離線編程技術(shù)在點焊機器人中的應(yīng)用

  借助離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可以在軟件環(huán)境中合理分配工藝，模擬焊鉗選型和站內(nèi)布局，優(yōu)化焊接順序和干涉區(qū)設(shè)置，預(yù)測生產(chǎn)節(jié)拍等。將技術(shù)難題解決在現(xiàn)場調(diào)試之前，離線編程技術(shù)的應(yīng)用使整個項目的各個環(huán)節(jié)得以并行開展。

  點焊機器人是機電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，主要用于工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域，特別在汽車生產(chǎn)的沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大生產(chǎn)工藝過程中有著廣泛的應(yīng)用。其中，焊裝車間的點焊應(yīng)用最具代表性。

  隨著工業(yè)自動化水平的提高及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，焊接機器人得以快速發(fā)展，同時，機器人離線編程技術(shù)得到了發(fā)展和完善。由于機器人離線編程技術(shù)具有編程不影響機器人工作，并可通過仿真試驗程序以及能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜運動軌跡的編程等諸多優(yōu)點，成為機器人研究領(lǐng)域的一大熱點。

  本文總結(jié)了離線編程技術(shù)在首鋼莫托曼機器人有限公司點焊項目中的應(yīng)用。在離線編程技術(shù)應(yīng)用之前，各廠家點焊項目的程序編制和示教工作通常都在現(xiàn)場進行，包括工具尖端點校準、程序流程編制、干涉區(qū)設(shè)置、再現(xiàn)檢驗和測試節(jié)拍等。而這些工作是一個循環(huán)往復(fù)、不斷優(yōu)化的過程，尤其在多臺機器人協(xié)同作業(yè)的工作站，這樣的作業(yè)模式占用了大量調(diào)試時間。為解決這一問題，首鋼莫托曼從2005年開始研究離線編程技術(shù)，以后逐步應(yīng)用到具體項目之中，通過不斷積累經(jīng)驗，完善提高，使這一技術(shù)日趨成熟。

 具體應(yīng)用

  從點焊項目的前期準備到具體實施，離線編程技術(shù)都發(fā)揮著重要作用，具體應(yīng)用如下：

  1.點焊機器人選型和場地布置

  離線編程技術(shù)能在資本投入之前，鑒別項目的可行性。首先離線編程技術(shù)有助于在軟件環(huán)境中確定項目方案，例如依據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及場地空間的要求，確定一個工作站需要幾臺機器人來完成點焊工作、機器人是否需要行走機構(gòu)等。總體方案確定之后，可以根據(jù)焊鉗重量、工件大小確定點焊機器人選型。借助仿真軟件還可以確定機器人與工件之間的安裝位置，包括確定機器人底座高度、機器人與工件之間距離。圖1中一臺點焊機器人需要兼顧三套工件，在確定夾具位置時，首先利用仿真軟件自帶的可達性顯示功能，圖中淺黃色的部分即為機器人可達到的區(qū)域，以此為參考初步布置工件位置。當焊鉗確定之后，再逐一驗證工件上焊點的可達性，確定工件的最終位置。這樣的前期工作可靠性很高，不會出現(xiàn)由于機器人和工件位置布置不合理，而造成現(xiàn)場示教時焊點無法達到的情況發(fā)生。

 點焊站布置

  2.焊鉗選型與焊點可達性驗證

  在離線編程技術(shù)出現(xiàn)之前，焊鉗的選型和焊點可達性驗證是通過對工件和夾具的數(shù)模進行分析，依靠經(jīng)驗完成的，焊鉗通常使用標準件。這樣的焊鉗選型和焊點可達性驗證存在一定的風險，曾經(jīng)發(fā)生過到了客戶現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)焊鉗與夾具、工件產(chǎn)生干涉的情況，焊鉗需要經(jīng)過反復(fù)修改才能達到要求，導致延誤了交工時間，并需追加更多成本。

  使用離線編程技術(shù)可以有效避免類似情況的發(fā)生。利用仿真軟件，我們可以在訂購焊鉗之前，對每一個焊點和程序過渡點進行可達性和干涉性驗證，當出現(xiàn)干涉情況時，可以非常直觀并有針對性地對焊鉗鉗口形狀、喉深和喉寬等參數(shù)提出修改意見，直至確定出適合工件上所有焊點的專用非標焊鉗。

  座椅點焊項目中為適應(yīng)工件特制的焊鉗。該焊鉗的固定極和活動極經(jīng)過反復(fù)修改和驗證后，能夠滿足該工件所有焊點的需要。

 焊鉗選型

  3.路徑優(yōu)化

  點焊項目中，一臺機器人的焊點很少集中分布在同一區(qū)域，機器人需要通過變換幾種姿態(tài)才能完成全部焊接工作。如何使機器人在盡量少的姿態(tài)變化中完成預(yù)定工作，同時又能在焊接過程中避讓開與相鄰機器人的干涉，這就需要不斷優(yōu)化焊接路徑。在現(xiàn)場由于受到調(diào)試時間和調(diào)試安全性限制，很難通過一次次調(diào)整機器人打點順序來尋找最優(yōu)路徑，而在計算機中使用離線編程技術(shù)來優(yōu)化焊接路徑則變得容易很多。在計算機軟件中可以直觀地了解工作站中各臺機器人的打點位置，從而安排打點先后順序，避免兩臺機器人同時出現(xiàn)在同一區(qū)域，造成互相等待耽誤節(jié)拍。而且這些工作在機器人到達現(xiàn)場之前完成，有充足的時間反復(fù)嘗試，以實現(xiàn)最優(yōu)。圖3為白車身地板線焊接時的焊接順序圖，這是考慮了相鄰機器人打點位置后得出的優(yōu)化路線。有了這樣的路徑圖做指導，對示教人員了解焊接順序，提高示教效率有很大的幫助。

 焊接路徑

  4.干涉區(qū)設(shè)置

  對于白車身點焊，一個工作站內(nèi)通常有4臺甚至更多臺機器人，工作時機器人之間的干涉很難避免。如圖4所示，當機器人1和機器人2同時進行B立柱焊接時，兩臺機器人會發(fā)生干涉。通過路徑優(yōu)化，使機器人2先通過干涉區(qū)，這樣機器人1和機器人2同時工作時不會發(fā)生干涉。但是當機器人2在工作中發(fā)生故障停在干涉區(qū)中時，后進入干涉區(qū)的機器人1就會與機器人2發(fā)生碰撞，發(fā)生事故。因此，通過優(yōu)化路徑可以節(jié)約生產(chǎn)節(jié)拍，而機器人之間的安全性就需要通過干涉區(qū)設(shè)置來保障。尤其是當機器人比較多，焊點分布區(qū)域廣，干涉區(qū)重疊時，有的干涉區(qū)不能通過路徑優(yōu)化避免，而必須讓其中一臺機器人等待，在這些情況下干涉區(qū)設(shè)置成為點焊項目調(diào)試中不可或缺的環(huán)節(jié)。在離線編程技術(shù)使用之前，干涉區(qū)由示教人員在現(xiàn)場設(shè)置，存在干涉區(qū)設(shè)置不規(guī)范、格式不統(tǒng)一等問題。使用離線技術(shù)之后，點焊項目干涉區(qū)的設(shè)置由離線編程人員在仿真軟件中使用統(tǒng)一格式完成，并經(jīng)過反復(fù)驗證，既保證了機器人之間的安全，又做到路徑最佳。

 機器人的干涉區(qū)

  5.編寫程序

  離線編程技術(shù)的一大特點就是在離線的環(huán)境下，生成機器人程序。與在線編程相比，離線編程具有減少機器人停機時間、使編程者遠離危險的工作環(huán)境和便于修改機器人程序等優(yōu)點。而且隨著離線編程技術(shù)的發(fā)展，仿真軟件在離線時可以直接生成點焊命令和點焊的各個參數(shù)，包括間隙文件序號、伺服焊鉗序號、壓力條件文件序號、焊接條件序號、焊機啟動時序和焊接條件組輸出，節(jié)省了現(xiàn)場輸入這些參數(shù)的時間。圖5為離線程序的生成過程，圖中左上角的對話框顯示機器人的動作姿態(tài)，可以通過六個軸的脈沖值或者工具尖端點的空間坐標值來顯示。通過調(diào)整脈沖值或者坐標值，能夠使機器人達到需要的姿態(tài)，完成預(yù)定的工作。圖5中左下的對話框用INFORM語言記錄移動命令和此時的脈沖值，由此生成機器人程序。

 離線程序的生成

  6.預(yù)測節(jié)拍

  運行離線程序時，仿真軟件能夠記錄機器人的運動時間，如圖6所示。與實際情況比較，軟件中運動時間的誤差小于5%。在離線技術(shù)出現(xiàn)之前，往往只能通過焊點數(shù)目估算機器人的動作節(jié)拍，這樣帶來誤差比較大，而使用離線編程技術(shù)預(yù)測節(jié)拍，對把握整個生產(chǎn)節(jié)奏，預(yù)測產(chǎn)量很有幫助。

 運動時間顯示

  7.在線應(yīng)用

編寫離線程序的最終目的是在線應(yīng)用，在線使用離線程序面臨的主要問題是安裝誤差對程序精度的影響。現(xiàn)場安裝與圖紙一致時，離線程序可以直接使用。如果現(xiàn)場機器人與工具的相對位置和安裝圖紙差距較大，離線程序不能直接使用，需要找出安裝誤差的數(shù)值，以此對點焊程序進行平移校準，對平移校準后的程序進行微調(diào)后即可使用。

  在線使用離線程序最大的優(yōu)點在于離線編程的整體規(guī)劃性。在整體上把握點焊機器人的路徑，姿態(tài)和干涉區(qū)之后，可以提高示教質(zhì)量，節(jié)約現(xiàn)場示教時間，提高示教的工作效率。據(jù)首鋼莫托曼對最近幾個大型項目的統(tǒng)計，使用離線程序示教，與以往現(xiàn)場示教相比，平均節(jié)約80%的示教時間。

 結(jié)語

  借助離線編程技術(shù)，技術(shù)人員可以在軟件環(huán)境中合理分配工藝，模擬焊鉗選型和站內(nèi)布局，優(yōu)化焊接順序和干涉區(qū)設(shè)置，預(yù)測生產(chǎn)節(jié)拍等，通過離線編程技術(shù)將技術(shù)難題解決在現(xiàn)場調(diào)試之前，使整個項目的各個環(huán)節(jié)得以并行開展。現(xiàn)場工程師只需將離線程序進行微調(diào)和再現(xiàn)驗證便可投入使用?？朔爽F(xiàn)場示教編程大量占用調(diào)試時間的不足，使程序得以規(guī)范化，提高了現(xiàn)場的調(diào)試速度和針對客戶需求的響應(yīng)速度，提高了項目質(zhì)量。