焊接自动化技术现代化的主要标志

焊接自动化技术现代化的主要标志机器人离线编程焊接 摘要 现代自动化技术主要依靠计算机控制技术来实现。焊接生产自动化是焊接 结构生产技术发展的方向。现代焊接自动化技术将在高性能的微机波控焊接电 源基础上发展智能化焊接设备。在现有的焊接机器人基础上发展柔性焊接工作 站和焊接生产线，最终实现焊接计算机集成制造系统 CIMS1。 在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和 保证焊接质量、实现焊接自动化。因此，机器人焊接技术己成为 2l 世纪焊接自 动化技术现代化的主要标志2-5。随着计算机三维绘图技术的成功应用，离线编 程系统成为现实，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。从焊接生产市场竞争的角度来看，焊接生产的柔性化与集成化成为 焊接生产自动化的一个必然趋势6。 焊接机器人在现代生产中已得到广泛的应用，而我国目前应用的焊接机器 人主要依靠示教再现的工作方式。进行在线示教编程的时候必须停止生产作业， 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 者进行示教肘的耐心细致程度以及其目测精度。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。 目前，在国内外生产中应用的机器人系统大多为示教再现型。示教再现型 机器人在实际生产应用中存在的主要技术问题有：机器人的在线示教编程不 但过程繁琐，效率低，占用宝贵的生产时问，而且使机器人系统成为一个相对 独立的单元，难以实现与其他系统或生产过程的无缝集成。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。 示教过程中，示教人员容易疲劳，还处于机器人工作空间的危险环境下。 目 前，国内焊接件的坡口加工及装配的精度经常达不到机器人开环焊接的要求7。 1 机器人离线编程技术 部分地或完全脱离机器人，借助计算机来编制机器人程序，称为离线编程。 离线编程的优点： 1)减少机器人停机时间； 2)让程序员脱离潜在的危险环境； 3)一套编程系统可给多台机器人编程； 4)能完成示教难以完成的复杂、精确的编程任务； 5)通过图形编程系统的动画仿真可验证和优化程序，采用后置处理技术输 出程序到车间工作机器人。 11 机器人离线编程系统组成 图 l 机器人柔性制造离线编程系统，主要由以下 8 个部分组成： 1)三维图形处理。该模块是整个软件的核心，是实现可视化的基础。CAD、 焊接任务规划、图形仿真等都是在三维图形处理的基础上完成的； 2)简易 CAD。例如，长方体、多面体、圆柱等实体的构造，生成三维实体 模型。在使用者不具备三维软件，通过人机交互建立待焊工件的模型，从而能 进行离线编程与仿真； 3)焊缝信息获取。提供与三维 CAD CAM 软件的接口，导入待焊工件、工 装夹具、机器人及工作环境等必要的三维实体模型。并由焊缝信息获取模块抽 取焊缝位置及姿态等三维几何信息，如，焊缝矢量、焊缝起始点坐标、焊缝终 点坐标、焊缝两侧母材的表面法向矢量及板厚等； 4)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； 5)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。然 后根据焊缝姿态结合焊枪姿态优化，对机器人的运动进行优化。优化的同时也 进行碰撞检侧和相邻接焊缝之间焊枪姿态和机器人运动速度的圆滑过渡的处理； 6)焊接参数优化。系统根据焊接方法、板厚、坡口型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； 7)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； 8)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。 图 1 机器人柔性制造离线编程系统 12 机器人离线编程软件 在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界 广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、著名的工业机器人公司： 瑞典的 ABB，日本的 FANUC，德国的 KUKA，意大利 COMAU。瑞典的 ABB， 日本 的 FANUC 焊接软件已能对焊接过程中的物理或化学现象的本质进行分析，进而 通过模拟和计算得到定量的结果，最终达到在焊接过程中使接头不出现缺陷， 而且能够满足规定性能的目的。表 1 为国外的离线编程主流软件。 ABB 机器人公司开发的 RobotStudio 系统是基于 Windows 操作系统的，用 户操作方便。系统中控制图形机器人动作的运动模块和算法采用了实际机器人 控制器中的控制算法，所以图形仿真结果和实际机器人运行结果完全一致，离 线编程器中采用了 ABB 机器人的 RAPID 语言，所以系统可作为机器人操作人员 的训练平台，提高操作人员编程水平。系统为了实现高质量 表 1： 机器