机器人智能模拟在激光焊接中的应用

【编者按】随着市场竞争的加剧，以及对焊接质量要求的不断提高，提高劳动生产率、降低成本、改善焊接现场的作业环境、实现焊接自动化等要求已成为行业的共识。其中，焊接自动化主要依靠计算机控制，采用机器人技术来实现，可以提高生产效率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量，是焊接技术发展的方向。

一、传统焊接机器人系统介绍

1、传统焊接机器人的工作方式

焊接机器人在现代自动化生产中已得到广泛应用，目前其主要的工作方式为示教再现：操作人员利用示教盒控制机器人运动，使焊接头到达焊接作业所需位置，并记录下各个示教点的位姿数据，随后机器人便可以在“再现”状态下完成这条焊缝的焊接。其中，在线示教编程的过程中必须停止生产作业，而且在没有视觉传感器跟踪的情况下，机器人运动轨迹的精度主要依赖于操作者进行示教时的细致程度及目测精度。

2、示教再现型机器人存在的技术问题

在实际生产应用中，示教再现型机器人存在的主要技术问题：⑴在编程时，机器人系统成为一个相对独立的单元，在整个生产过程中难以实现与其他系统的无缝集成，致使过程繁琐，效率低下;⑵示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂焊缝，难以获得令人满意的示教效果;⑶示教过程中，示教人员容易疲劳，且处在机器人工作的危险环境下;⑷目前，国内焊接件的加工及装配的精度经常达不到机器人开环焊接的要求。

随着焊接机器人在中小批量生产企业中的应用不断扩大，以及焊接作业的复杂程度不断增加，传统的示教编程方式已经很难适应现代焊接生产发展的要求。解决问题的有效途径之一，就是采用离线编程技术，把操作者从在线示教编程中解放出来，并充分发挥焊接机器人的使用效率，提高生产过程的自动化，进一步降低生产成本，提高焊接精度。

二、机器人智能模拟软件系统介绍

机器人智能模拟软件与机器人在实际生产中运行的软件完全一致。因此，通过机器人智能模拟软件可执行仿真，所用均为车间中实际使用的真实机器人程序和配置文件。机器人智能模拟软件的主要功能如下：

CAD导入

机器人智能模拟软件可方便地导入各种主流CAD格式的数据，包括IGES、STEP、VRML、VDAFS、ACIS及CATIA等。机器人程序员可依据这些精确的数据编制精度更高的机器人程序，从而提高产品质量。

AutoPath

AutoPath是机器人智能模拟软件中最为节省时间的功能之一。该功能通过使用待加工零件的CAD模型，仅在数分钟之内便可自动生成跟踪加工曲线所需要的机器人位置(路径)，而这项任务以往通常需要数小时甚至数天。

程序编辑器

程序编辑器(ProgramMaker)可生成机器人程序，使用户能够在Windows环境中离线开发或维护机器人程序，可显著缩短编程时间并改进程序结构。

路径优化

如果机器人程序包含接近歧义点的动作，机器人智能模拟软件可自动检测出来并发出报警，从而防止机器人在实际运行中发生这种现象。仿真监视器是一种用于机器人运动优化的可视工具，红色线条显示可改进之处，以使机器人按照最有效方式运行，可以对TCP速度、加速度、奇异点及轴线等进行优化，从而缩短周期。

Autoreach

Autoreach自动进行可到达性分析，使用十分方便，用户可通过该功能任意移动机器人或工件，直到所有位置均可到达，在数分钟之内便可完成工作单元平面布置验证和优化。

虚拟示教台

虚拟示教台是实际示教台的图形显示，其核心技术是虚拟机器人(VirtualRobot)。从本质上讲，所有可以在实际示教台上进行的工作都可以在虚拟示教台(QuickTeach)上完成，因而是一种非常出色的教学和培训工具。

事件表

事件表是一种用于验证程序的结构与逻辑的理想工具。程序执行期间，可通过该工具直接观察工作单元的I/O状态。可将I/O连接到仿真事件，实现工位内机器人及所有设备的仿真。该功能是一种十分理想的调试工具。

碰撞检测

碰撞检测功能可避免设备碰撞造成的严重损失。选定检测对象后，机器人智能模拟软件可自动监测并显示程序执行时这些对象是否会发生碰撞。

VB应用程序

该系统可采用VB应用程序(VisualBasicforApplications)改进和扩充机器人智能模拟软件功能，根据用户具体需要开发功能强大的外接插件、宏，或定制用户界面。

PowerPac’s

通过进行一系列基于机器人智能模拟软件的应用开发，使机器人智能模拟软件能够更好地适用于弧焊、弯板机管理(BendWizard)、点焊、绝对精度(CalibWare)以及叶片研磨等应用。

直接上传和下载

整个机器人程序无需任何转换便可直接下载到实际机器人系统。

三、机器人智能模拟软件的应用

1、机器人光纤激光加工系统

机器人光纤激光加工系统主要是由光纤激光器、机器人(本体和控制柜)、水冷系统、光束传输系统、激光头和工件装夹系统组成。

该系统中激光器采用光纤激光器，机器人为六轴联动高精度机器人，装有安全开关。借助于示教盒上的安全开关，示教过程中脱手或握力过大都会关掉伺服，使机器人停止，因此可安全地操作。激光柔性加工系统一般包括控制用计算机或者PLC、激光器、机械运动装置或机器人、光纤传送和光束变换装置及其他辅助设施。这是一种设备相对不多，但对其精度、实时性、安全性、集成度要求较高的精密控制系统。

2、机器人智能模拟软件仿真及离线编程步骤

⑴创建工作站。

⑵根据项目/系统要求，利用机器人智能模拟软件的建模功能创建模型，或直接导入已设计方案中的模型。

⑶创建机器人系统。在模型库中添加适当型号的机器人，放入创建好的工作站中。

⑷导入工具(激光焊接头)，为工具设定本地原点，设定本地原点的方向与工作站大地坐标系方向一致。

⑸创建工具坐标系TCP。

⑹创建或导入工件模型，建立工件坐标系。

⑺运动路径仿真。

⑻焊接任务规划。通过人机交互方式，帮助系统进行焊接任务规划，选择焊接顺序，对长焊缝、曲折焊缝的分段处理以及制订焊接工艺等，最后形成简单的待焊焊缝，以一定格式输出给后续模块处理。

⑼焊接路径优化。优先考虑变位机的运动，尽量使焊缝位于平焊位置。根据焊缝姿态和焊枪姿态对机器人的运动进行优化。同时，进行碰撞检测和相邻焊缝之间焊枪姿态和机器人运动速度的圆滑过渡处理。

⑽焊接参数优化。系统根据焊接方法、板厚、坡口形式及焊枪姿态在焊接参数数据库选择焊接参数，或进行编辑、修改或直接输入焊接参数，使系统能够根据焊缝的姿态或者板厚等焊接条件的变化，实时地改变焊接参数，从而获得最佳的焊接效果。

⑾图形仿真。模拟整个焊接过程，检查发生碰撞的可能性及机器人的运动是否合理，并计算机器人的工作循环时间，为离线编程结果的可行性提供参考。

⑿焊接加工文件的自动生成。把规划结果转换成机器人控制柜(MRC)能够识别的语言，生成加工文件。加工文件下载到MRC上，由MRC执行，实现焊接。

3、机器人智能模拟软件仿真与离线编程的优点

⑴路径仿真可用于项目初期的可行性分析，有效提高工作效率，缩短项目研发时间。

⑵可避免项目设计的致命错误，保证系统按期执行。

⑶可在办公室内完成机器人编程，无需中断生产，减少机器人停机时间。

⑷机器人程序可提前准备就绪，提高整体生产效率。

⑸让程序员脱离潜在的危险环境。

⑹一套编程系统可给多台机器人编程，借助机器人智能模拟软件可在不影响生产的前提下执行培训、编程和优化等任务。

⑺能完成示教难以完成的复杂、精确的编程任务。

⑻通过图形编程系统的动画仿真可验证和优化程序，采用后置处理技术将程序输出给车间工作的机器人。

四、结束语

随着计算机三维绘图技术的成功应用，离线编程系统的实践成为现实，它使机器人焊接成为一种便于操作和集成的、具有充分柔性的超级工具，不仅解放了劳动力，提高了生产效率，也为企业带来了巨大的经济效益。

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