離線編程在車身柔性線調(diào)試中的應(yīng)用研究

陳快 梁國山 滕培欣

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州545000）

1 前言

隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化已成為必須的趨勢，采用機器人焊接是焊接自動化技術(shù)的重要標志。焊接機器人具有通用性強、工作可靠等優(yōu)點，可以提高生產(chǎn)率、改善勞動條件，性能穩(wěn)定從而保證焊接質(zhì)量[1]。

相對于純手工線，機器人柔性焊裝線有著其特殊性和復(fù)雜性，工藝調(diào)試周期長是其面臨的一個難題，經(jīng)常只能利用周末停產(chǎn)的時間進行新車型的導(dǎo)入，而在項目時間緊急的情況下，甚至需要犧牲其他車型的正常生產(chǎn)時間來導(dǎo)入新車型。

針對這一現(xiàn)狀，各種仿真軟件得到了應(yīng)用，如Robcad、Roboguide、RobotStudio 等，它們不僅能完成整條焊裝線的布局仿真，還可以精細地模擬每個工位每臺機器人的工作過程，在仿真軟件運用成熟的今天，它們更重要的意義在于可以通過修正仿真環(huán)境，使仿真環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境達到高度一致，從而利用離線程序?qū)⑿萝囆蛯?dǎo)入生產(chǎn)線，節(jié)省工藝調(diào)試時間[2]。通過研究Roboguide 仿真軟件，探索并驗證修正仿真環(huán)境的方法及離線程序的可靠性和正確性。

2 在線編程

在線編程即使用示教器現(xiàn)場示教機器人焊接軌跡，整個機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制柜、焊接控制器等，在在線編程前，必須先完成機器人與控制柜間的通訊、控制器與機器人間的信號傳輸、機器人焊槍的配置等，然后才能按照焊接工藝上的焊點分布，示教焊接軌跡，在線編程具有以下幾個特點：

a.對于一些不便于觀察的焊點，如地板上的焊點，在示教過程中焊槍容易與零件干涉甚至將零件拉變形；

b.在仿形前，有時并不能準確判斷工藝焊點分配的合理性，可達性和節(jié)拍都需要在調(diào)試完成后才能進行驗證；

c.對于可能存在干涉的機器人，需要等到聯(lián)動運行后才能確認機器人間是否需要設(shè)置干涉等待，當影響到節(jié)拍時還要重新仿形，導(dǎo)致工作的重復(fù)，焊接工藝卡片的變化。

d.對于焊接姿態(tài)較多的情況，為了得到最優(yōu)焊接路徑，通常要花費更多的仿形時間和驗證時間。

e.現(xiàn)場示教操作簡單直接，但難以實現(xiàn)復(fù)雜的運動軌跡，編程員的經(jīng)驗直接影響編程質(zhì)量，編程效率較低[3]。

3 離線編程

相對于在線編程，離線編程即在生產(chǎn)線現(xiàn)場調(diào)試前，利用仿真軟件預(yù)先完成機器人的焊接路徑，同時驗證節(jié)拍，避讓干涉區(qū)并得到最優(yōu)的焊接路徑，克服了在線編程的各種缺點[4]?，F(xiàn)在我們可以很方便地利用Roboguide 仿真軟件對每臺機器人進行離線編程，并且得到離線程序，然而，現(xiàn)場機器人和其他相關(guān)設(shè)備的位置與其在仿真環(huán)境間的位置必然會存在一些偏差，如何去減小和修正這種偏差，保證離線程序?qū)牒蟮玫綕M足要求的準確度是討論的重點。

3.1 偏差的來源

在生產(chǎn)線選取基準點畫線的過程中，由于現(xiàn)場環(huán)境的限制、設(shè)備儀器的精度、人工操作的誤差等原因，使得實際環(huán)境和仿真環(huán)境間難以避免地存在微小偏差，這些偏差主要體現(xiàn)在以下3個方面：

a.生產(chǎn)線工裝安裝的偏差；

b.機器人底座水平度不好；

c.機器人安裝的平行度不好。

在車身生產(chǎn)線中，工裝夾具的位置決定了產(chǎn)品的位置，我們關(guān)注的是機器人與夾具的相對偏差，即可以假設(shè)工裝的位置絕對準確，將所有的偏差認為是來自于機器人安裝精度不夠。

3.2 離線程序的應(yīng)用

在離線程序?qū)氍F(xiàn)場環(huán)境前，需要做如圖1 所示工作。

圖1 工作流程

步驟1：確認仿真文件，主要包括確認工裝、產(chǎn)品、焊槍等數(shù)據(jù)的正確性，這是保證后續(xù)工作正確有效的基礎(chǔ)。由仿真文件布置機器人LAYOUT圖，焊槍安裝姿態(tài)等文件，供現(xiàn)場安裝使用。

步驟2：使用離線程序的1 個關(guān)鍵是現(xiàn)場機器人安裝位置與仿真環(huán)境里的布置一致，這就需要在2 個方向上保證機器人底座的安裝精度。

a.底座上表面的水平度可以用水平儀進行測量，通過在底座與地面連接處增加墊片的方式調(diào)整水平度。

b.底座與工裝夾具的平行度在底座安裝完成后利用激光檢測儀，以夾具為基礎(chǔ)進行檢測，如圖2 所示。

機器人底座檢測校正后，會對其進行螺栓堅固，再將機器人放置到底座上。

步驟3：將路徑程序從Roboguide仿真軟件里導(dǎo)出。

步驟4：將離線程序?qū)雽嶋H環(huán)境，驗證是否有偏差，經(jīng)過前面對機器人底座的測量與校正，機器人的安裝已具有一定的精度，這時如果還有偏差，由于機器人底座已用化學(xué)螺栓緊固，機器人也已就位，則需要通過修正仿真環(huán)境，消除離線程序的微小偏差，使其與實際環(huán)境一致，增加離線程序的可用性。

圖2 平行度測量示意

步驟5：由于3 個點即可確定1 個平面，所以在修正仿真環(huán)境時，可利用三點法計算其與實際環(huán)境的偏差，如圖3 所示。Roboguide 軟件中也提供了相應(yīng)的功能。

圖3 三點法測偏差

a.在仿真環(huán)境中選取至少3 個容易識別的點編輯1段路徑程序，即CAL程序，程序名由軟件自動生成，這段程序?qū)⒈槐４嬖谔囟ǖ奈募AMC中；

b.將CAL 程序?qū)氲綄嶋H環(huán)境中，然后示教上一步中所選取的那3 個點，重新保存各個點的信息后，將程序拷回到MC 文件夾中，覆蓋掉先前那段在仿真環(huán)境中得到的CAL 路徑程序；

c.這時在MC 文件夾中出現(xiàn)1 份原始程序和1份修正后的程序，利用Roboguide 中的Calibrate from Touch-Up 功能，自動比較這2 段程序的差異，結(jié)果會以具體的數(shù)值在X、Y、Z、W、P、R 6 個自由度方向上呈現(xiàn)出來，這時只需確認并認可這個結(jié)果就可以方便地糾正仿真環(huán)境中機器人的位置及修正離線程序，使仿真環(huán)境與實際環(huán)境在焊接路徑的最終效果上達到一致。

步驟6：這時即可將離線程序?qū)雽嶋H環(huán)境中，并驗證離線程序的準確度。

4 仿真環(huán)境修正

4.1 仿真環(huán)境的建立

建立一個仿真環(huán)境如圖4 所示，具備工裝、產(chǎn)品數(shù)模、焊點數(shù)模（圖1 中10 個白色圓點）、機器人、焊槍等5 種因素。

圖4 仿真環(huán)境

其中工裝坐標和機器人坐標分別如圖5 和圖6所示。利用這個環(huán)境編寫1 條具有10 個焊點的焊接程序，程序命名為TEST01，焊接路徑如圖7 所示，然后將離線程序?qū)С觥?/p>

圖5 工裝坐標

圖6 機器人坐標

圖7 焊接路徑

4.2 實際環(huán)境

在這里建立1 個環(huán)境模擬實際環(huán)境。如前所述，假設(shè)工裝的位置絕對準確，而機器人的安裝存在偏差，這里將機器人的坐標在沿生產(chǎn)線方向（Roboguide 中體現(xiàn)為Y 向）上偏差1 mm，與生產(chǎn)線在平行度上偏差0.5°，如圖8 所示。

圖8 實際環(huán)境中機器人的坐標

這時將由仿真環(huán)境導(dǎo)出的離線程序TEST01 導(dǎo)入這個實際環(huán)境，得到如圖9 所示的焊接路徑，由圖可以看出，焊接路徑并沒有準確地在有焊點的地方進行打點焊接，說明實際環(huán)境與仿真環(huán)境之間的偏差已經(jīng)影響到離線程序的使用。

圖9 離線程序?qū)雽嶋H環(huán)境

4.3 修正仿真環(huán)境

按照2.2 小節(jié)中所述步驟5，利用三點測量法得到2 段路徑程序，CAL00240_ORIGINAL_POINTS（仿真中的CAL 原始程序）和CAL00240（在實際環(huán)境中校正后的CAL 程序），通過比較2 段程序得到如圖10 所示的偏差值，這個偏差值是Roboguide 軟件自動計算得出的2 個程序間最合理的偏移量。

這里可以選擇糾正工裝的位置或是機器人的位置，由于假設(shè)工裝的位置絕對正確，則需要糾正機器人的位置，在選擇Accept Offset 后，會出現(xiàn)如圖11 所示的選項，勾選TEST01 程序?qū)ζ溥M行偏移，則完成了仿真環(huán)境的修正及程序的修正，這時將修正后的TEST01 文件導(dǎo)入實際環(huán)境中，則得出新的焊接路徑，如圖12 所示，由圖可看出，仿真路徑得到明顯的改善，機器人打點的位置與指定的焊點位置基本重合，滿足焊接要求。

圖10 偏差值

圖11 離線程序糾正

圖12 糾正后的焊接路徑

5 結(jié)論

由以上實驗可以看出，通過在仿真環(huán)境中修正機器人的位置，可以使離線程序成功地導(dǎo)入實際環(huán)境中。這種修正方法經(jīng)過項目機器人仿形工程師驗證，可以取得良好的效果，離線程序具有較高的準確度，可以滿足要求。

離線編程是車身生產(chǎn)線自動化的重要內(nèi)容，是機器人柔性焊裝線工藝調(diào)試的發(fā)展方向。通過研究和分析Roboguide 仿真環(huán)境修正功能，驗證了通過修正仿真環(huán)境，離線程序可以成功地導(dǎo)入實際環(huán)境中，并具有很高的準確度。