論焊裝數(shù)字化工廠的點(diǎn)焊機(jī)器人離線程序精度提升

陳文剛

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0 前言

數(shù)字化工廠以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過虛擬仿真等技術(shù)，來減少工藝開發(fā)時(shí)間，縮短產(chǎn)品上市周期，降低制造企業(yè)的成本，是現(xiàn)代數(shù)字化制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。

在汽車白車身機(jī)器人焊裝自動線中，如采用機(jī)器人工程師現(xiàn)場進(jìn)行逐點(diǎn)示教白車身焊點(diǎn)的方式，施工周期長，且焊點(diǎn)的位置精度不易保證，容易出現(xiàn)焊點(diǎn)位置與產(chǎn)品設(shè)計(jì)不符、產(chǎn)生焊接飛濺、外觀傷等問題。

為了突破該技術(shù)瓶頸，離線編程作為一種革新技術(shù)被引入到焊裝線開發(fā)。它利用PDPS等仿真軟件在數(shù)字化仿真環(huán)境內(nèi)示教生成所有焊點(diǎn)，形成包含多臺機(jī)器人干涉區(qū)等內(nèi)容在內(nèi)的機(jī)器人焊接程序[1]，并導(dǎo)入生產(chǎn)現(xiàn)場點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)之內(nèi)，繼而執(zhí)行該程序進(jìn)行自動化生產(chǎn)作業(yè)。這一技術(shù)目的是降低機(jī)器人在線調(diào)試周期，同時(shí)提高機(jī)器人作業(yè)時(shí)的位置、姿態(tài)準(zhǔn)確度，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

離線編程技術(shù)應(yīng)用面臨的主要難題是數(shù)字孿生，如何通過虛擬化設(shè)計(jì)指導(dǎo)產(chǎn)線布局，同時(shí)利用實(shí)體車間數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬車間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)和虛擬的無限接近。

本文針對該問題，對普遍用于點(diǎn)焊機(jī)器人離線精度校準(zhǔn)的3種方法進(jìn)行分析和驗(yàn)證，得出離線程序精度≤5 mm的解決方案。

1 現(xiàn)場測量法

工裝夾具在現(xiàn)場安裝完成之后，測量工程師采用三坐標(biāo)測量設(shè)備在現(xiàn)場測出工裝設(shè)備與機(jī)器人相對距離，并將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存為3D模型反導(dǎo)回?cái)?shù)字化虛擬仿真環(huán)境中，然后根據(jù)測量的結(jié)果調(diào)整仿真環(huán)境中機(jī)器人與工裝設(shè)備的相對位置。

三坐標(biāo)測量設(shè)備在測量時(shí)以工裝設(shè)備基準(zhǔn)孔建立白車身坐標(biāo)系，再采集現(xiàn)場機(jī)器人底座的定位孔、機(jī)器人一軸輪廓（A1/A2/A3），將三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為JT文件（西門子開發(fā)的輕型3D模型文件格式），導(dǎo)入到仿真環(huán)境中，再將仿真環(huán)境中的機(jī)器人底座定位孔、機(jī)器人一軸輪廓（B1/B2/B3）與現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，見圖1。

圖1 機(jī)器人擬合示意圖

以實(shí)際生產(chǎn)車間四臺點(diǎn)焊機(jī)器人為對象，利用此方法對仿真環(huán)境進(jìn)行校準(zhǔn)，在仿真環(huán)境中制作包含20個(gè)軌跡點(diǎn)的焊接程序，離線焊接程序?qū)氲浆F(xiàn)場機(jī)器人并運(yùn)行該焊接程序，使用三坐標(biāo)測量設(shè)備探測工裝設(shè)備基準(zhǔn)孔建立白車身坐標(biāo)系，采集20個(gè)軌跡點(diǎn)焊槍靜臂側(cè)電極帽端面中心，對比仿真環(huán)境中焊槍靜臂側(cè)電極帽端面中心與夾具的相對位置，平均誤差如表1所示。

表1 現(xiàn)場測量法離線程序精度平均偏差量

2 現(xiàn)場程序反導(dǎo)法

在未校準(zhǔn)的仿真環(huán)境中離線焊接程，將離線程序?qū)氲浆F(xiàn)場焊接機(jī)器人中，并在白車身鈑件上標(biāo)識焊點(diǎn)的位置（要求標(biāo)識焊點(diǎn)位置與仿真環(huán)境中白車身數(shù)模中焊點(diǎn)位置一致）。機(jī)器人工程師利用程序偏移等功能將離線程序手動示教到標(biāo)識位置，即在產(chǎn)品上標(biāo)注出來的焊點(diǎn)位置。

完成上述步驟后，示教人員將示教好的機(jī)器人焊接程序備份為LS格式文件（發(fā)那科機(jī)器人程序文件），仿真工程師將此程序反導(dǎo)入仿真環(huán)境機(jī)器人中，對比理論位置和實(shí)際位置的相對距離（見圖2），即為焊點(diǎn)理論位置和實(shí)際位置的誤差大小。為縮減這種誤差，可以利用這個(gè)相對距離調(diào)整仿真環(huán)境中機(jī)器人與工裝設(shè)備的相對位置，提升仿真環(huán)境中機(jī)器人與工裝設(shè)備的相對位置與現(xiàn)場的一致性。

圖2 焊點(diǎn)相對位置示意圖

此類誤差包含了空間的角度誤差，故進(jìn)行機(jī)器人位置校準(zhǔn)時(shí)，需采用三點(diǎn)建坐標(biāo)的方法來進(jìn)行位置校準(zhǔn)。即在理論和實(shí)際程序中個(gè)找出三個(gè)相對位置差異比較平均的焊點(diǎn)，然后以此三個(gè)焊點(diǎn)分別創(chuàng)建兩個(gè)坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 理論與實(shí)際程序的焊點(diǎn)創(chuàng)建坐標(biāo)系示意圖

要求所選的三個(gè)焊點(diǎn)所在的位置相隔盡量較遠(yuǎn)，并且構(gòu)成的平面與車身坐標(biāo)所在平面不在同一平面，實(shí)現(xiàn)面的擬合過程。

完成上述步驟之后，機(jī)器人參照這兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行移動，調(diào)整虛擬環(huán)境中機(jī)器人位置，提升仿真環(huán)境中機(jī)器人與工裝設(shè)備的相對位置與現(xiàn)場的一致性。

同樣以實(shí)際生產(chǎn)車間四臺點(diǎn)焊機(jī)器人為對象，機(jī)器人程序反導(dǎo)法進(jìn)行校準(zhǔn)，分別采集四臺機(jī)器人20個(gè)軌跡點(diǎn)進(jìn)行測量，平均誤差如表2所示。

表2 現(xiàn)場程序反導(dǎo)法離線程序精度平均偏差量

3 坐標(biāo)參數(shù)校準(zhǔn)法

前面兩種位置校準(zhǔn)方法基本都是以非計(jì)算或者非測量的方式進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的精度無法得到有效的提高。

坐標(biāo)參數(shù)校準(zhǔn)法是利用測量儀器測量出相關(guān)數(shù)據(jù)，然后使用軟件算出誤差大小的閉環(huán)測算方法[2]。這種方法由于校準(zhǔn)期間都是測量和計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，因此校準(zhǔn)精度相較以上兩種方法有明顯提升。此方法的目的是將離線程序中使用的用戶坐標(biāo)系與現(xiàn)場工裝設(shè)備的車身坐標(biāo)系相關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到位置校準(zhǔn)的目的。

以點(diǎn)焊機(jī)器人為例，仿真工程師根據(jù)仿真環(huán)境中機(jī)器人機(jī)械接口坐標(biāo)系與焊槍工具坐標(biāo)系的相互關(guān)系，確定現(xiàn)場機(jī)器人使用用戶坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系，并在現(xiàn)場機(jī)器人對應(yīng)的用戶坐標(biāo)系號碼工具坐標(biāo)系號碼分別輸入程序調(diào)用的用戶坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系參數(shù)（見圖4）。

圖4 理論坐標(biāo)系參數(shù)

現(xiàn)場工裝設(shè)備安裝完成后，機(jī)器人工程師使用仿真工程師提供的工具坐標(biāo)系驗(yàn)證焊槍工具坐標(biāo)系的工具中心點(diǎn)是否在靜臂側(cè)電極帽端面中心處，如誤差較大，則使用輔助手段校準(zhǔn)工具坐標(biāo)系。

完成工具坐標(biāo)系校核后，機(jī)器人工程師新制作焊接程序，要求焊接程序中的軌跡點(diǎn)使用校核后的焊槍工具坐標(biāo)系。然后在程序中手動示教4個(gè)極坐標(biāo)點(diǎn)。測量工程師使用三坐標(biāo)測量設(shè)備建立工裝設(shè)備的白車身坐標(biāo)系，探測程序各軌跡點(diǎn)時(shí)焊槍靜臂側(cè)電極帽端面中心位置（即TCP），要求機(jī)器人在測量時(shí)需保持上電狀態(tài)。

機(jī)器人示教的4個(gè)極坐標(biāo)點(diǎn)需滿足：每三個(gè)點(diǎn)組成的平面與車身坐標(biāo)平面不平行。從機(jī)器人程序中記錄4個(gè)極坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，如表3所示。

表3 機(jī)器人程序極坐標(biāo)坐標(biāo)值

一一對應(yīng)記錄三坐標(biāo)測量設(shè)備探測的4個(gè)極坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值，如表4所示。

表4 三坐標(biāo)測量設(shè)備探測的坐標(biāo)值

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行原理，機(jī)器人在執(zhí)行軌跡運(yùn)行時(shí)需要用到幾個(gè)主要坐標(biāo)系：基坐標(biāo)系（system frame）、機(jī)械接口坐標(biāo)系（tool frame）、工具坐標(biāo)系（TCP frame）、工件坐標(biāo)系（user frame）、大地坐標(biāo)系（working frame）。這幾個(gè)坐標(biāo)系的相互關(guān)系形成了一個(gè)閉環(huán)計(jì)算，使機(jī)器人的TCP點(diǎn)與程序中的軌跡點(diǎn)重疊。由于程序中記錄的location位置信息是相對于該程序使用的用戶坐標(biāo)系的值，因此上述機(jī)器人記錄的軌跡點(diǎn)（P1、P2、P3、P4）的值是相對于機(jī)器人的基坐標(biāo)系值，而三坐標(biāo)測量出來的值（P1′、P2′、P3′、P4′）則是機(jī)器人TCP點(diǎn)相對于工裝設(shè)備白車身坐標(biāo)系的值。根據(jù)（P1、P2、P3、P4）與（P1′、P2′、P3′、P4′）矢量關(guān)系可得出工裝設(shè)備白車身坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系的相互關(guān)系（見圖5）。

圖5 機(jī)器人坐標(biāo)系

通過軟件算出機(jī)器人與工裝設(shè)備的相對位置關(guān)系后，得出仿真環(huán)境中機(jī)器人離線程序使用的用戶坐標(biāo)系（如表5）。

表5 機(jī)器人離線程序使用的用戶坐標(biāo)系

在仿真環(huán)境中使用軟件換算得到的用戶坐標(biāo)系、校核后的工具坐標(biāo)系制作焊接程序，離線程序?qū)氍F(xiàn)場機(jī)器人，啟用對應(yīng)的用戶坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系。使用三坐標(biāo)測量設(shè)備探測工裝設(shè)備基準(zhǔn)孔建立白車身坐標(biāo)系，采集20個(gè)軌跡點(diǎn)焊槍靜臂側(cè)電極帽端面中心，對比仿真環(huán)境中焊槍靜臂側(cè)電極帽端面中心與夾具的相對位置，平均誤差如表6所示。

表6 坐標(biāo)參數(shù)校準(zhǔn)法離線程序精度平均偏差量

4 校準(zhǔn)過程及結(jié)果分析

（1）根據(jù)實(shí)際操作和仿真環(huán)境對比結(jié)果分析（表1），現(xiàn)場測量法具有測量方法簡單、操作簡便，且可有效提升仿真環(huán)境中機(jī)器人與工裝設(shè)備的相對位置與現(xiàn)場的一致性的優(yōu)點(diǎn)，但該方案存在以下缺點(diǎn)：

1）精度不高，離線程序在現(xiàn)場使用時(shí)仍需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；

2）此項(xiàng)工作需待工裝設(shè)備現(xiàn)場安裝完成后才可以進(jìn)行，與實(shí)際離線程序輸出節(jié)點(diǎn)不對；

3）此方法忽略了機(jī)器人和焊槍的加工誤差以及焊槍安裝誤差，導(dǎo)致離線編程精度偏低。

（2）離線程序反導(dǎo)法操作簡單，無需采用三坐標(biāo)測量設(shè)備。但該方案有以下缺點(diǎn)：

1）采用該方法校準(zhǔn)后，離線程序焊點(diǎn)誤差波動較大（見表2），且無規(guī)律可循。

2）焊點(diǎn)位置標(biāo)識及機(jī)器人示教為人為判斷，存在較大的人工誤差。

3）該方法是以第一個(gè)車型項(xiàng)目為基礎(chǔ)進(jìn)行校準(zhǔn)，只有柔性化生產(chǎn)線的后續(xù)新增車型受益，對新建線體則無法實(shí)施。

（3）坐標(biāo)參數(shù)校準(zhǔn)法綜合考慮了機(jī)器人、焊槍加工誤差及焊槍的安裝誤差，可確保仿真環(huán)境與現(xiàn)場機(jī)器人使用相同的用戶坐標(biāo)系及工具坐標(biāo)系，故離線程序精度比前兩種離線精度高，且離線程序精度≤5 mm。

5 結(jié)論

通過上述三種方法的過程及結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

（1）調(diào)試周期：位置校準(zhǔn)可以有效提高離線程序精度，降低離線焊接程序的二次調(diào)試時(shí)間；

（2）焊接質(zhì)量：高精度的校準(zhǔn)可以有效保證焊接位置點(diǎn)的垂直度，減少毛刺、偏焊、變形等機(jī)器人焊接質(zhì)量問題；

（3）工藝仿真：離線程序校準(zhǔn)提高仿真環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境的一致性，有利于提升仿真的可靠性。

根據(jù)以上三種方法的實(shí)際應(yīng)用對比分析，坐標(biāo)參數(shù)校準(zhǔn)法可快速精確地標(biāo)定工裝設(shè)備與機(jī)器人的相對位置，有效提高點(diǎn)焊機(jī)器人離線程序的精度。

6 結(jié)束語

本文通過對點(diǎn)焊機(jī)器人離線程序精度標(biāo)定中常用的3種方法進(jìn)行分析驗(yàn)證，得出三種方法在實(shí)際應(yīng)用中的應(yīng)用效果。針對點(diǎn)焊機(jī)器人，可通過坐標(biāo)參數(shù)校準(zhǔn)法，將點(diǎn)焊機(jī)器人離線程序精度提升至5mm之內(nèi)，在數(shù)字化工廠應(yīng)用項(xiàng)目中使數(shù)字孿生無限的接近，提高Process Simulate仿真工具輸出的離線程序使用率，有效減少現(xiàn)場機(jī)器人調(diào)試時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和工藝質(zhì)量。