離線編程技術在點焊機器人中的應用

  借助離線編程技術，技術人員可以在軟件環境中合理分配工藝，模擬焊鉗選型和站內布局，優化焊接順序和干涉區設置，預測生產節拍等。將技術難題解決在現場調試之前，離線編程技術的應用使整個項目的各個環節得以并行開展。

  點焊機器人是機電一體化的高新技術產品，主要用于工業自動化生產領域，特別在汽車生產的沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大生產工藝過程中有著廣泛的應用。其中，焊裝車間的點焊應用最具代表性。

  隨著工業自動化水平的提高及生產規模的不斷擴大，焊接機器人得以快速發展，同時，機器人離線編程技術得到了發展和完善。由于機器人離線編程技術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實現復雜運動軌跡的編程等諸多優點，成為機器人研究領域的一大熱點。

  本文總結了離線編程技術在首鋼莫托曼機器人有限公司點焊項目中的應用。在離線編程技術應用之前，各廠家點焊項目的程序編制和示教工作通常都在現場進行，包括工具尖端點校準、程序流程編制、干涉區設置、再現檢驗和測試節拍等。而這些工作是一個循環往復、不斷優化的過程，尤其在多臺機器人協同作業的工作站，這樣的作業模式占用了大量調試時間。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，以后逐步應用到具體項目之中，通過不斷積累經驗，完善提高，使這一技術日趨成熟。

 具體應用

  從點焊項目的前期準備到具體實施，離線編程技術都發揮著重要作用，具體應用如下：

  1.點焊機器人選型和場地布置

  離線編程技術能在資本投入之前，鑒別項目的可行性。首先離線編程技術有助于在軟件環境中確定項目方案，例如依據生產節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等。總體方案確定之后，可以根據焊鉗重量、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，不會出現由于機器人和工件位置布置不合理，而造成現場示教時焊點無法達到的情況發生。

 點焊站布置

  2.焊鉗選型與焊點可達性驗證

  在離線編程技術出現之前，焊鉗的選型和焊點可達性驗證是通過對工件和夾具的數模進行分析，依靠經驗完成的，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，曾經發生過到了客戶現場發現焊鉗與夾具、工件產生干涉的情況，焊鉗需要經過反復修改才能達到要求，導致延誤了交工時間，并需追加更多成本。

  使用離線編程技術可以有效避免類似情況的發生。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工件特制的焊鉗。該焊鉗的固定極和活動極經過反復修改和驗證后，能夠滿足該工件所有焊點的需要。

 焊鉗選型

  3.路徑優化

  點焊項目中，一臺機器人的焊點很少集中分布在同一區域，機器人需要通過變換幾種姿態才能完成全部焊接工作。如何使機器人在盡量少的姿態變化中完成預定工作，同時又能在焊接過程中避讓開與相鄰機器人的干涉，這就需要不斷優化焊接路徑。在現場由于受到調試時間和調試安全性限制，很難通過一次次調整機器人打點順序來尋找最優路徑，而在計算機中使用離線編程技術來優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在同一區域，造成互相等待耽誤節拍。而且這些工作在機器人到達現場之前完成，有充足的時間反復嘗試，以實現最優。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.干涉區設置

  對于白車身點焊，一個工作站內通常有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，兩臺機器人會發生干涉。通過路徑優化，使機器人2先通過干涉區，這樣機器人1和機器人2同時工作時不會發生干涉。但是當機器人2在工作中發生故障停在干涉區中時，后進入干涉區的機器人1就會與機器人2發生碰撞，發生事故。因此，通過優化路徑可以節約生產節拍，而機器人之間的安全性就需要通過干涉區設置來保障。尤其是當機器人比較多，焊點分布區域廣，干涉區重疊時，有的干涉區不能通過路徑優化避免，而必須讓其中一臺機器人等待，在這些情況下干涉區設置成為點焊項目調試中不可或缺的環節。在離線編程技術使用之前，干涉區由示教人員在現場設置，存在干涉區設置不規范、格式不統一等問題。使用離線技術之后，點焊項目干涉區的設置由離線編程人員在仿真軟件中使用統一格式完成，并經過反復驗證，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

  5.編寫程序

  離線編程技術的一大特點就是在離線的環境下，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境和便于修改機器人程序等優點。而且隨著離線編程技術的發展，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，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，節省了現場輸入這些參數的時間。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，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。通過調整脈沖值或者坐標值，能夠使機器人達到需要的姿態，完成預定的工作。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.預測節拍

  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%。在離線技術出現之前，往往只能通過焊點數目估算機器人的動作節拍，這樣帶來誤差比較大，而使用離線編程技術預測節拍，對把握整個生產節奏，預測產量很有幫助。

 運動時間顯示

  7.在線應用

編寫離線程序的最終目的是在線應用，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。現場安裝與圖紙一致時，離線程序可以直接使用。如果現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后即可使用。

  在線使用離線程序最大的優點在于離線編程的整體規劃性。在整體上把握點焊機器人的路徑，姿態和干涉區之后，可以提高示教質量，節約現場示教時間，提高示教的工作效率。據首鋼莫托曼對最近幾個大型項目的統計，使用離線程序示教，與以往現場示教相比，平均節約80%的示教時間。

 結語

  借助離線編程技術，技術人員可以在軟件環境中合理分配工藝，模擬焊鉗選型和站內布局，優化焊接順序和干涉區設置，預測生產節拍等，通過離線編程技術將技術難題解決在現場調試之前，使整個項目的各個環節得以并行開展。現場工程師只需將離線程序進行微調和再現驗證便可投入使用。克服了現場示教編程大量占用調試時間的不足，使程序得以規范化，提高了現場的調試速度和針對客戶需求的響應速度，提高了項目質量。