基于TECNOMATIX的機器人點焊離線編程技術應用

成正勇 李愛冉 黎亮 范銳強

摘 ?要：針對傳統示教編程過程繁瑣、效率低、復雜軌跡難以精確示教等不足，對TECNOMATIX離線編程技術流程和方法進行了研究。以機器人點焊工位為例，應用TECNOMATIX軟件對機器人點焊工位進行虛擬環境搭建并完成了機器人路徑編輯與仿真，然后通過參數設置，應用下載功能輸出離線程序并探究了離線程序的精度校準。實踐證明，基于TECNOMATIX的離線編程較好的解決了傳統示教編程的不足，能夠滿足現場應用需求。

關鍵詞：TECNOMATIX;離線編程 ;點焊;機器人

中圖分類號：U466 U468.2 ? ?文獻標識碼：B ? ?文章編號：1005-2550（2020）05-0073-07

Abstract： In view of the disadvantages of traditional teaching programming， such as tedious process， low efficiency， and difficult to accurately teach complex trajectory， the technical process and method of tecnomatix off-line programming are studied. Taking the robot spot welding station as an example， the virtual environment of robot spot welding station is built by tecnomatix software with the robot path edited and simulated. Then， through parameter setting， the offline program is output by download function and the accuracy calibration of the offline program is explored. It is proved that the off-line programming based on tecnomatix can better solve the shortcomings of traditional teaching programming and meet the needs of field application.

Key Words： TECNOMATIX; Off-line Programming; Spot Welding; Robot

離線編程是機器人仿真的關鍵技術之一。隨著市場競爭日益加劇，對生產周期、產品質量、制造成本提出了更高要求，工業機器人在生產制造中開始大規模應用，但國內工業機器人編程卻還是主要依靠示教編程。示教編程過程繁瑣、效率低、復雜軌跡難以精確示教等不足已逐漸不能滿足生產制造要求[1]，而離線編程技術不僅在效率上大大提升而且編程精度更高、程序修改與優化調整更方便等諸多優勢已逐步被重點關注并應用到實際生產中。未來隨著人工智能、虛擬現實等智能制造技術的發展，離線編程技術與智能制造技術的結合應用將更有利于機器人編程技術的發展[2]-[3]。

本文在分析TECNOMATIX軟件離線編程技術流程基礎之上，應用其完成機器人點焊工位虛擬模型搭建和機器人路徑編輯與仿真，最后輸出離線程序并探究了離線程序的精度校準。

1 ? ?TECNOMATIX離線編程技術概述

TECNOMATIX離線編程是在軟件的虛擬環境中完成建模和機器人路徑規劃與仿真分析，并應用其離線程序模塊進行參數配置與虛擬示教，完成后輸出機器人程序傳輸給現場機器人應用。

1.1 ? TECNOMATIX軟件

TECNOMATIX是一套大型數字化制造軟件，如圖1所示，包含ProcessDesigner（PD）、ProcessSimulate（PS）、RobotExpert、PlantSimulation、FactoryCAD、FactoryFlow和Intosite7個軟件模塊[4]，其中PD、PS廣泛用于生產工藝設計和仿真驗證，主要包括生產線規劃設計和三維布局、機器人仿真、人機仿真、離線編程等功能。本文基于PD、PS兩個軟件組合完成機器人自動化點焊工位三維規劃布局與仿真，輸出機器人離線程序。

1.2 ? TECNOMATIX離線編程技術流程

TECNOMATIX機器人離線編程的主要技術流程如圖2所示，包括虛擬環境搭建、路徑編輯與仿真、機器人參數設置、程序下載、程序校準和現場應用六個部分。

文中將結合圖2技術流程的六個方面介紹TECNOMATIX機器人離線編程的技術應用過程。首先是在PD環境中利用產品模型、機器人模型、工裝設備模型和其他資源模型建立焊接工位三維布局規劃，然后在PS環境中進行路徑規劃與仿真、參數設置和程序輸出，最后結合現場對離線程序誤差進行校準，把校準后的程序應用到現場。

2 ? ?TECNOMATIX離線編程技術應用

2.1 ? 虛擬環境搭建

PD虛擬環境搭建所需要的數據主要有產品數據、工裝設備數據和焊點數據等，但PD自身的三維建模功能較弱，所需數據一般均由外部導入。由于軟件是采用數據庫的形式管理所有數據，所以不同的數據導入方式也不盡相同。首先需要在外部CAD軟件中完成建模，然后轉換為PD軟件不同導入方式所對應的文件格式。產品數據和工裝設備數據采用CADTranslator（PD數據轉換工具）轉換為CO格式導入PD軟件，不同的是工裝設備數據要采用建立資源庫的方式導入。焊點數據的導入則要應用二次開發的CAD焊點導出工具導出為CSV格式，再導入PD軟件。數據創建完成后，應用鼠標拖動和Placement Manipulator、Relocate兩個主要布局工具的配合，即可完成模型的精確布局。完成后的焊接工位布局如圖3所示：

2.2 ? 機器人路徑編輯與仿真

TECNOMATIX的PD、PS兩個軟件模塊是高度集成的，在PD中建立仿真節點，拖入需要仿真的數據選擇用PS打開進行機器人的路徑編輯與仿真。PS中主要是對設備的運動學進行仿真，在路徑編輯和仿真之前，需要對運動的設備進行機構定義。PS定義機構運動關系的工具是Kinematics Editor，通過創建Link的形式把設備分為若干運動部件和固定部件的Link塊，并定義各Link塊之間的運動關系。由于每個設備運動有多個狀態，在完成各Link塊之間的運動關系定義后還需要應用Pose Editor工具對設備各狀態進行定義，通常焊鉗定義為HOME、OPEN、CLOSE、SEMIOPEN四個狀態，夾頭定義為HOME、OPEN、CLOSE三個狀態。此外焊鉗還要定義工作中心點TCP坐標，位于靜臂電極帽中心處，Z向由靜臂指向動臂，X向背離焊鉗體。機器人一般廠家定義好了運動關系，PS中不需要再次定義。如果后期要進行PLC虛擬調試，還需要對設備的邏輯及信號進行定義[5]。

在路徑編輯和仿真之前，還需要對焊點進行處理，焊點的處理包括焊點投影和焊點焊接姿態的調整。在PS中焊點是投影成坐標進行仿真，投影生成的焊點坐標包括位置和方向，位置位于距離所選擇的投影鈑金件最近的一個面上，Z向與投影面的法向一致，X向為焊鉗進入板件焊接的方向，如圖4a為某一焊點的投影結果，長虛線表示Z向，長實線表示X向，短實線表示Y向，圖4b為工位全部焊點的投影結果。在焊接仿真時焊鉗的TCP坐標與焊點投影坐標重合模擬焊點焊接，調整焊點焊接姿態就是調整焊點坐標的方向，使焊接過程不發生干涉且焊鉗姿態最佳。PS中調整焊點焊接姿態有三種方式，第一種是Location Manipulation，用此方式調整時要選擇焊鉗跟隨模式，以便實時觀察焊鉗姿態及干涉情況，并且還可以調整Z方向允許傾斜的角度（各公司標準不一樣）;第二種是Pie Chart，用此種方式調整時，在餅狀圖上可直觀的看到焊鉗是否可達及其干涉情況，可非常方便的調整餅狀圖上的指針到藍色區域（不干涉區域）;第三種方式是Automatic Approach Angle，可自動調整焊點焊接姿態到非干涉區域。

機器人運動路徑創建其實就是創建焊鉗TCP 走過的路徑點和定義焊點焊接順序。優良的運動路徑是機器人工作過程不產生干涉、運動路徑短、姿態良好且切換過程平穩，兩個路徑點之間不產生奇異點及路徑點盡量少[6]。PS中創建路徑非常方面，用Robot Jog工具直接手動拖動或沿坐標軸精確移動與旋轉機器人TCP到所需創建路徑點位置，然后在路徑規劃菜單（Path）中完成對路徑點的添加、刪除等操作和分析，其中Automatic Path Planner工具可以根據機器人工作任務實現自動生成路徑，但只能自動生成一些相對簡單的路徑，復雜路徑的生成效果較差。此外焊點投影完后的默認焊接順序一般不能滿足要求，需要結合工藝要求、機器人間的配合、焊接路徑規劃、焊接姿態切換等多個因素重新調整焊接順序。

在創建路徑的過程中還需要對點的屬性進行定義，包括路徑點和焊點，兩者有所不同，焊點包括焊接參數屬性。點的屬性定義是TECNOMATIX 離線編程中非常重要的一個部分，只有準確的定義各點屬性，保證與實際工作情況一致，離線編程才能真正的應用到現場中去。屬性定義與實際機器人的各種指令和設置基本一致。PS中屬性主要包括運動屬性、工具屬性、工藝屬性、OLP屬性和其他屬性等類型。屬性定義的工具有3個，第一個是路徑編輯工具（Path Editor），第二個是點屬性工具（Set Locations Properties），第三個是虛擬示教器工具（Teach Pendant）。這三個設置屬性的工具有所不同，點屬性工具可以對所有的通用屬性進行設置，而且可以篩選點的類型（例如焊點、經過點等），對不同類型的點篩選后統一設置;虛擬示教器工具中的屬性除了OLP屬性外，其余屬性均可以在點屬性工具中設置，一次只能示教設置一個點，并且機器人會示教到當前點的姿態;路徑編輯窗口主要用于仿真過程中的屬性展示，可以修改部分屬性值。

路徑創建與定義完成后，可以應用干涉仿真檢查，驗證工作過程是否存在干涉。仿真之前，需要先對干涉選項和干涉條件進行設置，軟件提供非常直觀的顏色顯示，不僅可以檢查碰撞干涉，還可以對間隙和接觸進行檢查。如圖5所示，干涉選項中設置間隙距離為5mm，接觸顏色為橙色，允許碰撞值為0mm，即表示當兩個物體距離為大于0mm小于等于5mm時，黃色顯示;當兩個物體距離為0mm接觸時，橙色顯示;當兩個物體距離小于0mm碰撞，紅色顯示。干涉條件設置如圖6所示，除了要設置機器人、焊鉗與夾具、產品間的干涉，還要設置各機器人間和各焊鉗間的干涉。激活干涉檢查條件，仿真過程中如果出現碰撞，兩個碰撞的物體會以紅色顯示，發出報警聲，并停止仿真。此時一般可以通過調整路徑點位置和姿態、調整運動方式或增加路徑點來避免干涉，如果無論怎么調整，干涉都無法避免，需要向設計提出修改意見。

2.3 ? 程序輸出

2.3.1 機器人參數設置

TECNOMATIX輸出離線程序需要2個主要模塊，一個是西門子TECNOMATIX下的OLP程序文件，另一個是機器人生產廠家提供的RCS虛擬控制器文件。OLP和RCS安裝完成后，在機器人屬性中選擇對應的控制器及控制器版本，打開機器人參數設置窗口，設置機器人的參數。不同品牌、不同類型、不同控制器版本的機器人參數設置界面略有不同。如圖7所示，以FANUC常用的點焊機器人R-2000iB/210F（控制器版本V8.30）為例，說明了機器人參數設置的各項含義。其中需要設置的參數主要包括下載設置、機器人及焊鉗設置、坐標系設置、負載設置和程序模板選擇5項參數。在下載設置中設置輸出程序的描述方式，在機器人及焊鉗設置中設置機器人設備編號及選擇攜帶的焊鉗，在坐標系設置中選擇工具坐標系和用戶坐標系，在負載設置中設置負載焊鉗的重心和轉動慣量參數，在程序模板項選擇輸出程序的文件格式。

2.3.2 ? 程序下載

機器人程序下載即生成一個機器人程序文件。TECNOMATIX機器人程序下載有兩種方式，一種是直接把機器人路徑操作加載到路徑編輯窗口（Path Editor）中，然后通過下載工具（Download to Robot）下載程序，如圖8a所示，此種方式一次只能完成機器人的一個路徑操作下載，如果下載機器人的多個路徑操作則需要多次操作，且下載的程序文件是分開的。另一種方式是首先通過機器人程序目錄（Robotic Program Inventory）創建程序，并把創建的程序加載到路徑編輯窗口（Path Editor）中進行編輯，然后把多個機器人路徑操作添加到機器人程序中，最后利用程序下載工具（Download to Robot）下載程序，如圖8b所示，此種方式一次可以下載一個機器人的多個路徑操作，并且只會生成一個程序文件，可保證程序的連續性。

不同品牌機器人輸出的程序格式并不一樣，輸出后的程序還要轉換為現場機器人可識別的程序語言，例如FANUC機器人輸出的程序格式為*.ls格式，由于現場機器人可識別的語言程序為*.TP格式，因此還要把*.ls格式轉換為*.TP格式。

2.4 ? 精度校準

離線程序應用到現場機器人中存在的最大問題就是精度校準。影響程序精度的因素主要有兩個方面，一方面是加工制造誤差，包括機器人本體加工制作誤差、夾具加工制造誤差和工具加工制造誤差，另一方面是安裝誤差，包括機器人與夾具安裝的相對位置誤差和工具安裝誤差。相對于安裝誤差，加工制造誤差一般較小，可以忽略不計，因此在實際工作中主要是對程序進行安裝誤差的校準。

2.4.1 焊鉗TCP校準

由于安裝誤差，在仿真環境中建立的焊鉗TCP坐標實際中可能并不在電極帽端面中心，現場仍需對其進行校準。為了提高校準精度，可采用一些輔助工具，例如特制的尖頭電極帽和尖頭測量桿[7]。機器人自帶TCP校準模塊，例如FANUC機器人采用6點校準法，其中3點校準TCP位置，另外3點校準TCP方向。如圖9所示，校準時尖頭電極帽以3種不同的姿態對齊尖頭測量桿，記錄TCP位置，以第4種姿態對齊測量桿，記錄方向原點，再從方向原點沿+X和+Z方向移動至少250mm，分別記錄TCP的X向和Z向。

2.4.2 機器人與夾具相對位置校準

現場機器人與夾具的安裝位置及安裝角度并不能100%達到設計狀態，稍有偏差都會導致現場與虛擬環境不一致，需要根據現場校準虛擬環境，使虛擬與現場保持一致，或者對離線程序進行偏移補償，以滿足現場應用。

機器人與夾具的相對位置誤差，一直是行業內研究的重點。陳文剛在《論焊裝數字化工廠的點焊機器人離線程序精度提升》中研究了現場測量法，測量計算出現場機器人與夾具的相對位置，再依據此值調整虛擬環境中的機器位置[8]。胡婷在《機器人離線編程誤差校準》中研究了用戶坐標系校準法，在虛擬環境中建立一個用戶坐標系，將離線程序轉化為關于用戶坐標系的相對程序，再在現場測量出用戶坐標系，將之前的相對程序再轉換成關于現場用戶坐標系的相對程序[9]。蔡江等人在《一種用于機器人離線編程的標定方法》中研究了工具坐標系擬合校準法，現場采集便于建立工具坐標系的3個點，分別測量出其在機器人基坐標和車身坐標系中的值，然后根據測量值在虛擬環境中建立兩個工具坐標系，并使其重合，以此來校準機器人與夾具相對位置[10]。以上方式均需要用測量設備在現場進行精確的測量，TECNOMATIX軟件采用的是多點擬合校準法（至少需要3個不共線的點，建議10點以上），如圖10所示，利用機器人自身進行測量，其過程是在虛擬環境中的夾具上標記出至少3個測量點，在生產現場夾具上同樣標記出與虛擬環境中一樣的點，示教機器人到這些點位進行編程，然后把點位示教程序上傳到虛擬環境中，與虛擬環境中的點形成校準點對，再利用軟件自動計算（calibration）出現場機器人的位置誤差。軟件具有自動調整功能，計算完成后可以根據誤差自動調整虛擬機器人位置，使其與現場保持一致。機器人位置校準完成后，輸出的離線程序便可直接應用到現場中。

3 ? ?結論

在汽車焊裝生產中，應用TECNOMATIX軟件對機器人點焊工位進行虛擬建模與仿真，然后輸出離線程序，并對離線程序進行校準，校準后的離線程序可直接應用到生產現場調試中。結果表明，TECNOMATIX機器人點焊離線編程具有實用性，并且可以推廣應用到機器人弧焊、機器人涂膠等其他自動化生產中。TECNOMATIX離線編程相較于傳統示教編程具有以下優勢。

a. 不占用現場機器人工作時間，效率大大提升;

b. 方便規劃更加復雜的軌跡，編程精度高;

c. 程序優化修改與調試更方便，對編程結果的觀察更直觀;

d. 遠離危險的工作環境，更安全;

e. 可對各種機器人進行編程，系統使用范圍廣;

f. 可結合人工智能、虛擬現實等技術改善離線編程，使其更高效、直觀;

g. 系統中可對多機器人并聯編程與仿真;

h. 提前識別問題，降低生產準備投資，縮短生產準備時間。

參考文獻：

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[3]鐘元權，張裕生. 基于VR技術的機器人離線編程技術研究[J]. 山東農業工程學院學報，2019，36（5）：36-40.

[4]Siemens Digital Industries Software.Tecnomatix [EB/OL].https：//www.plm.automation.siemens.com/global/zh/products/Tecnomatix/，2020-1-4.

[5]成正勇，黎亮，李小燦等. 基于TIA與TECNOMATIX 的聯合虛擬調試研究[J]. 汽車工藝與材料，2020（2）：66-71.

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[8]陳文剛. 論焊裝數字化工廠的點焊機器人離線程序精度提升[J]. 裝備制造技術，2019（7）：183-185.

[9]胡婷. 機器人離線編程誤差校準[J].電焊機，2015，45（12）：51-52.

[10]蔡江，劉歡. 一種用于機器人離線編程的標定方法[J]. 機電信息，2017（9）：108-109.