六自由度關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人與變位機(jī)離線編程仿真設(shè)計(jì)

摘" 要：應(yīng)用SolidWorks和RobotStudio軟件，建立由IRB1410焊接機(jī)器人和兩自由度變位機(jī)協(xié)同完成焊接軌跡的仿真工作站。選用PKI-500焊接末端工具，建立末端焊接工具坐標(biāo)系，采用三點(diǎn)坐標(biāo)法創(chuàng)建工件坐標(biāo)系。創(chuàng)建仿真設(shè)計(jì)的I/O信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)關(guān)聯(lián)，編寫機(jī)器人的仿真設(shè)計(jì)程序。創(chuàng)建碰撞監(jiān)控，保證焊槍與焊件在示教和仿真運(yùn)行時(shí)不發(fā)生碰撞。運(yùn)用TCP跟蹤功能驗(yàn)證焊縫軌跡的準(zhǔn)確性。在示教器中不斷優(yōu)化焊接參數(shù)，從而得到理想的焊縫。通過對(duì)焊接工作站的仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化工藝過程，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人;氣體保護(hù)焊;RobotStudio;工作站;編程

中圖分類號(hào)：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）09-0038-04

Abstract： By using SolidWorks and RobotStudio software， a simulation workstation is established， in which the welding trajectory is completed by IRB1410 welding robot and two-degree-of-freedom positioner. The PKI-500 welding end tool is selected， the coordinate system of the end welding tool is established， and the workpiece coordinate system is created by the three-point coordinate method， to create the Istroke O signal of the simulation design， carry on the signal correlation， and write the simulation design program of the robot. Collision monitoring is created to ensure that the welding torch and the weldment do not collide during teaching and simulation. The accuracy of weld trajectory is verified using TCP tracking function. The welding parameters are continuously optimized in the teaching device production screen， so as to get the ideal weld. Through the simulation design of the welding workstation， it is helpful to improve the working conditions and production efficiency.

Keywords： welding robot; gas shielded welding; RobotStudio; workstation; program

在船舶、航空、汽車和工程機(jī)械等眾多領(lǐng)域中，焊接工藝在機(jī)械零件的連接形式中優(yōu)勢(shì)日趨明顯[1]。但因其對(duì)從業(yè)人員具有一定的損傷，在一定程度上限制了焊接的發(fā)展，因此焊接技術(shù)將向如何將工人從現(xiàn)場(chǎng)解放出來的方向發(fā)展，研發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)器人焊接代替人工焊接勢(shì)在必行[2-3]。機(jī)器人從事焊接工作不僅改善因環(huán)境造成的人員傷害及安全問題，而且焊接機(jī)器人的推廣使用大大降低了從業(yè)人員的工作強(qiáng)度;焊工的技術(shù)水平影響焊接質(zhì)量，應(yīng)用焊接機(jī)器人在一定程度上減少對(duì)焊接人員經(jīng)驗(yàn)的依賴[4]。同一批焊接機(jī)器人在焊接參數(shù)相同時(shí)，機(jī)器人焊接與手工焊接比較具有較好一致性，且具有較高的焊接質(zhì)量，避免因人員技術(shù)水平參差不齊，導(dǎo)致部分產(chǎn)品不合格的問題。

使用離線編程虛擬仿真技術(shù)，按真實(shí)的機(jī)器人工作站創(chuàng)建虛擬工作站，對(duì)實(shí)際焊接任務(wù)進(jìn)行模擬示教，仿真測(cè)試實(shí)際生產(chǎn)過程，預(yù)判及測(cè)試實(shí)際焊接軌跡方案是否合理[5-6]。并且對(duì)于同一焊接工作站，更換不同零件完成安裝定位后，只需調(diào)試設(shè)計(jì)焊接程序即可，因此虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)縮短焊接生產(chǎn)周期和降低勞動(dòng)成本有重要作用[7-8]。

虛擬仿真技術(shù)不僅能模擬已建成的工作站的生產(chǎn)過程，也可以開展要設(shè)計(jì)的焊接工藝項(xiàng)目的開發(fā)，預(yù)先對(duì)焊接工作站的實(shí)施方案及工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。離線仿真在脫機(jī)的境況下完成對(duì)焊接工藝的設(shè)計(jì)及虛擬機(jī)器人與變位機(jī)的焊接過程，不影響機(jī)器人正常的焊接任務(wù)，便于工藝人員規(guī)劃焊件的焊接軌跡，編寫焊接程序，分析和預(yù)判焊接質(zhì)量，對(duì)已測(cè)試完成的安全可靠的焊接程序，導(dǎo)入機(jī)器人進(jìn)行焊接，提升焊接程序設(shè)計(jì)的可靠性，可以有效縮短焊接的工藝設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[9]。

1" 創(chuàng)建焊接機(jī)器人仿真工作站

通過建模軟件創(chuàng)建工作臺(tái)和周邊設(shè)備并輸出stp格式，導(dǎo)入到機(jī)器人仿真軟件中，建模設(shè)計(jì)工件及工作臺(tái)結(jié)構(gòu)與實(shí)際尺寸一致，焊接工作站主要由焊接機(jī)器人IRB1410、兩自由度變位機(jī)、洗槍輔助設(shè)備、焊機(jī)和護(hù)欄等組成，焊接機(jī)器人仿真工作站如圖1所示。

創(chuàng)建機(jī)器人仿真工作站完成焊接軌跡測(cè)試，模擬機(jī)器人及變位機(jī)協(xié)同軌跡規(guī)劃，創(chuàng)建機(jī)器人與變位機(jī)、洗槍輔助設(shè)備等外部設(shè)備信號(hào)連接，模擬機(jī)器人與周邊設(shè)備邏輯控制過程，檢查機(jī)器人安全工作區(qū)域，避免焊接機(jī)器人與變位機(jī)工作不在有效工作范圍之內(nèi)，完成工作站的整體布局，建立模擬安全可靠的焊接機(jī)器人工作站。

2" 焊接系統(tǒng)設(shè)置

2.1" 焊接參數(shù)選擇

選擇焊接的工件為圓盤?150 mm×50 mm與圓盤?100 mm×50 mm的Q235低碳鋼件疊放焊接，這種鋼材焊接性優(yōu)良，后續(xù)不需要熱處理。為提升焊縫焊接質(zhì)量，減小機(jī)器人在焊接時(shí)各關(guān)節(jié)擺動(dòng)范圍，采用變位機(jī)和機(jī)器人協(xié)同焊接方法，優(yōu)化機(jī)器人焊接姿態(tài)，采用二氧化碳（20%）和氬氣（80%）做保護(hù)氣體。焊機(jī)和機(jī)器人的配置參數(shù)見表1。

2.2" 焊接送氣供電配置設(shè)計(jì)

焊接的送氣供電流程是先送入保護(hù)氣，再進(jìn)行通電送絲，在工件起始焊接處起弧，調(diào)節(jié)焊接姿態(tài)進(jìn)行焊接，在焊接收弧處結(jié)束焊接熔絲，停止焊接后回到安全點(diǎn)。在焊接過程中焊機(jī)通電前先進(jìn)行送氣，在起弧之前預(yù)先送到焊接區(qū)域，排盡氣管中的空氣，焊絲凝固過程中仍需要不斷輸送保護(hù)氣，防止焊接后焊絲氧化，停止焊接后繼續(xù)通入保護(hù)氣，延遲片刻后停止送保護(hù)氣。焊接送氣供電控制流程如圖2所示。

2.3" 焊接軌跡設(shè)計(jì)

虛擬仿真設(shè)計(jì)的焊接軌跡如圖3所示，焊接軌跡的原始home點(diǎn)，調(diào)節(jié)焊接機(jī)器人位姿到達(dá)start點(diǎn)，直線運(yùn)動(dòng)到P1點(diǎn)起弧開始焊接，由圓弧運(yùn)動(dòng)指令經(jīng)P2點(diǎn)到達(dá)P3點(diǎn)，變位機(jī)和機(jī)器人協(xié)同調(diào)節(jié)姿態(tài)，經(jīng)P4點(diǎn)到達(dá)P1點(diǎn)，再返回到start點(diǎn)，再運(yùn)動(dòng)到原始home點(diǎn)，在各點(diǎn)處不斷協(xié)同機(jī)器人和變位機(jī)，確保各點(diǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行不出現(xiàn)奇異點(diǎn)，并且得到優(yōu)化的焊接姿態(tài)和焊縫質(zhì)量。

3" 系統(tǒng)編程與仿真

3.1" 焊接程序編寫

設(shè)計(jì)主程序main（）函數(shù)和子程序Path_20（），運(yùn)行時(shí)由主函數(shù)中調(diào)用子函數(shù)方式進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)焊接軌跡，焊接軌跡通過路徑模塊進(jìn)行手動(dòng)示教，再同步到機(jī)器人示教器完成示教，Target30為安全點(diǎn)，起弧點(diǎn)為Target40，圓弧指令完成Target50和Target60，再由Target70回轉(zhuǎn)到Target40，最后返回到Target30安全點(diǎn)，完成焊接軌跡仿真設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

焊接機(jī)器人仿真軌跡設(shè)計(jì)之后，對(duì)焊接軌跡進(jìn)行防碰撞檢測(cè)，模擬焊絲與焊縫距離偏差，當(dāng)偏差超過一定范圍時(shí)焊道的熔融焊絲不均，影響焊縫焊接質(zhì)量，焊接軌跡防碰撞檢測(cè)距離預(yù)設(shè)定為最大偏差為安全值，在一定范圍內(nèi)通過防碰撞檢測(cè)測(cè)試焊接軌跡與焊縫的偏差。軟件的設(shè)計(jì)功能是在預(yù)設(shè)定的安全距離內(nèi)顯示顏色為黃色，在小于安全距離時(shí)顯示紅色。焊縫軌跡防碰撞監(jiān)控如圖5所示。

3.2" 仿真分析

程序設(shè)計(jì)完成后，由TCP軌跡設(shè)計(jì)仿真功能，模擬焊接設(shè)計(jì)軌跡，并進(jìn)行焊接軌跡與焊縫輪廓分析，觀察各示教點(diǎn)的位姿，對(duì)存在的奇異點(diǎn)位姿，仿真軟件提示軌跡無法到達(dá)并停止仿真，由此驗(yàn)證各軌跡的安全可靠，對(duì)軌跡出現(xiàn)的奇異點(diǎn)重新修正再進(jìn)行模擬仿真，直至能進(jìn)行仿真，TCP軌跡仿真測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

在虛擬仿真示教焊接軌跡過程中并不能直接反映焊接質(zhì)量?jī)?yōu)劣，應(yīng)建立更多仿真設(shè)計(jì)焊接工作站和焊接軌跡的運(yùn)行模擬情況，焊接質(zhì)量仍需要通過實(shí)際的焊接情況進(jìn)行判斷，通過實(shí)際焊道的熔融情況及專用的焊接質(zhì)量檢測(cè)裝置測(cè)試，反映實(shí)際焊接質(zhì)量，通過虛擬仿真與真實(shí)焊接結(jié)合，并不斷調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，如焊接速度和送絲速度及電流電壓的關(guān)系，這是一種較快速便捷的方式，優(yōu)化焊縫的焊接質(zhì)量。

4" 結(jié)論

應(yīng)用SolidWorks的三維建模功能與RobotStudio軟件的仿真功能建立焊接工作站，為焊接生產(chǎn)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)，模擬復(fù)雜焊件的焊接軌跡，為焊接生產(chǎn)提供焊接姿態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)，并修正工藝參數(shù)以獲得優(yōu)化的焊接路徑，仿真設(shè)計(jì)的軌跡數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，減少工作站的設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，焊接機(jī)器人的離線編程仿真設(shè)計(jì)對(duì)焊接質(zhì)量提升及優(yōu)化軌跡有重要意義。

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第一作者簡(jiǎn)介：李紅巖（1986-），男，碩士，副教授。研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)。

通信作者：劉星（1986-），女，碩士，講師。研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)。