点焊机器人仿真模拟解析计划讲解

天津福臻点焊机器人仿真模拟剖析ADS-0325

主题：以统计剖析的方法，对机器人仿真的结果进行优化。

机器人仿真模拟是观点设计阶段，对机器人工作站进行工艺方案设计时，所采纳的一种手段或许表达方法。仿真软件能够做到的是：经过对机器人各轴运动范围的限制，

定义工具的可达范围，经过干预检查功能防止干预产生。经过补间方式及速度参数的设置核查动作时间以致输出离线编程所需要的代码文件。

三维动画的视觉成效给人以直观的感觉。但是这些仅能说明可达，其实不可以说明合理或许最优。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、工装这三个设施形成最正确的组合与部署。仅能够说明可达的手段不足以实现要达到的目

的。连续播放三维动画的任一刹时，所显现的不过运动过程中的某一姿态。知足所有姿态的最正确组合与部署，在缺乏必需的数据统计或许表达方法的状况下，仅能凭记忆中的想象联合经验作出判断，这说了然手段上的短缺。所以有必需经过统计剖析的方法，对机器人仿真的结果进行优化。

假如对机器人的每一个姿态，进行综合描绘，所表现出的是失散性的散布。失散度的减小以及将散布中值点调整至最正确点是关于散布的优化。也就是达到形成最正确组合与部署目的手段。

一、方案设计时需要要点考虑的问题：

1）明确工艺操作内容：

关于由多台机器人构成的生产线或许工作站而言，存在着工艺操作分工的问

题。在所有工艺操作要求中，要点关注不易于达到的焊点散布与实现方式。将难点

分解到每个工位的每个机器人（或操作人），行成初步方案构思。联合装件、搬运、

工装等动作时间要素。以各工位动作周期时间平衡为目的，测算出计区分派给每个

机器人焊接的数目。在初步方案的基础上，再将其余焊点予以分派。

2）机器人选型：

a、采纳一般型仍是下探型机器人；

b、机器人的运动范围，必需时采纳行走外面轴或许夹具运动。

c、机器人的搬运能力。是指假如工具重心在以六轴中心为圆心，以必定数值为半

径，在工具安装侧行程的半球范围内，机器人还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。假如重心高出半球范围，仍要达到额定速度，

则可搬重量一定降低。假如重心高出半球，工具重量大于额定重量。则意味着

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运动速度可能降低，需要进一步剖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型枪仍是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、焊枪的前部构造（喉深、喉宽、电极头形式、翻开行程等）。

d、焊枪的后部构造（变压器的安装方式等）。

e、确立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要素。关于大

型焊枪要考虑机器人负重姿态。

f、以与TCP点距离近为原则确立BASE点的地点（某些状况为了提升工具可达范

围可能存心拉大TCP点与BASE点间距）。

g、可能存在改换焊枪、附加小型抓具、GEOGripper等其余状况。

4）机器人与夹具的相对安装地点

往常只采纳水平搁置的姿态，假如需要倾斜、壁挂或吸顶的安装方式，需要机器人供应商供应详尽的技术说明。

仿真软件的扫描剖析功能能够得出知足可达要求的安装范围，条件同意的状况下选择中间点。

5）考虑相邻机器人或其余设施对机器人操作过程可能造成的干预影响。经过优化打点

路径的方式，防止等候现象的产生。

6）依据仿真模拟的结果，考虑进枪通道狭小、负重等要素，对机器人的操作时间进行

剖析计算。

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。互相连

锁信号的数目、内容和传达方式等。

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应方式和

条件。地面基础的需求，以及控制柜、围栏桥架、电极修磨器。工具搁置架等的部署与分工。

9）工程化设计时应注意的问题：

a、焊接状态之外所需的补间点补间方式，以及由此而产生的有关问题。

b、电缆的绕接方式，并由此可能带来的干预问题。以及电缆的寿命要素。

c、知足焊接参数要求的焊枪工程化设计。

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d、等工具确实切重量、重心地点与机器人重能力的校核。

e、机器人底座、伺服道等助的工程化。

二、基本观点和定

以ABBIRB6600-2.55型机器人的有关参数例明

1）：

机器人各名称大写的一、二⋯⋯六，各在立面中的投影点或指定点

小写的1点、2点⋯⋯6点。点之的接命名23、35、15等。

TCP点不是投影点而是空点。

以5点起点，以56点定方向和度的矢量56。

以5点起点，以5点与TCP点定方向和度的矢量5T。

TCP点作56垂，垂足R点。用△T5R描绘工具。

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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）的地点可达；四五六轴的旋转组

合负责调整工具姿态。假设一二三轴不动，只旋转四五六轴，工具一直绕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、五轴组合起协助作用。

此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）是依据二、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是二

轴或三轴的角度同意变化范围。

曲线上任一点是5点可达的极限

地点，曲线包含的范围内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点在空间某一地点可能存在一、二、

三轴的多种组合方式以下列图：

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独一组合

两种组合

三种组合

四种组合

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一轴旋转任何角度均知足

多种组合意味着由前一地点抵达此刻地点有多种补间方式，应以姿态优美防止干预为优先进行人工判断。

四、五、六轴组合：

关于空间的随意姿态，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到最后姿态△R25T3，有两种转法：

①五轴转β°，四轴转θ°，六轴转α°，共计：β°+θ°+α°。

②五轴转-β°，四轴转180°-θ°，六轴转180°-α°，共计：360°-（β°+θ°+α°）。

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两种组合方式是以选项的方式表此刻模拟软件中。乘以以前表达的一、二、三

轴组合的多种状况，知足机器人可达要求的六轴组合，可能会有2、4、6、8无量

多种状况。

四轴、六轴角度运动范围是［-300°，300°］，对节俭机器人运动时间和提升

电缆使用寿命是大有好处的。但在仿真程序中四、六轴角度数值往常在［-180°，

180°］之间。只有在补间运动时才发挥作用，所以离线编程时，应充分注意。

5）工具姿态的散布：

将△T5R代表的焊枪插入到每一

个焊点，会得出所有焊枪的地点与姿

态散布。

不考虑地点仅考虑姿态，将图中所

有△T5R的5点经过平移的方式，重合

在一同获得焊枪姿态的散布。

这类做法相当于，将机器人的一、

二、三轴看做是沿世界坐标系坐标轴

挪动的轴。合适手工焊枪的悬挂系

统，关于点焊机器人是不合适的。

机器人的一、二、三轴组合定义

的是三维球坐标系。安装地点被确

定后，关于每个焊接姿态，一、二、

三轴组合形成5点抵达时，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56的方

向。所以焊枪姿态有关于机器人坐

标系的散布应理解为以下：

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挨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，获得的焊枪姿态散布，简

称RT散布。

6）机器人第六轴的功能：

假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。实质的工具是焊枪而不是

针。所以六轴的功能就能够孤立出来单

独考虑。在RT散布状态进一步地，保

持六轴不动，将四、五轴调整到机器人

原位，就会获得以下图的成效：

所有姿态的56均重合到一同，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。

在机器人安装地点一准时，扇形锥

的大小取决于焊枪的安装方式。

7）四五剖析图

在确立了焊枪的

安装尺寸和机器人安

装地点后，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。

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三、依据5点散布图优化机器人的安装地点

1）确立机器人的最优姿态和惯例应用作业范围

机器人的5点运动范围曲线

所表达的是机器人理论能够达到

的最大运动范围。实质的应用中

几乎不会用到以下图的姿态。

起码在焊装车间几乎所有的

点焊应用如左图，5点在2点的

右前面的一个地区内。少量起搬

运动作的机器人会犹如右图所示

的姿态。

考虑到常用工具（焊枪）体积大，重量大，且在实质的应用中散布广，姿态多等要素。确立机器人最优姿态的条件是：

a．在惯例应用作业范围的中心地点

b．负重能力强

c．小范围变化二、三轴角度仍保持上述长处。

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。依据23线和35线求得3点，并将机器人调整至最优姿态如图：

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将最姿机器人的初始地点姿（二、三角清零），将二的运范修定［-α，α］，α等于23与85°的角。将三的运范修定［β，θ］，β等于35与70°角，θ等于35与23延角。依据修定后的二、三运范，从头制5点运范曲后，从头得地区（填补部分）是

常用作范。

2）拟订化范曲

将修定后的二、三角度范提

取（如右），将±α，β，θ分等

分10份，得出±1，±2⋯⋯±10平分。

以［∠-1a0，∠0a1］，[∠-1b0，

∠0b1]二、三的运范，制

点运范曲，并挨次推。最形成了以不同二、三角运范

定的不同程度的5点运范曲如。

此中某一个5点运范曲拐点上的机器人姿是二、三均达到极限角度。曲上的任一点是二或三的极限角度。

风趣的是，每个曲与示“拐点”相同的拐点均落在“2点-拐点”的上。被曲切割获得的段又是曲范在机器人右（作范）最大度。

些都了以前机器人最姿，常作范角度等比分派等方法的正确。（置式机器人的用）

3）在5点化剖析中描绘5点散布

俯中描绘的1、2、3、4是机器人运

程中一运角度散布地点，的每

一个角度地点都存在一个立面描绘的机

器人姿。将1、2、3、4地点以一旋

到0地点，便形成了如立面所示的机器人姿合成。

保存每个姿的5点，除其余的

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条后，在5点优化剖析图中获得了各个姿

态5点的散布图。

4）剖析：往常5点的散布是相对失散的，造成失散性散布的主要原由有三个：

①目标点（焊点）的失散性散布——客观性存在，除非调整焊点分派方案。

②焊枪焊接的姿态（沿Z轴转动调整）——受夹具等的限制在仿真模拟早期进

行人工优化。

③焊枪与机器人的安装——存在优化的可能，在后边表达。

失散性散布不行能经过调整机器人安装地点进行优化，所以优化机器人安装地点以前，一定达成失散性散布的优化。焊枪与机器人安装优化方法，之所以在后

面表达，是为了易于理解的需要。

不难理解，5点散布假如能为最小的5点运动范围曲线所包含，则说明运动过程中二、三轴角度变化相对平衡，周围可达范围余量平均，甚至可能优化为小型机器人。

往常不使用机器人倾斜安装的方式，所以只采纳上下左右挪动的方法进行调

整。以获得最小包含曲线为目的，挪动的数值是机器人安装地点需要调整的数值。

四、依据15线部署图优化机器人安装角度

在机器人俯视图中描绘所有焊接姿

态，15线的部署，即一轴转角线。依据最最小大最小转角求出中值线。中值线与0°线的夹角α是机器人安装角度的优化值。在0°线确认水、电、气、桥架等连结条件的状况中值线下，优化机器人初始安装角度。五、焊枪安装方式的优化最大四、五、六轴组合运动形成了焊枪姿态在机器人坐标系中的RT散布。由前述可知，所有的焊枪姿态均以56、5T两个矢量进行表达。同时基点一致在了5点。如Filename:1139143698.docPage11/152009年1月9日天津福臻点焊机器人仿真模拟剖析ADS-0325

果焊枪安装圆法兰设置不妥，会造成六轴功能不可以充散发挥。致使四、五、六轴运

动行程增大，所以采纳程序统计计算的方法予以优化。方法以下：

1）在RT散布中依据摆列组合的次序，选用两个焊枪姿态。

2）依据《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，并以此订正56。

3）从头计算达到每个焊接姿态，四、五、六轴需要转过的角度。（依据焊接次

序，以Δβ+Δθ为小值判断四、五、六轴组合形式。

4）依据焊接次计算ΣΔβ+ΣΔθ

5）循环1～4操作步骤，得出所有摆列组合状况中，四、五轴转角差值和最小

的状况，并由此得出安装法兰方向的优化建议。

6）进一步采纳循环计算的方法，以减小5点运动范围为目的得出安装点优化方

向建议。

六、依据四五剖析图优化焊枪沿Z轴的转角。

早期的仿真模拟，关于焊枪的姿态调整常常不可以达到最优。特别关于补焊工位，焊枪沿Z轴旋转余地较大。办理的好则能够使得5点散布集中且四、五轴转动量小。所以在对焊枪姿态优化调整时，应将四五剖析图和5点散布图联合起来剖析。

四五剖析图中，关于焊接次序的描绘线能够协助设计人员，选择合适的补间方式。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。此外四轴运动范围［-300°，300°］中，选择大于180°的使用等。此外点在图中的散布过于失散，或许整体偏，也说明装枪方式有待优化。

七、机器人负重剖析

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。

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方案设计阶段缺乏焊枪的正确重量和重心地点，所以只依据外形尺寸，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α为56与地面的夹角；线条长度与体积关系。

第二象限：以点描绘的方式，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：以点描绘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

①补间方式设置：是以工具坐标系进行控制时，地点点之间的运动轨迹要求。

a．自动补间：从使用角度出发，多半场合只需求机器人所持工具达到详细的目

标地点，关于运动轨迹要求其实不严格。机器人各轴的展转运动合成为工具的直线运动过程中，工具并不是严格依据直线轨迹运动。而是依据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能够大大提升。

b．直线补间：某些应用（比方弧焊），要求工具行走轨迹一定是直线，各轴转Filename:1139143698.docPage13/152009年1月9日天津福臻点焊机器人仿真模拟剖析ADS-0325

速一定精准般配，所以工具运动速度较慢。

c．圆弧补间：要求工具行走轨迹一定是规定的圆弧，相同运动速度较慢。点焊

机器人只采纳自动补间方式。

②地点点精度等级设置

依据使用要求关于目标地点点精度等级设置特别重要的。某些应用（比方在线检测），要求到位精度特别高，点焊应用明显不需要那么高的精度。因为惯性的影响，关于精度要求高的地点点，机器人自动拟共计算时，会自动延伸制动距离，自然制动时间也会增添。点焊应用中只作焊接点和补间点两种精度等级区分。

③速度或时间要求设置

实质的应用中可能对每个补间过程的速度或时间要求不相同，所以需要对每个步骤进行参数设置。设置方式往常为两种：最高速度设置或运动时间要求设置。控制程序依据要求自行般配加减速度时间段。

要求与实质状况常常存在差别。比方：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点地点变化是运动时间的主导要素；四、五、六轴组合形成工具的姿态变化是次要要素。

定5点额定运动速度V=