基于RobotStudio的工業機器人焊接工作站仿真設計

摘 ?要：文章以真實生產線上的工業機器人焊接工作站為研究對象，利用三維軟件UG和ABB機器人公司RobotStudio軟件的圖形化編程方法，設計工業機器人焊接工作站并進行路徑仿真，將工件的三維模型曲線自動轉化成為工業機器人的焊接軌跡，設計工業機器人運動路徑與仿真。該仿真可為真實的工業機器人焊接工作站設計和路徑設計提供理論依據，能夠有效提高設計效率。

關鍵詞：RobotStudio;工業機器人;焊接工作站

中圖分類號：TP242.2 ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）23-0118-04

Simulation Design of Industrial Robot Welding Workstation Based on RobotStudio

ZHENG Minghui1，2

（1.College of Mechanical Engineering，Shandong Huayu University of Technology，Dezhou ?253034，China;

2.Dezhou Municipal Key Laboratory of Industrial Robot Control，Dezhou ?253034，China）

Abstract：This pager takes the industrial robot welding workstation on the real production line as the research object，using the graphic programming method of the three-dimensional software UG and the RobotStudio software from ABB Robots company，the industrial robot welding workstation is designed and the path simulation is carried out. The three-dimensional model curve of workpiece is automatically transformed into the welding trajectory of industrial robot，and the motion path and simulation of industrial robot are designed. The simulation can provide a theoretical basis for the design of the real industrial robot welding workstation and itspath design，and can effectively improve the design efficiency.

Keywords：RobotStudio;industrial robot;welding workstation

0 ?引 ?言

工業自動化在企業生產中要求高效率，以此降低生產成本。花費較多時間在生產線上進行工業機器人編程的檢測或試運行不太實際，因為要停機進行示教編程。離線編程是指不占用機器人，使用軟件工具在計算機上建模并進行編程。離線編程則是意味著在生產線之外進行機器人的編程操作。離線編程避免了示教在線編程導致的生產“停機”浪費的時間，通過機器人離線編程方式可以更好地調試與規劃機器人工作空間，避免出現設計錯誤。在進行機器人編程時，離線編程可以同時創建機器人應用系統，在生產制造產品的同時可以對機器人應用系統進行編程操作，從而可提前進行產品的生產[1-3]。

本文設計的工業機器人焊接工作站采用圖形化編程方法，根據三維模型的曲線特征自動生成機器人的運行軌跡。此種方法可以節省時間、節省勞動力且容易保證軌跡精度。根據三維模型的曲線特征，利用RobotStudio軟件的“自動路徑”功能可以自動生成機器人焊接的運行軌跡路徑[4，5]。

1 ?構建工業機器人焊接工作站

RobotStudio是機器人四大家族之一ABB機器人公司的一款工業機器人仿真軟件，可以用于機器人單元的建模、離線創建和仿真。RobotStudio允許操作者使用離線（虛擬）控制器和真實控制器，當沒有連接到真實控制器或在連接到虛擬控制器的情況下使用時，RobotStudio處于離線模式。

本文設計的工業機器人焊接（弧焊）工作站如圖1所示，主要由工業機器人（ABB品牌）、控制器、焊機、焊槍、清槍裝置、保護氣體設備、工作臺、夾具、圍欄、排煙系統等組成。

2 ?模型導入及布局

新建一個RobotStudio空工作站，導入利用三維造型軟件UG創建的工作臺、焊機、排煙系統、清槍裝置等。選擇加載機器人模型，機器人模型選擇IRB 1410型號并選擇“從布局”創建機器人系統;加載焊槍工具模型，并安裝到機器人末端法蘭上。導入焊接工作臺和焊接工件，模型對象布局參數如表1所示。利用“三點法”創建工件坐標系Wobj1，導入全部外部幾何模型后，調整工業機器人工作站的位置，最終的工業機器人焊接工作站整體布局如圖2所示。

3 ?焊接任務與焊接流程

本案例焊接的目標是完成如圖3所示焊接工件上表面邊緣曲線的焊接軌跡離線編程。本案例設計的工業機器人焊接工作站流程是：開始運行—工業機器人回到機械原點（安全點）—調用工業機器人焊接程序—工業機器人回到機械原點（安全點）—調用工業機器人清槍程序—工業機器人回到機械原點（安全點）—運行結束。

4 ?創建機器人焊接自動路徑

4.1 ?離線路徑程序

路徑的定義為向機器人目標點移動的指令順序，機器人按照路徑軌跡運行。若是工件已有的三維曲線與要創建的路徑一致，可以使用RobotStudio的“自動路徑”功能創建路徑。使用“自動路徑”命令，沿現有的曲線添加目標點和指令完成路徑創建，路徑自動生成在機器人任務中。本案例工業機器人焊接應用仿真程序，在工作時，機器人需沿著圖3所示的曲面邊緣進行焊接，其運動軌跡是三維曲線，采用圖形化編程根據圖中已有工件的三維模型直接生成工業機器人焊接運動軌跡。自動路徑功能可以根據已有曲線或者工件表面的邊緣創建路徑。首先讓機器人回到機械原點，設置好運動指令參數，在基本功能選項卡中選擇“路徑”—“自動路徑”創建離線軌跡曲線Path_10，依次選擇圖3所示的焊接工件上表面邊緣曲線的焊接軌跡離線編程，并進行設置離線軌跡參數（最小距離為1，公差為1），從而自動生成工業機器人焊接離線路徑。如圖4所示工件邊緣的紅色曲線就是所創建的焊接離線路徑曲線Path_10。

4.2 ?目標點調整

目標點是指機器人要達到的坐標，包含位置、姿態、配置等信息。“自動路徑”功能已根據工件邊緣自動生成了一條機器人運行軌跡Path_10，但是機器人暫時還不能直接按照此條軌跡運行，因為機器人到達不了程序中部分目標點姿態，還需要進行目標點的調整，修改目標點的姿態。在調整目標點的過程中，為了方便查看機器人工具在此姿態下的效果，可以設置在目標點處顯示機器人工具。本案例中機器人難以到達目標點Target_10，可以改變該目標點的姿態，調整目標點繞Z軸旋轉90°即可。接著修改其余目標點，通過修改Target_10調整結果可得知，只需要調整整個目標點的X軸方向即可。選中剩余的所有目標點，右擊選擇“修改目標”，選擇“對準目標點方向”，參考選擇Target_10，對準軸選擇X，鎖定軸選擇Z，這樣就可以將剩余目標點X軸方向對準已調整好姿態的Target_10的X軸方向，就完成了所有目標點的方向調整。選中所有目標點，即可查看到所有目標點調整已完成。

4.3 ?軸配置參數與優化仿真

軸配置是目標點定義并存儲為工件坐標系內的坐標。機器人控制器能夠計算出當機器人到達目標點時軸的位置信息，一般會有多個解決方案進行機器人軸的配置。機器人到達目標點，可能存在多個關節軸的組合情況，即多種軸配置參數。在路徑屬性中，可以為目標點自動調整軸配置參數。機器人為各個目標點自動匹配軸配置參數，讓機器人按照運動指令運行。上述步驟完成了自動路徑的創建，但是在實際應用中，還需要對機器人路徑軌跡進行完善和優化，保證機器人在企業生產過程中的安全生產。本案例主要的完善優化配置包括：起始接近點pApproach，相對于起始點Target_10來說沿著本身Z軸負方向偏移100 mm，軌跡結束離開點pDepart，相對于離開點Target_270（本例自動生成的最后一個目標點）來說沿著本身Z軸負方向偏移100 mm，加入安全位置PHome點可以為機器人機械原點，最后調整焊接程序的運動類型、速度等參數。圖5所示為機器人焊接軌跡整個仿真路徑。

5 ?創建機器人清槍程序

機器人清槍程序的創建。本案例中清槍流程為：機器人移動到機器人機械原點起始點—機器人移動到預清槍位置—機器人移動到清槍位置—機器人發送清槍信號—等待清槍結束信號—機器人返回機器人機械原點。本仿真只是模擬仿真路線，選擇MoveJ、MoveL指令，選擇機器人機械原點、清槍上方點、清槍點，后續如果在真實的工業機器人的焊接工作站還需進行清槍程序添加模擬信號，目標點的調整等。整個機器人焊接仿真路線如圖6所示。

6 ?導出仿真動畫及程序

為了方便展示創建的工業機器人焊接工作站，可以利用RobotStudio提供的仿真錄像、錄制視圖功能。錄制前提前設置好屏幕錄像的相關參數與保存路徑，檢查程序Path_10的到達能力，選中程序，右鍵選擇“到達能力”。若無問題，在“RAPID”功能選項卡中選擇“同步”中選擇“同步到RAPID”，在“仿真設定”中“T_ROB1”的運行程序選擇Path_10，點擊“播放”開始運行Path_10，選擇“錄制視圖”或者“仿真錄像”錄制Path_10程序。創建的程序在RobotStudio軟件的在線模式情況下，可以導入到實際的工業機器人焊接工作站，進行整個焊接流程的試運行;后續還需要進行目標點示教、焊接相關參數的設置等工作，才能進行工作站的生產運行工作。

7 ?結 ?論

文章以真實生產線上的工業機器人焊接工作站為研究對象，利用UG和RobotStudio的圖形化編程功能，進行機器人焊接工作站的設計與路徑仿真。該焊接工作站的設計省時、省力且容易保證軌跡精度，降低生產線設計和調試成本。

參考文獻：

[1] 卿笛.基于RobotStudio的激光切割工作站的建立與仿真 [J].內燃機與配件，2020（10）：46-47.

[2] 孫增光，王士軍，孟令軍，等.基于RobotStudio焊接機器人工作站仿真設計 [J].機床與液壓，2020，48（5）：29-33.

[3] 肖全，鞠全勇.基于RobotStudio的機器人搬運工作站設計與路徑仿真 [J].機電技術，2020（4）：33-36+58.

[4] 葉暉.工業機器人工程應用虛擬仿真教程 [M].北京：機械工業出版社，2019.

[5] 葉暉.工業機器人典型應用案例精析 [M].北京：機械工業出版社，2012.

作者簡介：鄭明輝（1987—），男，漢族，山東曹縣人，講師，碩士研究生，研究方向：機器人技術，制造業信息化。