離線編程在車身柔性線調試中的應用研究

陳快 梁國山 滕培欣

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州545000）

1 前言

隨著先進制造技術的發展，實現焊接產品制造的自動化、柔性化已成為必須的趨勢，采用機器人焊接是焊接自動化技術的重要標志。焊接機器人具有通用性強、工作可靠等優點，可以提高生產率、改善勞動條件，性能穩定從而保證焊接質量[1]。

相對于純手工線，機器人柔性焊裝線有著其特殊性和復雜性，工藝調試周期長是其面臨的一個難題，經常只能利用周末停產的時間進行新車型的導入，而在項目時間緊急的情況下，甚至需要犧牲其他車型的正常生產時間來導入新車型。

針對這一現狀，各種仿真軟件得到了應用，如Robcad、Roboguide、RobotStudio 等，它們不僅能完成整條焊裝線的布局仿真，還可以精細地模擬每個工位每臺機器人的工作過程，在仿真軟件運用成熟的今天，它們更重要的意義在于可以通過修正仿真環境，使仿真環境與現場環境達到高度一致，從而利用離線程序將新車型導入生產線，節省工藝調試時間[2]。通過研究Roboguide 仿真軟件，探索并驗證修正仿真環境的方法及離線程序的可靠性和正確性。

2 在線編程

在線編程即使用示教器現場示教機器人焊接軌跡，整個機器人系統包括機器人本體、機器人控制柜、焊接控制器等，在在線編程前，必須先完成機器人與控制柜間的通訊、控制器與機器人間的信號傳輸、機器人焊槍的配置等，然后才能按照焊接工藝上的焊點分布，示教焊接軌跡，在線編程具有以下幾個特點：

a.對于一些不便于觀察的焊點，如地板上的焊點，在示教過程中焊槍容易與零件干涉甚至將零件拉變形；

b.在仿形前，有時并不能準確判斷工藝焊點分配的合理性，可達性和節拍都需要在調試完成后才能進行驗證；

c.對于可能存在干涉的機器人，需要等到聯動運行后才能確認機器人間是否需要設置干涉等待，當影響到節拍時還要重新仿形，導致工作的重復，焊接工藝卡片的變化。

d.對于焊接姿態較多的情況，為了得到最優焊接路徑，通常要花費更多的仿形時間和驗證時間。

e.現場示教操作簡單直接，但難以實現復雜的運動軌跡，編程員的經驗直接影響編程質量，編程效率較低[3]。

3 離線編程

相對于在線編程，離線編程即在生產線現場調試前，利用仿真軟件預先完成機器人的焊接路徑，同時驗證節拍，避讓干涉區并得到最優的焊接路徑，克服了在線編程的各種缺點[4]?，F在我們可以很方便地利用Roboguide 仿真軟件對每臺機器人進行離線編程，并且得到離線程序，然而，現場機器人和其他相關設備的位置與其在仿真環境間的位置必然會存在一些偏差，如何去減小和修正這種偏差，保證離線程序導入后得到滿足要求的準確度是討論的重點。

3.1 偏差的來源

在生產線選取基準點畫線的過程中，由于現場環境的限制、設備儀器的精度、人工操作的誤差等原因，使得實際環境和仿真環境間難以避免地存在微小偏差，這些偏差主要體現在以下3個方面：

a.生產線工裝安裝的偏差；

b.機器人底座水平度不好；

c.機器人安裝的平行度不好。

在車身生產線中，工裝夾具的位置決定了產品的位置，我們關注的是機器人與夾具的相對偏差，即可以假設工裝的位置絕對準確，將所有的偏差認為是來自于機器人安裝精度不夠。

3.2 離線程序的應用

在離線程序導入現場環境前，需要做如圖1 所示工作。

圖1 工作流程

步驟1：確認仿真文件，主要包括確認工裝、產品、焊槍等數據的正確性，這是保證后續工作正確有效的基礎。由仿真文件布置機器人LAYOUT圖，焊槍安裝姿態等文件，供現場安裝使用。

步驟2：使用離線程序的1 個關鍵是現場機器人安裝位置與仿真環境里的布置一致，這就需要在2 個方向上保證機器人底座的安裝精度。

a.底座上表面的水平度可以用水平儀進行測量，通過在底座與地面連接處增加墊片的方式調整水平度。

b.底座與工裝夾具的平行度在底座安裝完成后利用激光檢測儀，以夾具為基礎進行檢測，如圖2 所示。

機器人底座檢測校正后，會對其進行螺栓堅固，再將機器人放置到底座上。

步驟3：將路徑程序從Roboguide仿真軟件里導出。

步驟4：將離線程序導入實際環境，驗證是否有偏差，經過前面對機器人底座的測量與校正，機器人的安裝已具有一定的精度，這時如果還有偏差，由于機器人底座已用化學螺栓緊固，機器人也已就位，則需要通過修正仿真環境，消除離線程序的微小偏差，使其與實際環境一致，增加離線程序的可用性。

圖2 平行度測量示意

步驟5：由于3 個點即可確定1 個平面，所以在修正仿真環境時，可利用三點法計算其與實際環境的偏差，如圖3 所示。Roboguide 軟件中也提供了相應的功能。

圖3 三點法測偏差

a.在仿真環境中選取至少3 個容易識別的點編輯1段路徑程序，即CAL程序，程序名由軟件自動生成，這段程序將被保存在特定的文件夾MC中；

b.將CAL 程序導入到實際環境中，然后示教上一步中所選取的那3 個點，重新保存各個點的信息后，將程序拷回到MC 文件夾中，覆蓋掉先前那段在仿真環境中得到的CAL 路徑程序；

c.這時在MC 文件夾中出現1 份原始程序和1份修正后的程序，利用Roboguide 中的Calibrate from Touch-Up 功能，自動比較這2 段程序的差異，結果會以具體的數值在X、Y、Z、W、P、R 6 個自由度方向上呈現出來，這時只需確認并認可這個結果就可以方便地糾正仿真環境中機器人的位置及修正離線程序，使仿真環境與實際環境在焊接路徑的最終效果上達到一致。

步驟6：這時即可將離線程序導入實際環境中，并驗證離線程序的準確度。

4 仿真環境修正

4.1 仿真環境的建立

建立一個仿真環境如圖4 所示，具備工裝、產品數模、焊點數模（圖1 中10 個白色圓點）、機器人、焊槍等5 種因素。

圖4 仿真環境

其中工裝坐標和機器人坐標分別如圖5 和圖6所示。利用這個環境編寫1 條具有10 個焊點的焊接程序，程序命名為TEST01，焊接路徑如圖7 所示，然后將離線程序導出。

圖5 工裝坐標

圖6 機器人坐標

圖7 焊接路徑

4.2 實際環境

在這里建立1 個環境模擬實際環境。如前所述，假設工裝的位置絕對準確，而機器人的安裝存在偏差，這里將機器人的坐標在沿生產線方向（Roboguide 中體現為Y 向）上偏差1 mm，與生產線在平行度上偏差0.5°，如圖8 所示。

圖8 實際環境中機器人的坐標

這時將由仿真環境導出的離線程序TEST01 導入這個實際環境，得到如圖9 所示的焊接路徑，由圖可以看出，焊接路徑并沒有準確地在有焊點的地方進行打點焊接，說明實際環境與仿真環境之間的偏差已經影響到離線程序的使用。

圖9 離線程序導入實際環境

4.3 修正仿真環境

按照2.2 小節中所述步驟5，利用三點測量法得到2 段路徑程序，CAL00240_ORIGINAL_POINTS（仿真中的CAL 原始程序）和CAL00240（在實際環境中校正后的CAL 程序），通過比較2 段程序得到如圖10 所示的偏差值，這個偏差值是Roboguide 軟件自動計算得出的2 個程序間最合理的偏移量。

這里可以選擇糾正工裝的位置或是機器人的位置，由于假設工裝的位置絕對正確，則需要糾正機器人的位置，在選擇Accept Offset 后，會出現如圖11 所示的選項，勾選TEST01 程序對其進行偏移，則完成了仿真環境的修正及程序的修正，這時將修正后的TEST01 文件導入實際環境中，則得出新的焊接路徑，如圖12 所示，由圖可看出，仿真路徑得到明顯的改善，機器人打點的位置與指定的焊點位置基本重合，滿足焊接要求。

圖10 偏差值

圖11 離線程序糾正

圖12 糾正后的焊接路徑

5 結論

由以上實驗可以看出，通過在仿真環境中修正機器人的位置，可以使離線程序成功地導入實際環境中。這種修正方法經過項目機器人仿形工程師驗證，可以取得良好的效果，離線程序具有較高的準確度，可以滿足要求。

離線編程是車身生產線自動化的重要內容，是機器人柔性焊裝線工藝調試的發展方向。通過研究和分析Roboguide 仿真環境修正功能，驗證了通過修正仿真環境，離線程序可以成功地導入實際環境中，并具有很高的準確度。