基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站仿真設(shè)計(jì)

摘 ?要：文章以真實(shí)生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站為研究對(duì)象，利用三維軟件UG和ABB機(jī)器人公司RobotStudio軟件的圖形化編程方法，設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人焊接工作站并進(jìn)行路徑仿真，將工件的三維模型曲線自動(dòng)轉(zhuǎn)化成為工業(yè)機(jī)器人的焊接軌跡，設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑與仿真。該仿真可為真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站設(shè)計(jì)和路徑設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，能夠有效提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：RobotStudio;工業(yè)機(jī)器人;焊接工作站

中圖分類號(hào)：TP242.2 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）23-0118-04

Simulation Design of Industrial Robot Welding Workstation Based on RobotStudio

ZHENG Minghui1，2

（1.College of Mechanical Engineering，Shandong Huayu University of Technology，Dezhou ?253034，China;

2.Dezhou Municipal Key Laboratory of Industrial Robot Control，Dezhou ?253034，China）

Abstract：This pager takes the industrial robot welding workstation on the real production line as the research object，using the graphic programming method of the three-dimensional software UG and the RobotStudio software from ABB Robots company，the industrial robot welding workstation is designed and the path simulation is carried out. The three-dimensional model curve of workpiece is automatically transformed into the welding trajectory of industrial robot，and the motion path and simulation of industrial robot are designed. The simulation can provide a theoretical basis for the design of the real industrial robot welding workstation and itspath design，and can effectively improve the design efficiency.

Keywords：RobotStudio;industrial robot;welding workstation

0 ?引 ?言

工業(yè)自動(dòng)化在企業(yè)生產(chǎn)中要求高效率，以此降低生產(chǎn)成本。花費(fèi)較多時(shí)間在生產(chǎn)線上進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人編程的檢測(cè)或試運(yùn)行不太實(shí)際，因?yàn)橐C(jī)進(jìn)行示教編程。離線編程是指不占用機(jī)器人，使用軟件工具在計(jì)算機(jī)上建模并進(jìn)行編程。離線編程則是意味著在生產(chǎn)線之外進(jìn)行機(jī)器人的編程操作。離線編程避免了示教在線編程導(dǎo)致的生產(chǎn)“停機(jī)”浪費(fèi)的時(shí)間，通過機(jī)器人離線編程方式可以更好地調(diào)試與規(guī)劃?rùn)C(jī)器人工作空間，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。在進(jìn)行機(jī)器人編程時(shí)，離線編程可以同時(shí)創(chuàng)建機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)，在生產(chǎn)制造產(chǎn)品的同時(shí)可以對(duì)機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行編程操作，從而可提前進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)[1-3]。

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站采用圖形化編程方法，根據(jù)三維模型的曲線特征自動(dòng)生成機(jī)器人的運(yùn)行軌跡。此種方法可以節(jié)省時(shí)間、節(jié)省勞動(dòng)力且容易保證軌跡精度。根據(jù)三維模型的曲線特征，利用RobotStudio軟件的“自動(dòng)路徑”功能可以自動(dòng)生成機(jī)器人焊接的運(yùn)行軌跡路徑[4，5]。

1 ?構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人焊接工作站

RobotStudio是機(jī)器人四大家族之一ABB機(jī)器人公司的一款工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，可以用于機(jī)器人單元的建模、離線創(chuàng)建和仿真。RobotStudio允許操作者使用離線（虛擬）控制器和真實(shí)控制器，當(dāng)沒有連接到真實(shí)控制器或在連接到虛擬控制器的情況下使用時(shí)，RobotStudio處于離線模式。

本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人焊接（弧焊）工作站如圖1所示，主要由工業(yè)機(jī)器人（ABB品牌）、控制器、焊機(jī)、焊槍、清槍裝置、保護(hù)氣體設(shè)備、工作臺(tái)、夾具、圍欄、排煙系統(tǒng)等組成。

2 ?模型導(dǎo)入及布局

新建一個(gè)RobotStudio空工作站，導(dǎo)入利用三維造型軟件UG創(chuàng)建的工作臺(tái)、焊機(jī)、排煙系統(tǒng)、清槍裝置等。選擇加載機(jī)器人模型，機(jī)器人模型選擇IRB 1410型號(hào)并選擇“從布局”創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng);加載焊槍工具模型，并安裝到機(jī)器人末端法蘭上。導(dǎo)入焊接工作臺(tái)和焊接工件，模型對(duì)象布局參數(shù)如表1所示。利用“三點(diǎn)法”創(chuàng)建工件坐標(biāo)系Wobj1，導(dǎo)入全部外部幾何模型后，調(diào)整工業(yè)機(jī)器人工作站的位置，最終的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站整體布局如圖2所示。

3 ?焊接任務(wù)與焊接流程

本案例焊接的目標(biāo)是完成如圖3所示焊接工件上表面邊緣曲線的焊接軌跡離線編程。本案例設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站流程是：開始運(yùn)行—工業(yè)機(jī)器人回到機(jī)械原點(diǎn)（安全點(diǎn)）—調(diào)用工業(yè)機(jī)器人焊接程序—工業(yè)機(jī)器人回到機(jī)械原點(diǎn)（安全點(diǎn)）—調(diào)用工業(yè)機(jī)器人清槍程序—工業(yè)機(jī)器人回到機(jī)械原點(diǎn)（安全點(diǎn)）—運(yùn)行結(jié)束。

4 ?創(chuàng)建機(jī)器人焊接自動(dòng)路徑

4.1 ?離線路徑程序

路徑的定義為向機(jī)器人目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)的指令順序，機(jī)器人按照路徑軌跡運(yùn)行。若是工件已有的三維曲線與要?jiǎng)?chuàng)建的路徑一致，可以使用RobotStudio的“自動(dòng)路徑”功能創(chuàng)建路徑。使用“自動(dòng)路徑”命令，沿現(xiàn)有的曲線添加目標(biāo)點(diǎn)和指令完成路徑創(chuàng)建，路徑自動(dòng)生成在機(jī)器人任務(wù)中。本案例工業(yè)機(jī)器人焊接應(yīng)用仿真程序，在工作時(shí)，機(jī)器人需沿著圖3所示的曲面邊緣進(jìn)行焊接，其運(yùn)動(dòng)軌跡是三維曲線，采用圖形化編程根據(jù)圖中已有工件的三維模型直接生成工業(yè)機(jī)器人焊接運(yùn)動(dòng)軌跡。自動(dòng)路徑功能可以根據(jù)已有曲線或者工件表面的邊緣創(chuàng)建路徑。首先讓機(jī)器人回到機(jī)械原點(diǎn)，設(shè)置好運(yùn)動(dòng)指令參數(shù)，在基本功能選項(xiàng)卡中選擇“路徑”—“自動(dòng)路徑”創(chuàng)建離線軌跡曲線Path_10，依次選擇圖3所示的焊接工件上表面邊緣曲線的焊接軌跡離線編程，并進(jìn)行設(shè)置離線軌跡參數(shù)（最小距離為1，公差為1），從而自動(dòng)生成工業(yè)機(jī)器人焊接離線路徑。如圖4所示工件邊緣的紅色曲線就是所創(chuàng)建的焊接離線路徑曲線Path_10。

4.2 ?目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整

目標(biāo)點(diǎn)是指機(jī)器人要達(dá)到的坐標(biāo)，包含位置、姿態(tài)、配置等信息?！白詣?dòng)路徑”功能已根據(jù)工件邊緣自動(dòng)生成了一條機(jī)器人運(yùn)行軌跡Path_10，但是機(jī)器人暫時(shí)還不能直接按照此條軌跡運(yùn)行，因?yàn)闄C(jī)器人到達(dá)不了程序中部分目標(biāo)點(diǎn)姿態(tài)，還需要進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的調(diào)整，修改目標(biāo)點(diǎn)的姿態(tài)。在調(diào)整目標(biāo)點(diǎn)的過程中，為了方便查看機(jī)器人工具在此姿態(tài)下的效果，可以設(shè)置在目標(biāo)點(diǎn)處顯示機(jī)器人工具。本案例中機(jī)器人難以到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)Target_10，可以改變?cè)撃繕?biāo)點(diǎn)的姿態(tài)，調(diào)整目標(biāo)點(diǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°即可。接著修改其余目標(biāo)點(diǎn)，通過修改Target_10調(diào)整結(jié)果可得知，只需要調(diào)整整個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的X軸方向即可。選中剩余的所有目標(biāo)點(diǎn)，右擊選擇“修改目標(biāo)”，選擇“對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)方向”，參考選擇Target_10，對(duì)準(zhǔn)軸選擇X，鎖定軸選擇Z，這樣就可以將剩余目標(biāo)點(diǎn)X軸方向?qū)?zhǔn)已調(diào)整好姿態(tài)的Target_10的X軸方向，就完成了所有目標(biāo)點(diǎn)的方向調(diào)整。選中所有目標(biāo)點(diǎn)，即可查看到所有目標(biāo)點(diǎn)調(diào)整已完成。

4.3 ?軸配置參數(shù)與優(yōu)化仿真

軸配置是目標(biāo)點(diǎn)定義并存儲(chǔ)為工件坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)。機(jī)器人控制器能夠計(jì)算出當(dāng)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)軸的位置信息，一般會(huì)有多個(gè)解決方案進(jìn)行機(jī)器人軸的配置。機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，可能存在多個(gè)關(guān)節(jié)軸的組合情況，即多種軸配置參數(shù)。在路徑屬性中，可以為目標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整軸配置參數(shù)。機(jī)器人為各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)匹配軸配置參數(shù)，讓機(jī)器人按照運(yùn)動(dòng)指令運(yùn)行。上述步驟完成了自動(dòng)路徑的創(chuàng)建，但是在實(shí)際應(yīng)用中，還需要對(duì)機(jī)器人路徑軌跡進(jìn)行完善和優(yōu)化，保證機(jī)器人在企業(yè)生產(chǎn)過程中的安全生產(chǎn)。本案例主要的完善優(yōu)化配置包括：起始接近點(diǎn)pApproach，相對(duì)于起始點(diǎn)Target_10來說沿著本身Z軸負(fù)方向偏移100 mm，軌跡結(jié)束離開點(diǎn)pDepart，相對(duì)于離開點(diǎn)Target_270（本例自動(dòng)生成的最后一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)）來說沿著本身Z軸負(fù)方向偏移100 mm，加入安全位置PHome點(diǎn)可以為機(jī)器人機(jī)械原點(diǎn)，最后調(diào)整焊接程序的運(yùn)動(dòng)類型、速度等參數(shù)。圖5所示為機(jī)器人焊接軌跡整個(gè)仿真路徑。

5 ?創(chuàng)建機(jī)器人清槍程序

機(jī)器人清槍程序的創(chuàng)建。本案例中清槍流程為：機(jī)器人移動(dòng)到機(jī)器人機(jī)械原點(diǎn)起始點(diǎn)—機(jī)器人移動(dòng)到預(yù)清槍位置—機(jī)器人移動(dòng)到清槍位置—機(jī)器人發(fā)送清槍信號(hào)—等待清槍結(jié)束信號(hào)—機(jī)器人返回機(jī)器人機(jī)械原點(diǎn)。本仿真只是模擬仿真路線，選擇MoveJ、MoveL指令，選擇機(jī)器人機(jī)械原點(diǎn)、清槍上方點(diǎn)、清槍點(diǎn)，后續(xù)如果在真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人的焊接工作站還需進(jìn)行清槍程序添加模擬信號(hào)，目標(biāo)點(diǎn)的調(diào)整等。整個(gè)機(jī)器人焊接仿真路線如圖6所示。

6 ?導(dǎo)出仿真動(dòng)畫及程序

為了方便展示創(chuàng)建的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站，可以利用RobotStudio提供的仿真錄像、錄制視圖功能。錄制前提前設(shè)置好屏幕錄像的相關(guān)參數(shù)與保存路徑，檢查程序Path_10的到達(dá)能力，選中程序，右鍵選擇“到達(dá)能力”。若無問題，在“RAPID”功能選項(xiàng)卡中選擇“同步”中選擇“同步到RAPID”，在“仿真設(shè)定”中“T_ROB1”的運(yùn)行程序選擇Path_10，點(diǎn)擊“播放”開始運(yùn)行Path_10，選擇“錄制視圖”或者“仿真錄像”錄制Path_10程序。創(chuàng)建的程序在RobotStudio軟件的在線模式情況下，可以導(dǎo)入到實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站，進(jìn)行整個(gè)焊接流程的試運(yùn)行;后續(xù)還需要進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)示教、焊接相關(guān)參數(shù)的設(shè)置等工作，才能進(jìn)行工作站的生產(chǎn)運(yùn)行工作。

7 ?結(jié) ?論

文章以真實(shí)生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站為研究對(duì)象，利用UG和RobotStudio的圖形化編程功能，進(jìn)行機(jī)器人焊接工作站的設(shè)計(jì)與路徑仿真。該焊接工作站的設(shè)計(jì)省時(shí)、省力且容易保證軌跡精度，降低生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和調(diào)試成本。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 葉暉.工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用案例精析 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：鄭明輝（1987—），男，漢族，山東曹縣人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)器人技術(shù)，制造業(yè)信息化。