点焊机器人仿真模拟分析

1、天津福臻点焊机器人仿真模拟分析ADS-0325主题：以统计分析的方法，对机器人仿真的结果进行优化。机器人仿真模拟是概念设计阶段，对机器人工作站进行工艺方案设计时，所采用的一种手段或者表达方法。仿真软件能够做到的是：通过对机器人各轴运动范围的限制，定义工具的可达范围，通过干涉检查功能避免干涉产生。通过补间方式及速度参数的设置核查动作时间乃至输出离线编程所需要的代码文件。三维动画的视觉效果给人以直观的感觉。然而这些仅能说明可达，并不能说明合理或者最优。机器人工作站方案设计的目的是针对产品的工艺需求，将机器人、工具、工装这三个设备形成最佳的组合与布置。仅能够说明可达的手段不足以实现要达到的目的。连续

2、播放三维动画的任一瞬时，所展现的只是运动过程中的某一姿态。满足所有姿态的最佳组合与布置，在缺少必要的数据统计或者表达方法的情况下，仅能凭记忆中的想象结合经验作出判断，这说明了手段上的欠缺。所以有必要通过统计分析的方法，对机器人仿真的结果进行优化。如果对机器人的每一个姿态，进行综合描述，所呈现出的是离散性的分布。离散度的减小以及将分布中值点调整至最佳点是对于分布的优化。也就是达到形成最佳组合与布置目的手段。一、方案设计时需要重点考虑的问题：1）明确工艺操作内容：对于由多台机器人组成的生产线或者工作站而言，存在着工艺操作分工的问题。在全部工艺操作要求中，重点关注不易于达到的焊点分布与实现方式。将难

3、点分解到每个工位的每个机器人（或操作人），行成初步方案构想。结合装件、搬运、工装等动作时间因素。以各工位动作周期时间均衡为目的，测算出计划分配给每个机器人焊接的数量。在初步方案的基础上，再将其它焊点予以分配。2）机器人选型：a、采用普通型还是下探型机器人；b、机器人的运动范围，必要时采用行走外部轴或者夹具运动。c、机器人的搬运能力。是指如果工具重心在以六轴中心为圆心，以一定数值为半径，在工具安装侧行程的半球范围内，机器人仍能够在其可达范围内达到额定速度时，所能承受的最大重量。如果重心超出半球范围，仍要达到额定速度，则可搬重量必须降低。如果重心超出半球，工具重量大于额定重量。则意味着运动速度可能

4、降低，需要进一步分析机器人的负重姿态和五轴的承重方式。3）选择工具（焊枪）：a、焊枪为C型枪还是X型枪。b、焊枪打点姿态，即沿Z轴旋转的角度调整应易于机器人可达。c、焊枪的前部结构（喉深、喉宽、电极头形式、打开行程等）。d、焊枪的后部结构（变压器的安装方式等）。e、确定与机器人六轴安装法兰面的朝向，是决定焊枪姿态变化的重要因素。对于大型焊枪要考虑机器人负重姿态。f、以与TCP点距离近为原则确定BASE点的位置（某些情况为了提高工具可达范围可能有意拉大TCP点与BASE点间距）。g、可能存在更换焊枪、附带小型抓具、GEO Gripper等其它情况。4）机器人与夹具的相对安装位置通常只采用水平放置

5、的姿态，如果需要倾斜、壁挂或吸顶的安装方式，需要机器人供应商提供详细的技术说明。仿真软件的扫描分析功能可以得出满足可达要求的安装范围，条件允许的情况下选择中间点。5）考虑相邻机器人或其他设备对机器人操作过程可能造成的干涉影响。通过优化打点路径的方式，避免等待现象的产生。6）根据仿真模拟的结果，考虑进枪通道狭窄、负重等因素，对机器人的操作时间进行分析计算。7）考虑由机器人控制系统、夹具控制系统构成的机器人工作站组站控制方式。相互连锁信号的数量、内容和传递方式等。8）机器人动力电、控制电、焊接电、冷却水、压缩空气等公用动力需求的供给方式和条件。地面基础的需求，以及控制柜、围栏桥架、电极修磨器。工具

6、放置架等的布置与分工。9）工程化设计时应注意的问题：a、焊接状态以外所需的补间点补间方式，以及由此而产生的相关问题。b、电缆的绕接方式，并由此可能带来的干涉问题。以及电缆的寿命因素。c、满足焊接参数要求的焊枪工程化设计。d、焊枪等工具的确切重量、重心位置与机器人负重能力的校核。e、机器人底座、伺服轨道等辅助设备的工程化设计。二、基本概念和定义以ABB产IRB6600-2.55型机器人的相关参数举例说明1）术语：机器人各轴名称为大写的一轴、二轴六轴，各轴在立面图中的投影点或指定点为小写的1点、2点6点。轴点之间的连接线命名为23线、35线、15线等。TCP点不是投影点而是空间点。以5点为起点，以

7、56点连线定义方向和长度的矢量为。以5点为起点，以5点与TCP点连线定义方向和长度的矢量为。过TCP点作垂线，垂足为R点。用T5R描述工具。机器人简图表示法2）机器人各轴的作用：一、二、三轴的旋转组合负责工具点（5点）的位置可达；四五六轴的旋转组合负责调整工具姿态。假定一二三轴不动，只旋转四五六轴，工具始终绕5点旋转，所以5点是两个组合分工的分界点。一般的应用中，工具的姿态变化以六轴为主实现，四、五轴组合起辅助作用。另外四五轴的组合实现15线与56形成的空间角度。3）机器人的5点运动范围：机器人5点立面运动范围曲线（如图）是根据二、三轴角度范围23线，35线长度绘制出来的。曲线上每段圆弧的弧度

8、是二轴或三轴的角度允许变化范围。曲线上任一点是5点可达的极限位置，曲线包容的范围内5点均可达。以曲线外轮廓为草图，以一轴为轴进行圆周扫掠而行成的立体空间是5点可达的立体范围（一轴运动范围为±180°）。形成5点在空间某一位置可能存在一、二、三轴的多种组合方式如下图：唯一组合两种组合三种组合四种组合一轴旋转任何角度均满足多种组合意味着由前一位置到达现在位置有多种补间方式，应以姿态优美避免干涉为优先进行人工判断。4)四、五、六轴组合：对于空间的任意姿态，四、五、六轴的组合只存在两种组合方式，如图工具初始姿态。R05T0到最终姿态R25T3，有两种转法： 五轴转°，四轴

9、转°，六轴转°，合计：°+°+°。 五轴转-°，四轴转180°-°，六轴转180°-°，合计：360°-（°+°+°）。两种组合方式是以选项的方式体现在模拟软件中。乘以之前叙述的一、二、三轴组合的多种情况，满足机器人可达要求的六轴组合，可能会有2、4、6、8无穷多种情况。四轴、六轴角度运动范围是-300°，300°，对节省机器人运动时间和提高电缆使用寿命是大有益处的。但在仿真程序中四、六轴角度数值通常在-180°，180

10、76;之间。只有在补间运动时才发挥作用，因此离线编程时，应充分注意。5）工具姿态的分布：将T5R代表的焊枪插入到每一个焊点，会得出所有焊枪的位置与姿态分布。不考虑位置仅考虑姿态，将图中所有T5R的5点通过平移的方式，重合在一起得到焊枪姿态的分布。这种做法相当于，将机器人的一、二、三轴看做是沿世界坐标系坐标轴移动的轴。适合手工焊枪的吊挂系统，对于点焊机器人是不适合的。机器人的一、二、三轴组合定义的是三维球坐标系。安装位置被确定后，对于每个焊接姿态，一、二、三轴组合形成5点到达时，35线就已经与机器人坐标系轴形成了空间夹角。四、五、六轴组合在形成焊枪姿态的过程中，又调整了的方向。所以焊枪姿态相对于

11、机器人坐标系的分布应理解为如下：依次地将每一个焊接姿态，保持四、五、六轴不动，将一、二、三轴调整到机器人原位，得到的焊枪姿态分布，简称RT分布。6）机器人第六轴的功能：设想机器人所持的工具不是焊枪而是一根针（与56线重合安装）。焊接过程是用针沿焊点Z向刺的话，就不需要六轴的功能。实际的工具是焊枪而不是针。所以六轴的功能就可以孤立出来单独考虑。在RT分布状态进一步地，保持六轴不动，将四、五轴调整到机器人原位，就会得到如图所示的效果：所有姿态的均重合到一起，所有T点均在以R为圆心，以RT为半径的圆弧上，构成了一个扇形锥的形状。在机器人安装位置一定时，扇形锥的大小取决于焊枪的安装方式。7）四五分析图

12、在确定了焊枪的安装尺寸和机器人安装位置后，四五轴角度变化结果以二维表达图的方式直观体现。圆弧方向表达五轴，径向表达四轴。三、根据5点分布图优化机器人的安装位置1）确定机器人的最优姿态和常规应用作业范围机器人的5点运动范围曲线所表达的是机器人理论可以达到的最大运动范围。实际的应用中几乎不会用到如图所示的姿态。至少在焊装车间几乎所有的点焊应用如左图，5点在2点的右前方的一个区域内。少数起搬运动作的机器人会有如右图所示的姿态。 考虑到常用工具（焊枪）体积大，重量大，且在实际的应用中分布广，姿态多等因素。确定机器人最优姿态的条件是：a 在常规应用作业范围的中心位置b 负重能力强c 小范围变化二、三轴角

13、度仍保持上述优点。图示拐点与2点连线，在运动范围内的中点，作为最优姿态的5点。根据23线和35线求得3点，并将机器人调整至最优姿态如图：将最优姿态视为机器人的初始位置姿态（二、三轴转角清零），将二轴的运动范围修定为-，等于23线与85°线的夹角。将三轴的运动范围修定为，等于35线与70°线夹角，等于35线与23线延长线夹角。根据修定后的二、三轴运动范围，重新绘制5点运动范围曲线后，重新获得区域（填充部分）是常规应用作业范围。2）制定优化范围曲线将修定后的二轴、三轴角度范围提取（如右图），将±，分别等分10份，得出±1，±2±10等分线

14、。以-1a0，0a1，-1b0，0b1为二、三轴的运动范围，绘制5点运动范围曲线，并依次类推。最终形成了以不同二、三轴角运动范围定义的不同程度的5点运动范围曲线如图。其中某一个5点运动范围曲线拐点上的机器人姿态是二、三轴均达到极限角度。曲线上的任一点是二轴或三轴的极限角度。有趣的是，每个曲线与图示“拐点”相同的拐点均落在“2点-拐点”的连线上。连线被曲线切割得到的线段又是曲线范围在机器人右侧（作业范围）最大长度。这些都验证了之前对机器人最优姿态，常规作业范围角度等比分配等方法的正确。（顶置式机器人的应用）3）在5点优化分析图中描述5点分布俯视图中描述的1、2、3、4是机器人运动过程中一轴运动角

15、度分布位置，对应的每一个角度位置都存在一个立面图描述的机器人姿态。将1、2、3、4位置以一轴旋转到0位置，便形成了如立面图所示的机器人姿态合成图。仅保留每个姿态的5点，删除其余的线条后，在5点优化分析图中得到了各个姿态5点的分布图。4）分析：通常5点的分布是相对离散的，造成离散性分布的主要原因有三个： 目标点（焊点）的离散性分布客观性存在，除非调整焊点分配方案。 焊枪焊接的姿态（沿Z轴转动调整）受夹具等的制约在仿真模拟初期进行人工优化。 焊枪与机器人的安装存在优化的可能，在后面叙述。离散性分布不可能通过调整机器人安装位置进行优化，所以优化机器人安装位置之前，必须完成离散性分布的优化。焊枪与机器

16、人安装优化方法，之所以在后面叙述，是为了易于理解的需要。不难理解，5点分布如果能为最小的5点运动范围曲线所包容，则说明运动过程中二、三轴角度变化相对均衡，四周可达范围余量均匀，甚至可能优化为小型机器人。通常不使用机器人倾斜安装的方式，所以只采取上下左右移动的办法进行调整。以得到最小包容曲线为目的，移动的数值是机器人安装位置需要调整的数值。四、根据15线布置图优化机器人安装角度在机器人俯视图中描述所有焊接姿态，15线的布置，即一轴转角线。根据最大最小转角求出中值线。中值线与0°线的夹角是机器人安装角度的优化值。在确认水、电、气、桥架等连接条件的情况下，优化机器人初始安装角度。五、焊枪安

17、装方式的优化四、五、六轴组合运动形成了焊枪姿态在机器人坐标系中的RT分布。由前述可知，所有的焊枪姿态均以、两个矢量进行表达。同时基点统一在了5点。如果焊枪安装圆法兰设置不当，会造成六轴功能不能充分发挥。导致四、五、六轴运动行程增大，所以采取程序统计计算的方法予以优化。方法如下：1）在RT分布中按照排列组合的顺序，选取两个焊枪姿态。2）根据一次旋转实现刚体姿态的空间变化，计算出两个焊枪姿态之间的一次旋转轴，并以此修订。3）重新计算达到每个焊接姿态，四、五、六轴需要转过的角度。（根据焊接次序，以+为小值判断四、五、六轴组合形式。4）按照焊接次计算+5）循环14操作步骤，得出所有排列组合情况中，四、

18、五轴转角差值和最小的情况，并由此得出安装法兰方向的优化建议。6）进一步采取循环计算的方法，以减小5点运动范围为目的得出安装点优化方向建议。六、根据四五分析图优化焊枪沿Z轴的转角。初期的仿真模拟，对于焊枪的姿态调整往往不能达到最优。特别对于补焊工位，焊枪沿Z轴旋转余地较大。处理的好则可以使得5点分布集中且四、五轴转动量小。所以在对焊枪姿态优化调整时，应将四五分析图和5点分布图结合起来分析。四五分析图中，对于焊接顺序的描述线可以辅助设计人员，选择恰当的补间方式。在四、五、六轴的两种组合方式中，选择与前一步骤四、五轴转角小的组合方式。另外四轴运动范围-300°，300°中，选择大

19、于180°的使用等。另外点在图中的分布过于离散，或者整体偏，也说明装枪方式有待优化。七、机器人负重分析机器人的二、三、五轴相当于人的肩、肘、腕关节，姿势不同可提起的重量不同。方案设计阶段缺少焊枪的准确重量和重心位置，所以只根据外形尺寸，使用体积代表，并以大、中、小简单区分。坐标系原点表示5点：第四象限：线条偏转角度为与地面的夹角；线条长度与体积关联。第二象限：以点描述的方式，表达三轴承受负载力矩的力臂长度，长度等于35线在地面投影线的长度。第三象限：以点描述的方式表达二轴承受负载的力臂长度，长度等于25线在地面投影线的长度。将上述表达连成一条Pline线得出某一姿态，二、三、五的受力

20、状态的综合表达。八、机器人焊接动作时间计算1）机器人控制时的选项设置补间方式设置：是以工具坐标系进行控制时，位置点之间的运动轨迹要求。a自动补间：从使用角度出发，多数场合只要求机器人所持工具达到具体的目标位置，对于运动轨迹要求并不严格。机器人各轴的回转运动合成为工具的直线运动过程中，工具并非严格按照直线轨迹运动。而是按照机器人默认的控制方式，走出近似直线的运动轨迹。这样工具的运动速度可以大大提高。b直线补间：某些应用（比如弧焊），要求工具行走轨迹必须是直线，各轴转速必须精确匹配，所以工具运动速度较慢。c圆弧补间：要求工具行走轨迹必须是规定的圆弧，同样运动速度较慢。点焊机器人只采用自动补间方式。

21、位置点精度等级设置根据使用要求对于目标位置点精度等级设置非常重要的。某些应用（比如在线检测），要求到位精度非常高，点焊应用显然不需要那么高的精度。由于惯性的影响，对于精度要求高的位置点，机器人自动拟合计算时，会自动延长制动距离，当然制动时间也会增加。点焊应用中只作焊接点和补间点两种精度等级划分。速度或时间要求设置实际的应用中可能对每个补间过程的速度或时间要求不一样，所以需要对每个步骤进行参数设置。设置方式通常为两种：最高速度设置或运动时间要求设置。控制程序根据要求自行匹配加减速度时间段。要求与实际情况往往存在差异。比如：很短的距离要求很高的速度，速度还没达到就要开始减速了。又如：机器人负重过大，要求速度高，造成驱动电机过载等。2）运动时间计算机器人各轴的极限转速（以IRB6600为例）一轴100°/S四轴150°/S二轴90°/S五轴120°/S三轴90°/S六轴190°/S一、二、三轴电机承受的转动惯量大，所以转速低；四、五、六轴电机承受的转动惯量小，所以转速高。一、二、三轴组合形成5点位置变化是运动时间的主导因素；四、五、六轴组合形成工具的姿态变化是次要因素。定5点额定运动速度V=500mm/s，5点空间距离为S，t1=注：方案设计阶段未