基于工裝特征點的機器人離線仿真模型標定方法及應用

張世煒 劉文帥 林方平 張智

關鍵詞：機器人 離線編程 模型標定方法 工裝特征點 弧焊

1前言

焊接工藝是現代機械制造業的重要加工手段，而焊接質量往往決定產品的可靠性與使用壽命。隨著工業4.0理念的不斷深化實踐，目前焊接工藝領域正發生著一場機器換人的技術變革。采用工業機器人取代人工進行焊接工作，使得焊接質量穩定，排除以往人工焊接的質量批次問題，同時可以幫助企業積累焊接過程工藝數據，實現質量過程控制，即焊接質量管理轉變為管理機器人語言，關注于機器人程序的編制、管理和優化。

機器人編程通常可分為在線示教編程和離線編程兩種方式。相比于在線示教編程，離線編程技術既要能滿足工廠柔性化生產需求，又能縮短現場調試時間，減少機器人等侍浪費，還能使得編程者遠離危險的工作環境。因此，機器人離線編程是機器人應用的一大發展趨勢。

機器人離線編程技術在國內、外乘用車點焊領域已廣泛應用。日本豐田基于MotoMan離線編程系統進行噴漆和點焊編程工作，以及部分點位的焊接姿態和焊接參數局部調整，有效地縮短了現場示教時間。成正勇等采用TECNOMATIX離線編程軟件對機器人點焊臺位進行虛擬環境搭建并完成了機器人路徑編輯與仿真，滿足離線編程需求。然而，弧焊領域仍處于研究階段。何廣忠等采用了在Solidworks上開發機器人弧焊離線編程系統的方法，一定程度上提高了計算機輔助編程能力。郭吉昌等進行了基于UG可視化平臺的離線編程系統開發，為今后實現功能更全面的離線編程仿真系統奠定基礎。

在專用車焊接領域，機器人離線編程技術在弧焊焊接領域仍未有成熟的解決方案。本文利用FANUC機器人的離線編程軟件和硬件平臺，首次在專用車焊接領域成功實施離線編程和仿真技術，提出一種快速方便的仿真模型標定方法，有效縮短仿真技術實施時間，并提高離線編程點位精度，盡可能縮短現場焊接位置的局部調整工作量。本文所確立的離線仿真模型標定方法可指導離線編程技術在專用車焊接領域的應用。

2離線編程仿真技術路線分析

本文基于FANUC弧焊機器人及FANUCRoboguide離線編程仿真軟件，探索離線編程在弧焊機器人上的應用，其技術路線如圖1所示。利用商業化離線編程系統成熟的仿真環境建模、焊接工藝規劃、工藝過程仿真、程序生成應用和現場使用功能。理想情況下，只要在虛擬世界中完成調試、仿真，即可得到用于實際生產的機器人程序。然而，由于實際焊接模型并不與仿真所用的理想模型一致，仍需占用現場時間進行調試。

定義價值函數所占用的現場調試時間的降低率為降低率與該技術帶來的價值呈線性關系。假如某產品節拍為30min.采用傳統人工示教需要占用現場4h。則因現場導致的產能損失為8件（占用時間除以產品節拍）。如果能通過該技術降低90%的現場時間，則產能損失減低7.2個（原產能損失乘以降低率）。通過技術路線分析發現，模型標定是為了保證機器人系統的圖形工作單元模型與機器人實際環境工作單元模型一致性，是影響離線編程仿真出的程序與實際工件位置偏差的關鍵步驟。

因此，為了使得編程結果很好符合實際情況，并得到真正的應用，標定技術成為弧焊離線編程實用化的關鍵問題。

3基于工裝特征點的模型標定方法

機器人焊接系統的誤差相關坐標系如圖2所示。基于圖2的機器人焊接系統誤差分析如表1所示。實際模型與仿真模型的誤差由四部分組成，分別為機器人本體標定誤差、設備安裝誤差、工件定位誤差和工件拼裝誤差。

機器人本體標定誤差由機器人工具坐標系和機器人世界坐標系之間的偏差組成。對于機器人本體標定，Roboguide軟件提供FANUC所有型號機器人的三維數模、關節動力學仿真模型，模型精度可保證1mm之內。工件定位誤差由變位機基準坐標系和工件基準坐標系之間的偏差組成。此誤差可以通過工裝夾具的夾持精度來保證。工件拼裝誤差由工件基準坐標系和工件焊縫位置基坐標系之間的偏差組成。此誤差可通過前一工序的工裝控制，且焊接前的尋位步驟也能很好容納工件的尺寸誤差。設備安裝誤差由機器人世界坐標系和變位機基準坐標系之間的偏差組成。此誤差需要對仿真模型進行標定來消除，即控制變位機與機器人本體的相對位置誤差便成為了標定的關鍵。傳統方式采用測量設備，如三坐標儀等進行測量，分別確定機器人或變位機相對于地面的坐標，然后分別在仿真環境中進行建模。該方法的優點在于建模精度高，可以逐步逐次完善仿真模型，缺點在于建模成本高、周期長。相對于傳統的測量設備法建模，現提出一種基于工裝特征點的建模方法。

基于工裝特征點的建模方法是利用現場機器人工具坐標系（TooIFrame）和世界坐標系（UFrame）作為工具，測量實際工裝特征點在機器人坐標系中的坐標值，從而確定仿真環境中機器人和工裝的相對位置。考慮到工件是安裝在變位機的定位工裝上，這直接決定了工件的實際位置，因而選擇加工精度高的定位工裝作為標定物是合理的。另外，由于直接選用定位工裝作為標定對象，這既降低了對中間標定物（如變位機）的尺寸精度要求，又避免了冗長的標定鏈所帶來的誤差積累問題。因此標定的工裝特征點為工裝上的定位點和定位面，通過該點和該面可以建立工件與工裝之間的相對位置關系。具體實施過程如下：

a.真實環境中，以焊絲端點（TCP點，千絲長16mm）作為測量工具，測量工裝上特征點在機器人世界坐標系列中的坐標值。定義獲取坐標值為P（P為坐標值，R是機器人世界坐標系）。

b.仿真環境中，以變位機或者工裝特征點為基準，可以獲取同一工裝特征點，該工裝特征點相對于仿真環境坐標值為P。

c.可知P=P×R，已知P和P，可以反求出R，即機器人世界坐標系原點在仿真環境中的坐標值。

以上方法可在不增加額外設備的前提下，快速確定機器人與定位工裝之間的位置關系，具有成本低、適用范圍廣等優勢。

4案例應用

利用工裝特征點的模型標定方法，結合某工廠的焊接工作站進行離線編程仿真技術的落地實施。該工作站配置一臺FANUC弧焊機器人和一個兩軸變位機，工件定位工裝位于變位機的第二軸上。工作站布局和工裝特征如圖3所示。

經過分析，定位工裝是通過孔定位確定工件與法蘭盤的位置關系。圖4所示的定位工裝上平面為工作平面，因此選取該工作平面的四角和工作平面中心作為特征點，特征點的測量結果如下：

通過對5個點的x、y和z值求平均值，可以得到工裝中心點相對于機器人世界坐標系原點的坐標為：

故可求得工裝的工作平面中點相對于機器人世界坐標系的坐標值P為（1 403.1，10.3，102.5），設仿真環境中該點的世界坐標系坐標值P為（0，0，0），且方向與機器人世界坐標系方向一致，則機器人世界坐標系在仿真環境中的坐標值R為（-1403.1，-10.3，-102.5），完成仿真模型的標定。

完成模型標定后，按照離線編程仿真技術路線，可以依次完成焊接工藝規劃、工藝過程仿真、程序應用生成和現場執行。為了分析該技術的價值函數，通過現場實際測量采用該技術后現場時間占用，并與采用人工示教方式進行對比分析，各工序時間分解如圖5所示。

通過現場實測發現，采取該技術后，價值函數=（3.5-1 .5）/3 .5=57%.通過該技術可以減少原在線示教時間的60%左右?，F場額外軌跡點的矯正工作主要是起弧點的軌跡矯正，焊縫尋位程序幾乎不需要修改。該部分修正的原因是現場工件拼裝精度與導入仿真環境中的模型在部分區域偏差較大所致。如果后續可進一步提高工件拼裝精度，現場示教時間可進一步縮減至1h左右，效率提升高達70%。

5結語

本文分析了機器人焊接系統的誤差來源及保證措施，得出了設備安裝誤差需要通過仿真模型標定來保證的結論。同時分析了離線編程仿真的技術路線，提出了一種基于工裝特征點的離線仿真模型標定方法，并結合專用車行業應用實例，驗證了該方法的有效性，且效率至少提升57%.對行業的相關應用起到了重要的指導作用。