基于Screen Maker的ABB機器人二次開發在激光熔覆中的應用

呂玉蘭　王保軍

摘? 要：工業機器人激光熔覆零件具有特殊性、復雜性、小批量等特點，導致機器人編程和參數調節占用時間長，培訓機器人操作者周期也長，為了解決這一問題，基于ABB機器人的Screen Maker功能，對示教器界面進行了二次開發，利用RobotStudio軟件對機器人激光熔覆進行了仿真，并在真機上進行了驗證，實現了機器人當前工作狀態和信息的顯示以及機器人運行關鍵參數的控制，滿足激光熔覆工藝柔性生產的需要。

關鍵詞：工業機器人；激光熔覆；Screen Maker；二次開發

中圖分類號：TP242? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）20-0169-04

Application of Secondary Development of ABB Robot Based on Screen Maker in Laser Cladding

LYU Yulan， WANG Baojun

（Shanxi Institute of Mechanical & Electrical Engineering， Changzhi? 046011， China）

Abstract： Industrial robot laser cladding parts have the characteristics of particularity， complexity， and small batch size， which leads to long robot programming and parameter adjustment time， as well as long training cycle for robot operators. To solve this problem， based on the Screen Maker function of ABB robots， a secondary development of the teaching interface is carried out， and robot laser cladding is simulated by using RobotStudio software and verified on a real machine. It achieves the display of the current working status and information of the robot， as well as the control of key parameters for robot operation， meeting the needs of flexible production in laser cladding technology.

Keywords： industrial robot; laser cladding; Screen Maker; secondary development

0? 引? 言

激光熔覆可實現對材料表面進行改性、對產品進行修復以及原型增材制造，是激光先進制造的重要支撐技術，廣泛應用在航空、冶金、石油、汽車、船舶制造等各個行業。其加工對象在材料、形狀、大小等方面復雜多變，需要激光器的位置和角度隨著工件形狀大小進行實時變化，一般搭配六軸工業機器人來工作。

激光熔覆零件存在復雜性和小批量的特點，加工時又要綜合考慮激光功率、送粉速度、掃描速度、材料冷卻速度等因素，編程和參數調節占用時間長，而且其加工速度一般較慢，在機器人自動運行程序加工復雜工件時，操作者無法直觀通過程序觀察到當前加工情況，給現場生產帶來不便。李金華[1]等進行過機器人激光熔覆的離線編程與仿真研究，縮短了編程時間；王楊霄[2]等進行過復雜曲面零件激光隨形熔覆軌跡規劃研究，實現了較好的熔覆效果；龍洋[3]利用Screen Maker功能對機器人沖壓生產線進行過界面設計。綜上，本文提出基于Screen Maker對ABB機器人的示教器界面進行針對性的二次開發思路，利用RobotStudio軟件進行仿真和驗證，以滿足激光熔覆工藝柔性生產的需求，方便操作者快速上手使用。

1? 二次開發架構設計

ABB機器人的FlexPandant SDK工具為示教器的二次開發提供了可能，結合RobotStudio的強大功能，按照工作站搭建、RAPID程序編寫、利用Screen Maker對示教器進行界面開發、仿真驗證、真機調試的順序，進行二次開發架構設計（如圖1所示）。首先在RobotStudio中搭建工業機器人激光熔覆應用的工作站，將工業機器人IRB2600、激光器、送粉裝置、送氣裝置、工件等進行布局，在創建機器人系統時需要添加617-1 FlexPendant InterFace選項；然后根據試驗方案要求編寫RAPID程序，在編寫程序時需要預留Sreen Maker變量接口，所有的變量都需要使用全局變量，以便在示教器頁面編輯時進行調用；然后基于Screen Maker功能進行示教器界面的開發，要能夠顯示機器人當前工作狀態和信息，也能夠控制機器人運行的關鍵參數；根據試驗方案，在RobotStudio使用虛擬示教器運行程序進行仿真驗證；最后在真機上進行調試，完成激光熔覆工件的加工。

2? 搭建仿真工作站與編寫程序

在RobotStudio中搭建工業機器人激光熔覆應用工作站，本文使用的是RobotStudio 6.08（32-bit）版本，虛擬工作站中的工業機器人型號為IRB2600，屬六關節機器人，工作范圍達1.65 m，有效載荷12 kg，重復定位精度0.04 mm，適合弧焊、激光切割、激光熔覆等工藝應用。在創建虛擬機器人的系統時，除添加709-1DeviceNet Master/Slave選項之外，還需添加617-1 FlexPendant InterFace選項，以支持后續二次開發。工具選用RobotStudio自帶MyTool工具，工件為放置在工作臺上的長250 mm、寬100 mm、高10 mm的試驗基板，利用建模功能創建矩形體實現工件模型的創建，在創建時要注意角點的選擇，使用捕捉功能將角點設置在桌子的某個一角點上，方面后續工件坐標的創建，如圖2所示。

本試驗方案是在基板上進行多道多層的材料打印，每層提升量為0.45 mm，寬度方向為激光光斑直徑

2 mm，寬度方向打印20條，長度為150 mm。激光功率1 100 W，掃描速度6 mm/s，送粉速度22 g/min[4]。

根據試驗方案，采用兩個循環指令FOR進行嵌套編程，外層FOR循環實現激光熔覆層數的循環，完成高度方向的控制，內層FOR循環實現激光熔覆條數的循環，完成寬度方向的控制，長度方向由起點pStart和終點pStop確定。激光發生器和送粉機的打開、關閉由機器人數字輸出信號控制，送粉在激光頭首次到達熔覆起點前就要打開，因為金屬粉末從送粉機通過管道傳輸到機器人末端的噴粉頭需要一定的時間，且形成勻速噴粉也需要一定的時間。激光發生器在每次熔覆起點打開，在熔覆終點關閉，防止激光對已熔覆表面造成誤損。

按照這個思路編寫程序，首先在基板上利用三點法創建工件坐標系，將工件坐標系原點設置在基板與桌子重合的角點上，將X軸設置在基板的長邊，Y軸設置在基板的短邊，以保證工件坐標系的Z軸豎直向上。工具坐標系采用MyTool工具的坐標系，機器人主要控制程序如下：

PROC Multiple （ ）

set DO_Modulate;

WaitTime 1;

FOR H FROM 0 TO 19 DO

Set DO_Powderfeed;

B：=0;

T：=0;

FOR i FROM 0 TO 19 DO

IF （T MOD 2）=0 THEN

MoveL 0ffs（pStart，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6，fine，MyTool＼Wobj：=wobjblock;

Set DO_Enable;

WaitTime 1;

MoveL offs（pStop，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6， fine， MyTool＼wobj：=wobjblock;

Reset DO_Enable;

Incr T;

Add B，2;

ELSEIF （T MOD 2）=1 THEN

MoveL offs（pStop，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6，fine，MyTool＼wObj：=wobjblock;

set DO_Enable;

WaitTime 1;

MoveL offs（pStart，0，B，0.45*H），V1000＼V：=6， fine， MyTool＼wobj：=wobjblock;

Reset DO_Enable;

Incr T;

Add B，2;

ENDIF

ENDFOR

Reset DO_Powderfeed;

ENDFOR

Reset DO_Enable;

Reset DO_Modulate;

WaitTime 2;

stop;

ENDPROC

程序中的IO信號用于控制完成激光熔覆所需要的激光發生器、送粉機等機器人周邊設備，全部為數字輸出信號（Digital Output），如表1所示。程序中需要在示教器界面進行調用的變量需要設置成全局變量，變量含義如表2所示。

3? 二次開發

ScreenMaker是ABB機器人控制器上的一款軟件，其提供了圖形化界面和強大的編程功能，可以使機器人系統更加易于集成和靈活適應不同的操作場景。ABB機器人通過使用ScreenMaker定義的圖形用戶界面[5]，可實現對常用IO信號狀態的監控，以及對數字輸出及組輸出信號的手動控制，還可實現對RAPID程序中程序數據的監控與賦值，以及寫入操作提示信息等。

機器人激光熔覆涉及的參數較多，并且在機器人進行激光熔覆操作時不易觀察到加工進度，大部分操作工人的工業機器人操作與編程能力不足，為了方便觀察以及操作，本文利用ScreenMaker二次開發定制示教器用戶畫面，將機器人系統的內在工作轉化為圖形化的前端界面，清晰顯示加工過程，簡化工業機器人的操作，從而保證熔覆質量和穩定性。

將激光熔覆過程中的調制開關、送粉開關、激光開關信號進行顯示，并且可以手動控制其信號值。將激光熔覆層數、激光熔覆條數都設置成可控變量，既能監控其數值也能對其進行賦值，實現激光熔覆過程的監控。其中，IO信號為數字輸出信號，可通過Bind Value to a Controller Object 對Led控件進行信號綁定，對象類型選擇“信號數據”，參見選擇“Output”，之后依次在下方信號列表中選擇DO_Modulate、DO_Powderfeed、DO_Enable三個信號完成綁定，就可以在示教器頁面觀察到IO信號的變化。變量是通過TpsLabel控件進行控制，具體操作與IO信號綁定類似，通過點擊Bind Text to a Controller Object進行綁定，對象類型選擇Rapid數據，注意這里只能綁定全局變量。具體監測界面和控制界面如圖3所示。

4? 仿真與驗證

在RobotStudio中運行機器人程序，通過仿真選項卡中的TCP路徑跟蹤功能，實現機器人模擬激光熔覆路徑的顯示，如圖4所示。可以看到機器人運行路徑在長度、寬度、高度方向均符合方案要求，且機器人運行動作流暢，不存在奇點等死點。最后，將自定義畫面和程序傳輸至真實示教器，在真實工作站中完成激光熔覆。在機器人運行過程中，可以通過示教器自定義圖形用戶界面觀察機器人激光熔覆進度和IO信號狀態，也能通過控制界面控制IO信號的狀態方便機器人運行調試，使得整個操作過程簡潔方便。

5? 結? 論

本文以多道多層激光熔覆為例，使用ABB機器人的ScreenMaker對示教器進行自定義圖形界面開發，能夠實現對激光熔覆過程中的IO信號及加工過程監測，也能夠實現對IO信號的控制，經RobotstStudio仿真及真實工作站測試，證實自定義示教器界面使得激光熔覆過程可見、可控，方便用戶操作使用，縮短了工作站編程和調試的時間，提高了激光熔覆的效率，適應激光熔覆工藝小批量、多類型的柔性生產需求。同時，簡化的操作還可以縮短對從業人員的培訓難度和培訓時間。

參考文獻：

[1] 李金華，馮偉龍，李高松，等.基于機器人的激光熔覆離線編程與仿真研究 [J].熱加工工藝，2020，49（24）：102-104.

[2] 王楊霄，孫文磊，劉金朵，等.復雜曲面零件激光隨形熔覆軌跡規劃研究 [J].機械設計，2022，39（2）：53-57.

[3] 龍洋.多機器人沖壓線關鍵技術研究 [D].天津：天津工業大學，2016.

[4] 羅奎林，郭雙全，何勇，等.激光熔覆修復航空發動機風扇機匣TC4鈦合金靜子葉片 [J].中國表面工程，2015，28（6）：141-146.

[5] 葉暉，呂世霞，張恩光，等.工業機器人工程應用虛擬仿真教程：第2版 [M].北京：機械工業出版社，2021.

作者簡介：呂玉蘭（1989.02—），女，漢族，河北辛集人，講師，高級技師，碩士，研究方向：工業機器人、機器視覺；王保軍（1988.04—），男，漢族，山西保德人，講師，高級技師，碩士，研究方向：機械設計、機器視覺。

收稿日期：2023-04-12

基金項目：2022年度山西省高等學校科技創新項目（2022L686）；山西省教育科學“十三五”規劃2020年度“互聯網+教育”研究專項課題（HLW-20195）