基于CAD 的離線仿真編程焊接機器人生產(chǎn)線設(shè)計分析

賀鑫鑫， 雷同飛， 王瑞龍

（西京學(xué)院 機械工程學(xué)院， 陜西 西安 710123）

0 引言

國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）對機器人的定義為“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手”[1]。 工業(yè)機器人的主要由機械本體、伺服系統(tǒng)、減速器和控制器等組成。 機器人進行工作的機械機構(gòu)是由眾多關(guān)節(jié)部位組成，具備人體手部的相似功能。而機械臂的優(yōu)勢就是擁有人類不具有的重復(fù)性、高精確性和重負荷作業(yè)的能力。控制器作用是驅(qū)動關(guān)節(jié)部位在特定工作區(qū)域重復(fù)精確完成指令動作，控制器則是機器人的核心，決定了機器人性能的優(yōu)劣[2]。機器人離線編程系統(tǒng)主要包括以下一些主要模塊：傳感器、機器人系統(tǒng)CAD 建模、離線編程、圖形仿真、人機界面以及后置處理等。

焊接技術(shù)在制造業(yè)中自動化水平越來越高，焊接自動化生產(chǎn)線具有穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，并且可以有效提高焊接效率[3]。在工業(yè)生產(chǎn)線布局中，焊接機械臂生產(chǎn)線的布局能夠改善工人們的工作環(huán)境，焊接過程中通過離線仿真編程技術(shù)驗證后，焊接參數(shù)及工藝要求一次設(shè)置完成后即可快速完成大量生產(chǎn)。而在生產(chǎn)線設(shè)計前期需要面臨的問題就有兩大類，一是焊接機器人智能化的關(guān)鍵技術(shù)如基于視覺的焊縫追蹤、基于傳感器的焊縫識別等；二是生產(chǎn)線設(shè)備中多機器的協(xié)調(diào)控制，對于機器人的合理布局，生產(chǎn)線節(jié)拍控制等。 而機械焊接工作開始的前提，就是要先對焊接機械臂生產(chǎn)線設(shè)計要點進行分析和研究。

1 CAD 的焊接機械臂部分設(shè)計要點分析

1.1 示教編程要點

示教編程是指操作人員通過肉眼觀察和操作，用機器人示教控制器引導(dǎo)機器人從一個路點（Waypoint）到達另一個路點，逐點合成整個的機器人工作軌跡（直線、圓弧軌跡等除外）。 示教器是示教編程的必備工具，示教器的作用是操作人員控制機器人到達指定點后完成指定動作，現(xiàn)場生成簡單編程，機器人可快速地完成固定路徑往復(fù)運動。大部分機器人配備有示教器，可由操作者進行簡單編程。 示教編程主要應(yīng)用于軌跡簡單，頻繁的往復(fù)運動中，此工作中示教編程不會花費過多時間，例如搬運、碼垛和焊接等。

而離線編程是通過在仿真軟件中依照真實的機器人工作站搭建一整套對應(yīng)的虛擬三維場景， 并在此場景中配置機器人、工具、工件、外部軸等生產(chǎn)要素，通過這一系列的操作來生成用于生產(chǎn)的機器人工作軌跡。

1.2 離線仿真編程

離線編程是將機器人工作的場景在三維軟件中重現(xiàn)，為了滿足生產(chǎn)和工藝等相關(guān)需求，在軟件中模擬機器人的控制指令，并以此生成機器人的運動路徑，我們可以進行路徑規(guī)劃和碰撞分析。 根據(jù)需求可以及時修改編程信息，最后將變成信息上載到機器人中即可完成。離線仿真編程設(shè)計是一種直觀且自動地編程生成技術(shù)， 它不使用真實的機器人系統(tǒng)， 因此大大減少了系統(tǒng)編程所需的停機時間，并在人工成本方面帶來了巨大的節(jié)約。機器人焊接系統(tǒng)的編程已經(jīng)開發(fā)了兩種不同的編程模式（在線和離線）來實現(xiàn)自動編程。在線編程通常使用教學(xué)編程方法來實現(xiàn)， 離線編程是一種不需要在真實機器人系統(tǒng)中操作的自動編程生成技術(shù)， 可以有效減少在線編程所需的停機時間，節(jié)省了人力成本。 目前，離線仿真編程技術(shù)通?？梢苑譃榛谟嬎銠C輔助設(shè)計（CAD）和基于視覺的方法。 隨著人機交互技術(shù)和AI 技術(shù)的快速發(fā)展，機器人系統(tǒng)的學(xué)習(xí)輔助功能可以幫助我們逐步實現(xiàn)機器人的自動編程技術(shù)、路徑優(yōu)化和故障診斷和處理等工作。這兩種仿真編程方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機器人焊接系統(tǒng)。

與以往的機械設(shè)計方法作對比，CAD 技術(shù)具有許多優(yōu)勢，機械制圖和設(shè)計計算是需要耗費大量工作時間的，CAD 技術(shù)可以顯著提高項目效率， 降低項目成本。 CAD系統(tǒng)采用優(yōu)化設(shè)計方法， 可以對產(chǎn)品的參數(shù)進行標準化和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，與此同時也注重了安全性。CAD 技術(shù)的實現(xiàn)可以使繁瑣的計算和制圖工作簡單化， 例如通過在總結(jié)工裝夾具方案設(shè)計過程中的特點和規(guī)律， 逐步建立了基于實例和經(jīng)驗的方案設(shè)計模型案例庫， 方便后續(xù)的方案設(shè)計及產(chǎn)品工藝優(yōu)化等。

1.3 誤差消除及坐標標定

離線編程中產(chǎn)生的外部誤差， 通常出現(xiàn)在機器人本體的安裝誤差， 例如機械臂各軸的原點位置偏差和工裝夾具的設(shè)計誤差。 外部誤差在設(shè)計和安裝中屬于可控的誤差。 內(nèi)部誤差是機器人本體在生產(chǎn)制造時產(chǎn)生的標準范圍內(nèi)的誤差，由機器人的產(chǎn)品質(zhì)量決定。減小安裝誤差校準方式： 利用仿真軟件在加工工件三維模型中特征點生成三點程序，在現(xiàn)場工件上同樣位置找到對應(yīng)點。路點和坐標兩者保持一致， 通過計算機器人坐標系中三點和現(xiàn)場工件的三點位置信息，計算相關(guān)數(shù)據(jù)得出安裝誤差。用差值去補償上載的離線編程，縮小誤差造成的偏值。這種方法需要到現(xiàn)場示教編程，通過計算測量誤差后，修改機器人運行程序，該步驟繁瑣耗費時間較多。內(nèi)部誤差的校準方法可以采用構(gòu)建一個夾具的用戶坐標系置于仿真系統(tǒng)中，首先將離線仿真編程導(dǎo)入到現(xiàn)場機器人，隨后重新示教同位置的夾具坐標系， 對比誤差后進行示教編程補償， 最后將之前的相對程序轉(zhuǎn)換為關(guān)于現(xiàn)場用戶坐標系的脈沖程序。

為保證焊接機器人視覺系統(tǒng)精確運行，綜合各標定方法對系統(tǒng)中所涉及坐標系及其之間的關(guān)系進行標定[4]。對機械臂的絕對原點標定，確定機械臂的安裝誤差。機器人執(zhí)行任務(wù)時，末端法蘭需要連接吸盤、夾爪等工具，工具相對末端法蘭坐標系的位置姿態(tài)必須得以確定， 才能依賴末端工具與環(huán)境的準確位姿關(guān)系， 以確保相關(guān)任務(wù)的順利進行。所以工具的TCP 標定是基礎(chǔ)而重要的。傳感器的手眼標定是為了確定視覺系統(tǒng)中坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系； 而機器人基座坐標系和工具坐標系的轉(zhuǎn)換需要進行工具坐標系的標定，確立相互的轉(zhuǎn)換關(guān)系。以此達成焊接工作站的系統(tǒng)標定的解決辦法。對機器人本體，做絕對精度的標定， 檢測機器人執(zhí)行代碼到達的實際點與理論點間的誤差，并通過算法，予以補償、校正[5-6]。

2 基于CAD 的工業(yè)焊接機器人生產(chǎn)線的設(shè)計要點分析

2.1 傳統(tǒng)設(shè)計方案流程分析

在傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計中， 機械工程師在前期工作中完成項目規(guī)劃設(shè)計和工藝要求的制定。 以往項目設(shè)計方案流程如圖1 所示，先按設(shè)計經(jīng)驗對機器人、夾具等周邊設(shè)備結(jié)合車間結(jié)構(gòu)完成了現(xiàn)場生產(chǎn)線的布置工作， 這些工作要求設(shè)計者擁有豐富的經(jīng)驗。到了裝配環(huán)節(jié)，數(shù)量龐大且復(fù)雜的機器人裝配線也令現(xiàn)場布局的工程師應(yīng)接不暇。因為在項目前期，設(shè)計者并沒有根據(jù)現(xiàn)場的情況對工藝規(guī)劃和設(shè)備布局做驗證， 因為缺乏一個有效的仿真實體模型進行可行性和安全性驗證。 此情況下直接開始現(xiàn)場施工先進行生產(chǎn)線的布局，然后進行安全性檢測。工程師首先需要論證設(shè)計機械臂的安裝位置是否合理， 整個機械臂生產(chǎn)線組裝完成后，開始通電現(xiàn)場示教機器人，檢測過程中出現(xiàn)的問題及時反饋相應(yīng)的設(shè)計部門， 首先保證安全，其次合理布置流水線。發(fā)現(xiàn)問題后反饋修改設(shè)計方案， 工程師設(shè)計新方案后現(xiàn)場工程師將開始驗證工藝計劃、設(shè)備規(guī)劃的正確性和計劃的可行性。這種設(shè)計方法不僅耗費大量的人力物力，還會延誤生產(chǎn)線，造成新產(chǎn)品的生產(chǎn)進度較慢。

圖1 傳統(tǒng)項目設(shè)計方案流程

2.2 精益生產(chǎn)的節(jié)拍優(yōu)化設(shè)計要點

生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵點在于用CAD 技術(shù)來合理布局生產(chǎn)線， 以及利用精益生產(chǎn)的理念對生產(chǎn)線的節(jié)拍優(yōu)化。 精益生產(chǎn)的工作重心在于通過節(jié)拍分析找到瓶頸工位并優(yōu)化的產(chǎn)能。 首先通過對傳統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計中存在的工位的生產(chǎn)量統(tǒng)計和分析， 綜合考慮設(shè)備生產(chǎn)線的各種型號的智能控制設(shè)備的生產(chǎn)流程， 其次考慮生產(chǎn)線流程中質(zhì)量和工藝的不同要求。 綜合生產(chǎn)線的各個工序和技術(shù)要求，進行逐步分析實施。

路徑優(yōu)化部分主要指生產(chǎn)線中的機器人執(zhí)行焊接任務(wù)過程中， 在線編程中用到的程序設(shè)計是主程序負責(zé)主要運動參數(shù)， 主程序調(diào)用不同的子程序來完成焊接中使用的各種功能。 加工工件越復(fù)雜，調(diào)用的子程序就越多，整個焊接過程持續(xù)的時間就長， 焊接機器人會產(chǎn)生多余的程序信號，增加了操作機的工作時間。我們可以將總體系統(tǒng)分為以下幾個子系統(tǒng)： 基于視覺傳感的初始焊位識別與引導(dǎo)子系統(tǒng)，基于視覺傳感的焊縫跟蹤子系統(tǒng)，基于視覺傳感的焊縫熔透實時控制子系統(tǒng)等。 刪除多余的程序信號和過渡路點，提高生產(chǎn)節(jié)拍。

焊接過程的參數(shù)優(yōu)化有質(zhì)量和安全兩個重要前提，焊接生產(chǎn)線的高自動化帶來的安全問題復(fù)雜多樣， 在設(shè)計優(yōu)化中的參數(shù)與實際生產(chǎn)中的使用參數(shù)進行仿真驗證，確保產(chǎn)品的質(zhì)量以及設(shè)備和生產(chǎn)線的安全。生產(chǎn)優(yōu)化的出發(fā)點應(yīng)該是提高設(shè)備的運行速度和提高焊接視覺傳感和焊縫識別速度。

時序指代的是生產(chǎn)線的多設(shè)備協(xié)調(diào)工作中的“交接”部分， 而機器人串聯(lián)工作可以根據(jù)工藝要求更改為多機器人并聯(lián)，通過減少關(guān)鍵路徑上的組合邏輯級數(shù)來優(yōu)化時序。

2.3 優(yōu)化設(shè)計方案流程分析

機械工程師進行項目的規(guī)劃和工藝設(shè)計要求， 按照項目的規(guī)劃和工藝設(shè)計要求執(zhí)行CAD 布局， 先構(gòu)建3D機械臂模型、其次在CAD 中對機械臂和焊槍的結(jié)合以及生產(chǎn)線中的布局進行仿真設(shè)計，在CAD 中對機器人進行布局，并要進行機器人碰撞區(qū)測試，以保證工業(yè)機器人焊接生產(chǎn)線作業(yè)過程中不會出現(xiàn)運動碰撞的情況。 在構(gòu)建的機器人模擬系統(tǒng)中， 執(zhí)行實際機器人控制器中可以使用的工藝驗證、設(shè)備驗證、機器人軌道程序生成、生產(chǎn)周期計算、模擬程序。 生成機器人離線程序，描述控制器離線程序后，設(shè)備到達現(xiàn)場時?，F(xiàn)場工程師在機器人控制器上載入離線程序后，短時間內(nèi)完成程序下載和調(diào)試任務(wù)，現(xiàn)場生產(chǎn)可以迅速展開， 縮短了生產(chǎn)線的安裝和試運行周期，加快了生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度。而優(yōu)化后項目設(shè)計方案流程如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后項目設(shè)計方案流程

而使用CAD 的工業(yè)焊接機械臂3D 仿真， 能夠比較準確地反映加工現(xiàn)場的生產(chǎn)線生產(chǎn)情況。 在每個站點之間傳輸?shù)牟糠钟蓚鬏斣O(shè)備執(zhí)行。 整個焊接生產(chǎn)線的傳輸系統(tǒng)是重要組成部分， 設(shè)計師需要根據(jù)年生產(chǎn)綱領(lǐng)計劃計算出產(chǎn)能和生產(chǎn)節(jié)拍。 通過生產(chǎn)節(jié)拍來平衡各個崗位的工藝內(nèi)容。因此傳輸系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要。為了提高焊接生產(chǎn)線的機械化水平，同時完成焊接生產(chǎn)的時間組織，在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)與車間布局設(shè)計中， 應(yīng)先計算出生產(chǎn)周期，依據(jù)生產(chǎn)周期校驗生產(chǎn)中的安全技術(shù)[7]。通過3D 仿真模擬生產(chǎn)線設(shè)計，可以對設(shè)計方案、工藝方案進行分析，對生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)性、技術(shù)性、經(jīng)濟性和安全性進行分析論證。 而此過程與之前的設(shè)計方法對比可以突出方便快捷等特有優(yōu)勢。能夠更快地完成模型設(shè)計與驗證，而生產(chǎn)線運行后產(chǎn)生的故障問題與解決方案也可進行模擬， 提前完成優(yōu)化設(shè)計和問題預(yù)案。

3 結(jié)束語

基于CAD 的離線仿真編程焊接機械臂生產(chǎn)線設(shè)計隨著視覺跟蹤與識別技術(shù)、傳感器反饋技術(shù)和AI 智能控制技術(shù)的發(fā)展，與此同時5G 網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的半生發(fā)展， 生產(chǎn)線設(shè)計的發(fā)展和變革在以下幾個方面尤為突出：

（1）離線仿真編程技術(shù)隨著軟硬件的發(fā)展，編程技術(shù)將會變得更加的簡單操作、快速模擬、可視化程度高以及仿真精確。

（2）伴隨著視覺跟蹤、傳感器識別反饋，信息和大數(shù)據(jù)技術(shù)， 環(huán)境識別與構(gòu)建愈發(fā)準確， 各工序產(chǎn)品的CAD模型庫完善。

（3）基于5G 的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)所實現(xiàn)編程的網(wǎng)絡(luò)高速化、辦公遠程化、操作可視化。

（4）基于增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)真實場景的人機互動和遠程離線編程。

（5）基于智能AI 技術(shù)的離線仿真編程技術(shù)和現(xiàn)場多維空間信息，自主規(guī)劃焊接生產(chǎn)線布局與仿真。自動獲取加工路徑的幾何信息。

從項目的功能性與實用性出發(fā)， 離線編程技術(shù)仍處于高速發(fā)展中，在項目中的復(fù)雜應(yīng)用，一些關(guān)鍵的方法技術(shù)仍需假以時日的改進。 由于工業(yè)生產(chǎn)用機器人的設(shè)計以及在項目中的使用場景越來越復(fù)雜， 國內(nèi)外編程軟件中也得此機會得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。 機器人離線編程的快速發(fā)展同時也推動著整個產(chǎn)業(yè)向智能化、 專業(yè)化的方向快速發(fā)展。用戶的操作會變得快捷而高效，只需簡單操作即可快速生成控制程序。 工作效率的提升離不開離線編程的快速發(fā)展。只有示教編程時，機器人的使用場景更多出現(xiàn)在搬運碼垛等簡單工作， 對于稍微復(fù)雜的作業(yè)需要對復(fù)雜動作進行拆分， 或者花費大量時間進行編程和調(diào)試。 而示教編程推動了機器人去適應(yīng)復(fù)雜化和多元化的場景，使之成為新時代的“大國工匠”。

傳統(tǒng)的在線示教編程并不會走向沒落， 而是更多在特種加工的應(yīng)用場合出現(xiàn)高頻次應(yīng)用，例如空間站、核電等場景使用。 而隨著CAD 技術(shù)、視覺技術(shù)、傳感技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、增強現(xiàn)實等技術(shù)深度融合，自動感知、辨識和重構(gòu)工件和加工路徑等，實現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃，自動糾偏和自適應(yīng)環(huán)境。 本文對基于CAD 的離線仿真編程焊接機械臂生產(chǎn)線設(shè)計進行了一些研究， 概述了機械臂生產(chǎn)線設(shè)計方案流程。 對CAD 的工業(yè)焊接機械臂仿真編程設(shè)計技術(shù)要點分析， 探索將傳統(tǒng)機械設(shè)計與仿真編程設(shè)計進行結(jié)合， 使用仿真編程在復(fù)雜的設(shè)計過程可以大大提高工作效率。 將其應(yīng)用于焊接機械臂的生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計中，則提高了設(shè)計、制造、工藝的效益，達成了設(shè)備功能性、可靠性和項目經(jīng)濟性、時效性的統(tǒng)一。