隨著自動控制理論、計算機技術、電子技術和通訊技術的飛速發展，用機器人焊接代替人工焊接已經成為全球工業制造必然的發展趨勢[1]。國內越來越多的學者對機器人焊接技術進行探討和研究，例如謝志軍等人[2]利用Roboguide軟件平臺，應用虛擬現實技術對工業機器人在實際生產中的節拍任務進行仿真建模及離線編程，研究成果直接應用于寶駿汽車兩款車型的在線測量工位。曲兵兵等人[3]通過測繪建模、模型尺寸校準、搭建自動焊接工藝參數數據庫等措施，實現了FANUC弧焊機器人的離線編程，驗證了配置單軸變位機的FANUC弧焊機器人系統通過尺寸校準可100%消除模型尺寸誤差。耿海濱等人[4]從控形和控性角度分析了國內外絲材電弧增材制造技術研究方向與技術優勢，指出絲材電弧增材制造技術的相關研究工作仍處于試驗研究階段，應更系統地從成形物理過程、熔池系統穩定性、組織演變規律和性能優化等角度進行研究。危文灝等人[5]提出了多層多道的焊道排布策略，開發了多層多道機器人焊接離線編程系統，仿真結果表明，各條焊道位置準確，在實際焊接試驗中，機器人焊接連續性好、效率高，焊縫填充均勻、致密且美觀。劉杰等人[6]對球管相貫焊縫進行焊接機器人多道多層焊接，針對示教時間過長的問題，開展了等距線法機器人焊接軌跡規劃的研究，提出了一種基于B樣條空間等距線的軌跡優化方法，利用等距線生成機器人運動軌跡，從而有效地減少示教時間。

焊接機器人可在惡劣的工作環境下穩定、高效地進行焊接作業，提高焊接質量，降低生產成本。隨著焊接機器人智能化、柔性化、自動化程度的提高，減少機器人焊接軌跡規劃與編程難度，進一步提高機器人焊接效率與質量成為當前重要問題。離線編程軌跡仿真不僅可以降低焊接工人的勞動強度，還能簡化編程，合理規劃運動軌跡，保證整個焊接過程中無碰撞，驗證程序的正確性，提高焊接精度與質量。

基于Roboguide平臺進行焊接機器人增材制造研究，探索機器人虛擬仿真在增材制造軌跡規劃與路徑仿真中的應用。通過試驗來展示虛擬現實條件下離線編程軌跡仿真的過程，為現場調試人員提供了試驗平臺，并為方案設計提供了可行性的依據。

1 Roboguide仿真環境建立

1.1 FANUC Roboguide概述

Roboguide 軟件是日本FANUC 公司研究開發的機器人離線仿真及通訊的專用軟件，此軟件包括建模模塊、布局模塊、編程模塊和仿真模塊。可通過SolidWorks,Pro/E,3dMax等導入機器人模型和周邊設備，形成接近實際現場的操作環境，再利用軟件中的虛擬 TP 示教器進行示教編程，執行程序控制機器人的運動，可以實現機器人運動的仿真[7]。

1.2 FANUC Roboguide工作環境的建立

要實現仿真，首先要建立工作環境，運行Roboguide軟件，新建“workcell”，選擇“Weld PRO”即焊接應用，輸入文件名，然后選擇機器人型號與現場的機器人型號一致的FANUC M-10iA/12。

離線仿真是在不接觸實際機器人及其工作環境的情況下，利用圖形仿真技術模擬機器人的作業過程，提供一個與機器人進行交互作用的虛擬環境。這就需要把整個機器人系統(包括機器人本體、變位機、工件等)的模型按照實際的裝配和安裝情況在仿真環境下進行布局。

工作環境的導入具體有兩種方法,第一種方法是從Roboguide軟件中導入。添加焊槍的方法是在“Tooling”中右擊“UT:1(Eoat1)”,點擊“Eoat1 Properties”, “CAD File”中選擇對應的“weld torches”，即可導入對應的焊槍，然后通過改變x，y，z方向上的距離以及W，P，R方向上的角度調整焊槍的位置和姿態，還可以通過改變“Scale”調整焊槍分別在x，y，z方向上的比例。添加送絲機構和桌子等固定裝置的方法是右擊“Fixtures”，點擊“Add Fixture”,然后點擊“CAD Library”，在“Others”的“Arc”中找到對應的送絲機構，在“Fixture”中的“table”找到對應的桌子。運用同樣的添加方法，在“Parts”中找到對應的焊機，在“Obstacles”中找到對應的工件以及控制柜;第二種方法是通過SolidWorks，Pro/E，3dMax等三維軟件建模后導入到Roboguide中。無論用哪種方法，都要注意各個裝置間的相對坐標值。

試驗中機器人增材制造仿真工作環境的導入采用第一種方法，仿真工作環境如圖1所示。該工作環境具體包括焊接機器人、焊機、機器人控制柜以及焊接工作臺。

圖1 仿真工作環境

2 FANUC Roboguide增材制造仿真

為完成加工任務，可以首先利用FANUC Roboguide離線編程，實現對增材制造過程的虛擬仿真。在圖1仿真工作環境中，設置焊接機器人以60 cm/min的速度順時針焊接，軌跡為半徑30 mm的圓，共增材制造11層，每層層高1.5 mm，每層軌跡相同，只需在z軸方向增加層高，編程的關鍵在于圓的編程，方法是取4個點設置為4個PR位置寄存器，如圖2 所示。設圓心坐標為(0,0,0)，根據右手直角坐標系，第一個PR位置寄存器坐標為PR[1](30,0,0)，第二個PR位置寄存器坐標為PR[2](0,30,0)，第三個PR位置寄存器坐標為PR[3](-30,0,0)，第四個PR位置寄存器坐標為PR[4](0,-30,0)。在實際應用中，即便圓心的坐標不是(0,0,0)，都可以運用此方法以此類推，計算出圓上四個點的坐標，從而調用運動指令。

在增材制造試驗中，Roboguide仿真軟件中4個PR位置寄存器各自的位姿坐標如圖3所示。圖3a為PR[1]位姿坐標點，圖3b為PR[2]位姿坐標點，圖3c為PR[3]位姿坐標點，圖3d為PR[4]位姿坐標點。

點擊示教器圖標，利用虛擬 TP 編寫程序，離線編程編寫無誤后，自動運行仿真生成運動軌跡，離線仿真運動軌跡如圖4所示。

圖2 PR位置寄存器

圖3 PR位置寄存器的位姿坐標

圖4 離線仿真運動軌跡

仿真的運動過程可以監控機器人運動的每一個細節，包括從啟動到中間每一個焊點的路徑，最后到機器人停止，以此來檢查程序是否合理，軌跡是否錯誤，也可以看到機器人運動過程中是否有與周邊設備相撞的危險，從而對程序進行修改使其合理化。在試驗的仿真過程中，機器人按照正確的軌跡運行，并且與周邊設備沒有出現相撞現象，順利完成離線編程及仿真，從而導出程序進行現場加工。

3 機器人增材制造試驗驗證

將Roboguide軟件中所寫程序導出到U盤，再用U盤導入到實際現場的示教器上，運行離線編程的程序。試驗中的焊接機器人型號為FANUCM-10iA/12，圖5為現場焊接加工環境，試驗平臺由焊接機器人、焊機、總控制柜、機器人控制柜以及焊接工作臺構成。

圖5 現場焊接加工環境

增材制造試驗采用脈沖電弧焊，電弧電壓為21.3 V，焊接電流為100 A，母材為316L不銹鋼，焊絲為2205鋼絲，送絲速度為3.5 m/min,保護氣體流量為25 L/min，焊接機器人以60 cm/min的速度順時針焊接，軌跡為半徑30 mm的圓，共增材制造11層，每層層高1.5 mm。在增材制造過程中，焊接速度不變，焊炬末端與焊接區距離保持恒定，焊炬軸線始終垂直于熔池表面。機器人增材制造后的焊縫結果如圖6所示。在焊縫的不同位置上各取5個點進行測量，利用游標卡尺測量出各個參數的平均值，圖6a中焊縫內徑的平均值為54.97 mm，圖6b中焊縫外徑為64.68 mm。

試驗值與模擬值的對比如圖7所示，a線為模擬值60 mm，b線為5次試驗值測出的點，均接近模擬值。

圖6 焊縫外觀形貌

圖7 試驗值與模擬值的對比

4 結論

(1)應用Roboguide軟件平臺，對FANUC機器人增材制造進行三維建模以及工作環境的建立，在模擬TP上進行離線編程軌跡仿真，模擬運動軌跡，合理規劃運動軌跡，保證整個焊接過程中無碰撞。

(2)將離線編程后的程序傳入焊接機器人工作站，機器人按照離線仿真的程序完成焊接任務，取得良好效果。

(3)采用虛擬仿真技術進行機器人增材制造，可有效指導和模擬真實增材制造過程，不僅提高了編程人員的安全性，并且很大程度上降低了工人的勞動強度，改善了工作環境，還能提高焊接效率，提高精度，增加了生產效益，對指導實際生產具有重要意義。