离线编程技术在机器人点焊项目中的应用

1、离线编程技术在机器人点焊项目中的应用焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。近年来，汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使机器人生产方式在汽车焊接中获得了大量应用。而汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人成为工业机器人的最主要用户。汽车工业中车身焊装的主要工序是点焊和弧焊，据统计点焊占95%。随着焊接机器人的大量应用，各厂商面临着如何提高其工作效率

2、和使其发挥更大的作用的问题，而机器人的灵活性和智能性很大程度上取决于机器人的编程能力，在这种需求下，机器人离线编程技术得到了发展和完善，目前机器人离线编程技术由于其具有编程不影响机器人工作并可通过仿真试验程序以及能够实现复杂运动轨迹的编程等诸多优点，以及成为机器人研究领域的一大热点。本文总结了离线编程技术在首钢莫托曼机器人有限公司点焊项目中的应用。离线编程技术推广之前，首钢莫托曼公司点焊项目的程序编制和示教工作都在现场进行，包括工具尖端点校准、程序流程编制、干涉区设置、再现检验、测试节拍等，而这些工作是一个循环往复、不断优化的过程，尤其在多台机器人协同作业的工作站，这样的作业模式占用了大量调试

3、时间。为解决这一问题，首钢莫托曼公司从05年开始研究离线编程技术，以后逐步应用到具体项目之中，通过不断积累经验，完善提高，使这一技术日趋成熟。具体应用从点焊项目的前期准备到具体实施，离线编程技术就在发挥着重要的作用，具体应用如下：1、 机器人选型和位置离线编程技术能够在资本投资之前，鉴别项目是否可行。首先可以在软件环境中确定项目方案，例如一个工作站需要几台机器人来完成点焊工作，机器人是否需要有行走机构，等等。总体方案确定之后，可以根据焊钳重量、工件大小确定点焊机器人选型。借助仿真软件还可以确定机器人与工件之间的安装位置，包括确定机器人底座高度，机器人与工件之间距离。图1中一台点焊机器人需要兼顾

4、三套工件，在确定夹具位置时，首先打开仿真软件自带的可达性显示功能，图中浅黄色的部分即为机器人可达到的区域，以此为参考初步布置工件位置。当焊钳确定之后，再逐一验证工件上焊点的可达性，确定工件的最终位置。这样的前期工作可靠性很高，不会出现由于机器人和工件位置布置不合理，而造成现场示教时焊点无法达到的事件发生。图1 点焊站布置2、 焊钳选型与焊点可达性验证在离线编程技术出现之前，焊钳的选型和焊点可达性验证都是通过对工具数模的分析，依靠经验来完成的，焊钳通常使用标准件。这样的焊钳选型和可达性验证存在一定的风险，曾经发生过到了客户现场发现焊钳与夹具、工具干涉，焊钳经过反复修改才达到要求。使用离线编程技术

5、之后，这样费时费力的事情就完全避免了。在仿真软件中，我们可以事先验证每一个焊点机器人是否可达，焊钳是否与夹具、工具干涉。如果出现干涉可以对焊钳钳口形状提出修改意见，确定适合不同工件的、专用的非标准焊钳。图2为座椅点焊项目中，为适应工件特制的焊钳。该焊钳的固定极和活动极都经过了反复修改，能够满足该工件所有的焊点需要。图2 焊钳选型3、 路径优化点焊项目中，一台机器人通常需完成约30个焊点的焊接工作，这些焊点很少集中分布在同一区域，机器人一般需要变换几种姿态才能完成整个焊接工作，如何使机器人在尽量少的姿态变化中完成预定工作，同时又能在焊接过程中避让开与相邻机器人的干涉，这就需要设定最优的焊接路径。

6、在现场由于调试时间限制，不可能通过一遍又一遍调整机器人打点顺序来寻找最优路径，而在计算机中使用离线编程技术来优化焊接路径变得容易了许多。在计算机软件中可以直观的了解工作站中各台机器人的打点位置，从而安排打点先后顺序，避免两台机器人同时出现在同一区域，造成互相等待耽误节拍。而且这些工作在机器人达到现场之前完成，有充足的时间反复尝试，以实现最优。图3为白车身地板线焊接时的焊接顺序图，这是考虑了相邻机器人打点位置后得出的优化路线。有了这样的路径图做指导，对示教人员了解焊接顺序，提高示教效率有很大的帮助。图3 焊接路径图4、 干涉区设置对于白车身点焊，一个工作站内通常有4台甚至更多台机器人。同时工作时

7、机器人之间的干涉很难避免。如图4所示，当机器人1和机器人2同时进行B立柱焊接时，两台机器人会发生干涉。通过路径优化，使机器人2先通过干涉区，这样机器人1和机器人2同时工作时不会发生干涉。但是当机器人2在工作中发生故障停在了干涉区中，这样后进入干涉区的机器人1就会与机器人2发生碰撞，发生事故。因此，通过优化路径可以节约生产节拍，而机器人之间的安全性就需要通过干涉区设置来保障。而且当机器人比较多，焊点分布区域广时，有的干涉区不能通过路径优化避免，而必须其中一台机器人等待，在这些情况下干涉区设置成为点焊项目调试中不可或缺的环节。在离线编程技术使用之前，干涉区由示教人员在现场设置，存在干涉区设置不规范

8、，格式不统一等问题。使用离线技术之后，点焊项目干涉区的设置由离线编程人员在仿真软件中使用统一格式完成，并经过反复验证，既保证了机器人之间的安全，又做到路径最佳。机器人1干涉区干涉区机器人2图4 机器人的干涉区5、编写程序离线编程技术的一大特点就是在离线的环境下，生成机器人程序。与在线编程相比，离线编程具有：减少机器人停机时间、使编程者远离危险的工作环境和便于修改机器人程序等优点。而且随着离线编程技术的发展，仿真软件在离线时可以直接生成点焊命令和点焊的各个参数，包括：间隙文件序号、伺服焊钳序号、压力条件文件序号、焊接条件序号、焊机启动时序、焊接条件组输出，节省了现场输入这些参数的时间。图5为离线

9、程序的生成过程，图中左上角的对话框显示机器人的动作姿态，可以通过六个轴的脉冲值或者工具尖端点的空间坐标值来显示。通过调整脉冲值或者坐标值，能够使机器人达到需要的姿态，完成预定的工作。图中左下的对话框用INFORM语言记录移动命令和此时的脉冲值，由此生成机器人程序。图5 离线程序的生成6、预测节拍运行离线程序时，仿真软件能够记录机器人的运动时间，如图6所示。与实际情况比较，软件中运动时间的误差小于5%。在离线技术出现之前，往往只能通过焊点数目估算机器人的动作节拍，这样带来误差比较大，而使用离线编程技术预测节拍对把握整个生产节奏，预测产量很有帮助。图6 运动时间显示7、在线应用编写离线程序的最终目

10、的是在线应用，在线使用离线程序面临的主要问题是安装误差对程序精度的影响。现场安装与图纸一致时，离线程序可以直接使用。如果现场机器人与工具的相对位置与安装图纸差距较大时，离线程序不能直接使用，需要找出安装误差的数值，以此对点焊程序进行平移校准，对平移校准后的程序进行微调后即可使用。在线使用离线程序最大的优点在于离线编程的整体规划性。在整体上把握点焊机器人的路径，姿态和干涉区之后可以提高示教质量，节约现场示教时间，提高示教的工作效率。据首钢莫托曼公司最近的几个大型项目统计，使用离线程序示教，与以往现场示教相比，平均节约80%的示教时间。结语借助离线编程技术，技术人员可以在软件环境中合理分配工艺，模拟焊钳选