基于工裝特征點(diǎn)的機(jī)器人離線(xiàn)仿真模型標(biāo)定方法及應(yīng)用

張世煒 劉文帥 林方平 張智

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 離線(xiàn)編程 模型標(biāo)定方法 工裝特征點(diǎn) 弧焊

1前言

焊接工藝是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的重要加工手段，而焊接質(zhì)量往往決定產(chǎn)品的可靠性與使用壽命。隨著工業(yè)4.0理念的不斷深化實(shí)踐，目前焊接工藝領(lǐng)域正發(fā)生著一場(chǎng)機(jī)器換人的技術(shù)變革。采用工業(yè)機(jī)器人取代人工進(jìn)行焊接工作，使得焊接質(zhì)量穩(wěn)定，排除以往人工焊接的質(zhì)量批次問(wèn)題，同時(shí)可以幫助企業(yè)積累焊接過(guò)程工藝數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量過(guò)程控制，即焊接質(zhì)量管理轉(zhuǎn)變?yōu)楣芾頇C(jī)器人語(yǔ)言，關(guān)注于機(jī)器人程序的編制、管理和優(yōu)化。

機(jī)器人編程通常可分為在線(xiàn)示教編程和離線(xiàn)編程兩種方式。相比于在線(xiàn)示教編程，離線(xiàn)編程技術(shù)既要能滿(mǎn)足工廠(chǎng)柔性化生產(chǎn)需求，又能縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，減少機(jī)器人等侍浪費(fèi)，還能使得編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境。因此，機(jī)器人離線(xiàn)編程是機(jī)器人應(yīng)用的一大發(fā)展趨勢(shì)。

機(jī)器人離線(xiàn)編程技術(shù)在國(guó)內(nèi)、外乘用車(chē)點(diǎn)焊領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。日本豐田基于MotoMan離線(xiàn)編程系統(tǒng)進(jìn)行噴漆和點(diǎn)焊編程工作，以及部分點(diǎn)位的焊接姿態(tài)和焊接參數(shù)局部調(diào)整，有效地縮短了現(xiàn)場(chǎng)示教時(shí)間。成正勇等采用TECNOMATIX離線(xiàn)編程軟件對(duì)機(jī)器人點(diǎn)焊臺(tái)位進(jìn)行虛擬環(huán)境搭建并完成了機(jī)器人路徑編輯與仿真，滿(mǎn)足離線(xiàn)編程需求。然而，弧焊領(lǐng)域仍處于研究階段。何廣忠等采用了在Solidworks上開(kāi)發(fā)機(jī)器人弧焊離線(xiàn)編程系統(tǒng)的方法，一定程度上提高了計(jì)算機(jī)輔助編程能力。郭吉昌等進(jìn)行了基于UG可視化平臺(tái)的離線(xiàn)編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，為今后實(shí)現(xiàn)功能更全面的離線(xiàn)編程仿真系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

在專(zhuān)用車(chē)焊接領(lǐng)域，機(jī)器人離線(xiàn)編程技術(shù)在弧焊焊接領(lǐng)域仍未有成熟的解決方案。本文利用FANUC機(jī)器人的離線(xiàn)編程軟件和硬件平臺(tái)，首次在專(zhuān)用車(chē)焊接領(lǐng)域成功實(shí)施離線(xiàn)編程和仿真技術(shù)，提出一種快速方便的仿真模型標(biāo)定方法，有效縮短仿真技術(shù)實(shí)施時(shí)間，并提高離線(xiàn)編程點(diǎn)位精度，盡可能縮短現(xiàn)場(chǎng)焊接位置的局部調(diào)整工作量。本文所確立的離線(xiàn)仿真模型標(biāo)定方法可指導(dǎo)離線(xiàn)編程技術(shù)在專(zhuān)用車(chē)焊接領(lǐng)域的應(yīng)用。

2離線(xiàn)編程仿真技術(shù)路線(xiàn)分析

本文基于FANUC弧焊機(jī)器人及FANUCRoboguide離線(xiàn)編程仿真軟件，探索離線(xiàn)編程在弧焊機(jī)器人上的應(yīng)用，其技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。利用商業(yè)化離線(xiàn)編程系統(tǒng)成熟的仿真環(huán)境建模、焊接工藝規(guī)劃、工藝過(guò)程仿真、程序生成應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)使用功能。理想情況下，只要在虛擬世界中完成調(diào)試、仿真，即可得到用于實(shí)際生產(chǎn)的機(jī)器人程序。然而，由于實(shí)際焊接模型并不與仿真所用的理想模型一致，仍需占用現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)試。

定義價(jià)值函數(shù)所占用的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間的降低率為降低率與該技術(shù)帶來(lái)的價(jià)值呈線(xiàn)性關(guān)系。假如某產(chǎn)品節(jié)拍為30min.采用傳統(tǒng)人工示教需要占用現(xiàn)場(chǎng)4h。則因現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致的產(chǎn)能損失為8件（占用時(shí)間除以產(chǎn)品節(jié)拍）。如果能通過(guò)該技術(shù)降低90%的現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間，則產(chǎn)能損失減低7.2個(gè)（原產(chǎn)能損失乘以降低率）。通過(guò)技術(shù)路線(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，模型標(biāo)定是為了保證機(jī)器人系統(tǒng)的圖形工作單元模型與機(jī)器人實(shí)際環(huán)境工作單元模型一致性，是影響離線(xiàn)編程仿真出的程序與實(shí)際工件位置偏差的關(guān)鍵步驟。

因此，為了使得編程結(jié)果很好符合實(shí)際情況，并得到真正的應(yīng)用，標(biāo)定技術(shù)成為弧焊離線(xiàn)編程實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題。

3基于工裝特征點(diǎn)的模型標(biāo)定方法

機(jī)器人焊接系統(tǒng)的誤差相關(guān)坐標(biāo)系如圖2所示?；趫D2的機(jī)器人焊接系統(tǒng)誤差分析如表1所示。實(shí)際模型與仿真模型的誤差由四部分組成，分別為機(jī)器人本體標(biāo)定誤差、設(shè)備安裝誤差、工件定位誤差和工件拼裝誤差。

機(jī)器人本體標(biāo)定誤差由機(jī)器人工具坐標(biāo)系和機(jī)器人世界坐標(biāo)系之間的偏差組成。對(duì)于機(jī)器人本體標(biāo)定，Roboguide軟件提供FANUC所有型號(hào)機(jī)器人的三維數(shù)模、關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)仿真模型，模型精度可保證1mm之內(nèi)。工件定位誤差由變位機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系和工件基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的偏差組成。此誤差可以通過(guò)工裝夾具的夾持精度來(lái)保證。工件拼裝誤差由工件基準(zhǔn)坐標(biāo)系和工件焊縫位置基坐標(biāo)系之間的偏差組成。此誤差可通過(guò)前一工序的工裝控制，且焊接前的尋位步驟也能很好容納工件的尺寸誤差。設(shè)備安裝誤差由機(jī)器人世界坐標(biāo)系和變位機(jī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的偏差組成。此誤差需要對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定來(lái)消除，即控制變位機(jī)與機(jī)器人本體的相對(duì)位置誤差便成為了標(biāo)定的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方式采用測(cè)量設(shè)備，如三坐標(biāo)儀等進(jìn)行測(cè)量，分別確定機(jī)器人或變位機(jī)相對(duì)于地面的坐標(biāo)，然后分別在仿真環(huán)境中進(jìn)行建模。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于建模精度高，可以逐步逐次完善仿真模型，缺點(diǎn)在于建模成本高、周期長(zhǎng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備法建模，現(xiàn)提出一種基于工裝特征點(diǎn)的建模方法。

基于工裝特征點(diǎn)的建模方法是利用現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人工具坐標(biāo)系（TooIFrame）和世界坐標(biāo)系（UFrame）作為工具，測(cè)量實(shí)際工裝特征點(diǎn)在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，從而確定仿真環(huán)境中機(jī)器人和工裝的相對(duì)位置?？紤]到工件是安裝在變位機(jī)的定位工裝上，這直接決定了工件的實(shí)際位置，因而選擇加工精度高的定位工裝作為標(biāo)定物是合理的。另外，由于直接選用定位工裝作為標(biāo)定對(duì)象，這既降低了對(duì)中間標(biāo)定物（如變位機(jī)）的尺寸精度要求，又避免了冗長(zhǎng)的標(biāo)定鏈所帶來(lái)的誤差積累問(wèn)題。因此標(biāo)定的工裝特征點(diǎn)為工裝上的定位點(diǎn)和定位面，通過(guò)該點(diǎn)和該面可以建立工件與工裝之間的相對(duì)位置關(guān)系。具體實(shí)施過(guò)程如下：

a.真實(shí)環(huán)境中，以焊絲端點(diǎn)（TCP點(diǎn)，千絲長(zhǎng)16mm）作為測(cè)量工具，測(cè)量工裝上特征點(diǎn)在機(jī)器人世界坐標(biāo)系列中的坐標(biāo)值。定義獲取坐標(biāo)值為P（P為坐標(biāo)值，R是機(jī)器人世界坐標(biāo)系）。

b.仿真環(huán)境中，以變位機(jī)或者工裝特征點(diǎn)為基準(zhǔn)，可以獲取同一工裝特征點(diǎn)，該工裝特征點(diǎn)相對(duì)于仿真環(huán)境坐標(biāo)值為P。

c.可知P=P×R，已知P和P，可以反求出R，即機(jī)器人世界坐標(biāo)系原點(diǎn)在仿真環(huán)境中的坐標(biāo)值。

以上方法可在不增加額外設(shè)備的前提下，快速確定機(jī)器人與定位工裝之間的位置關(guān)系，具有成本低、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)。

4案例應(yīng)用

利用工裝特征點(diǎn)的模型標(biāo)定方法，結(jié)合某工廠(chǎng)的焊接工作站進(jìn)行離線(xiàn)編程仿真技術(shù)的落地實(shí)施。該工作站配置一臺(tái)FANUC弧焊機(jī)器人和一個(gè)兩軸變位機(jī)，工件定位工裝位于變位機(jī)的第二軸上。工作站布局和工裝特征如圖3所示。

經(jīng)過(guò)分析，定位工裝是通過(guò)孔定位確定工件與法蘭盤(pán)的位置關(guān)系。圖4所示的定位工裝上平面為工作平面，因此選取該工作平面的四角和工作平面中心作為特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果如下：

通過(guò)對(duì)5個(gè)點(diǎn)的x、y和z值求平均值，可以得到工裝中心點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人世界坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)為：

故可求得工裝的工作平面中點(diǎn)相對(duì)于機(jī)器人世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)值P為（1 403.1，10.3，102.5），設(shè)仿真環(huán)境中該點(diǎn)的世界坐標(biāo)系坐標(biāo)值P為（0，0，0），且方向與機(jī)器人世界坐標(biāo)系方向一致，則機(jī)器人世界坐標(biāo)系在仿真環(huán)境中的坐標(biāo)值R為（-1403.1，-10.3，-102.5），完成仿真模型的標(biāo)定。

完成模型標(biāo)定后，按照離線(xiàn)編程仿真技術(shù)路線(xiàn)，可以依次完成焊接工藝規(guī)劃、工藝過(guò)程仿真、程序應(yīng)用生成和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行。為了分析該技術(shù)的價(jià)值函數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量采用該技術(shù)后現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間占用，并與采用人工示教方式進(jìn)行對(duì)比分析，各工序時(shí)間分解如圖5所示。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，采取該技術(shù)后，價(jià)值函數(shù)=（3.5-1 .5）/3 .5=57%.通過(guò)該技術(shù)可以減少原在線(xiàn)示教時(shí)間的60%左右。現(xiàn)場(chǎng)額外軌跡點(diǎn)的矯正工作主要是起弧點(diǎn)的軌跡矯正，焊縫尋位程序幾乎不需要修改。該部分修正的原因是現(xiàn)場(chǎng)工件拼裝精度與導(dǎo)入仿真環(huán)境中的模型在部分區(qū)域偏差較大所致。如果后續(xù)可進(jìn)一步提高工件拼裝精度，現(xiàn)場(chǎng)示教時(shí)間可進(jìn)一步縮減至1h左右，效率提升高達(dá)70%。

5結(jié)語(yǔ)

本文分析了機(jī)器人焊接系統(tǒng)的誤差來(lái)源及保證措施，得出了設(shè)備安裝誤差需要通過(guò)仿真模型標(biāo)定來(lái)保證的結(jié)論。同時(shí)分析了離線(xiàn)編程仿真的技術(shù)路線(xiàn)，提出了一種基于工裝特征點(diǎn)的離線(xiàn)仿真模型標(biāo)定方法，并結(jié)合專(zhuān)用車(chē)行業(yè)應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了該方法的有效性，且效率至少提升57%.對(duì)行業(yè)的相關(guān)應(yīng)用起到了重要的指導(dǎo)作用。