针对焊接机器人的离线编程展开, 重点介绍了利用RobCAD辅助机器人离线编程的方法。运用了SolidWorks的三维建模技术建立机器人模型并模拟了焊接机器人的工作环境, 同时结合RobCAD的虚拟仿真技术实现了焊接机器人的离线编程和仿真, 最终得到离线程序。基于RobCAD的编程作为整体离线编程方法的一部分, 通过验证, 其输出结果能够满足后续编程步骤的需求。
作者简介： 魏振红, 1989年生, 硕士研究生。研究方向为工业机器人。; 俞港, 1991年生, 硕士研究生。研究方向为工业机器人。; 付庄, 1972年生, 博士, 教授。研究方向为特种机器人、仿生机器人、模块机器人。; 赵言正, 1965年生, 博士, 教授。研究方向为服务机器人、特种机器人。; 闫维新, 1978年生, 博士, 讲师。研究方向为自动控制、智能机器人。;
基金：国家自然科学基金项目 (编号:U1401240, 61473192);
The essay discusses about off-line programming of welding robot and introduces using RobCAD to aid the off-line programming. The robot model is designed in Solidworks and then the working condition is simulated in RobCAD. The function of virtual simulation makes the off-line programming and simulation possible and finally outputs teaching application. As a part of the whole off-line programming, the output of RobCAD has been proved that it could meet the requirements of the next step of off-line programming.
对机器人编程的方式有示教编程、机器人语言编程和离线编程3种。机器人离线编程是用计算机图形学的成果, 通过建立起机器人及工作环境的几何模型, 利用规划算法通过对图形的控制和操作, 在不实际使用机器人的情况下, 进行轨迹规划、编程;然后对编程的结果进行三维图形动画仿真, 以检验编程的正确性;最后生成代码传到机器人控制系统, 以控制机器人运动, 完成给定任务。离线编程具有如下优点:减少机器人不工作时间, 通过仿真调试程序, 不用和实际机器人系统进行直接的联系便可直观地看到编程结果;使用范围广, 可以对各种机器人进行编程, 并能方便地实现优化编程;便于和CAD/CAM系统集成, 做到CAD/CAM/Robotics一体化;可以进行复杂运动轨迹规划, 能够进行碰撞和干涉检验;改善了编程环境, 使编程者远离危险的工作环境。本文运用Solid Works的三维建模技术建立机器人模型并模拟了焊接机器人的工作环境, 同时结合Rob CAD的虚拟仿真技术实现了焊接机器人的离线编程和仿真, 最终得到离线程序, 能够满足后续编程步骤的需求。
Rob CAD是原Tecnomatix (现属SIEMENS公司) 于20世纪80年代推出的大学机器人仿真系统, 能够在由产品和多类制造资源所构成的环境中, 进行机器人工作单元验证和自动化制造过程的设计、仿真、优化、分析和离线编程。
Rob CAD的功能主要包含:
(1) 与CAD系统之间的交互Rob CAD能与大部分行业MCAD系统集成, 软件包括Catia, NX, Pro/Engineer, 中间数据格式比如JT, IGES, STL, STEP。
(2) 工作单元布局设计和建模能够很方便地导入三维实体模型, 并设置约束和运动关系, 利用二维布局导入功能方便地实现物体定位, 得到所需的三维虚拟环境。
(3) 机器人仿真Rob CAD能基于控制器特征生成可配置机器人运动路径规划, 并以此为基础计算生产节拍。
(4) 离线编程利用Rob CAD OLP, 能够准确模拟机器人运动路径和次序, 在不需要实际机器人的情况下, 输出离线的程序。
本文基于Rob CAD软件, 导入了在Solid Works中建立的机器人模型和焊机模型;布置了机器人和模型的位置, 添加了焊件焊点, 模拟了实际的生产现场, 最后输出离线程序。
Rob CAD具有建模功能;但相比专业的三维设计软件, 其功能简单, 很难满足高标准的仿真要求。一般采取的方式是先在CATIA, Solid Works, Pro/Engineer等软件中完成机器人、夹具、焊件的三维建模, 再使用Rob CAD中的Cad Import转换成CO文件。CAT-IA建立的模型格式为CATPart, 可以直接转换成CO文件。在其他CAD软件中建立的模型需要先转存成通用的数据格式, 如IGES、STP等, 然后再转换成CO文件;但此种方式容易造成模型的面信息丢失, 所以建议使用CATIA建立三维模型。本文采用的方式是:首先在Solid Works中建立机器人三维模型, 转存成STP格式文件后在CATIA中打开, 再通过CATIA转存成CATPart格式文件, 最后通过Rob CAD内置的数模I/O转换成CO文件。
图1 Rob CAD仿真流程 下载原图
将数模转换成CO格式以后, 就可以导入RobCAD中了。右键组件选择Placement, 可以精确移动组件的位置;因此, 机器人和焊件的位置可以根据实际使用环境精确布置, 调整起来也非常方便。图2为工作场景模拟图。
Rob CAD带有全面的机器人库, 适用于大部分机器人型号 (50多个接口, 超过200多个控制器配置) 。除此以外, Rob CAD还能非常方便地对额外的机器人进行一些设置, 使其也能实现运动学求解、运动范围检查和碰撞检测等功能。
图2 工作场景模拟 下载原图
(1) 机器人关节添加机器人模型在导入时只包含了模型的三维信息, 并没有包含各个零件之间的相对运动关系。在Kinematics模块中, 可以定义机器人的活动关节, 包括关节的运动副类型、最大运动位置、速度、加速度等参数, 这样可以建立与实际统一的模型, 使仿真更加精确。定义过程中, 可以相对运动的零件会以不同颜色区分开来。如图3所示。
图3 机器人设置 下载原图
(2) 焊枪TCPF添加焊枪的TCPF (tool coordinate position frame) 即工具坐标系。一般定义其原点与焊枪的顶点重合, z轴向外。在机器人焊接仿真时, 焊枪的TCPF会与焊点的坐标系完全重合。
Rob CAD点焊 (robcad spot weld) 可以处理整个点焊设计过程, 比如空间限制、几何限制和焊接周期。
在Spot板块的Weld_locs中选择Point Create, 然后点击焊件上相应位置生成焊点, 再将焊点添加到Project中。焊点成功添加到Project中后, 每个焊点处都会生成一个坐标系, 如图4所示。在焊接仿真时, 焊枪的TCPF会与其重合。
在Path Editor中, 依次选择一系列焊点可以生成焊接路径。见图4中的白色路径。
图4 焊点及焊接路径生成 下载原图
Location Attributes是编辑焊点、过渡点属性的模块。在此可以设置各个点的属性参数, 包括运动方式、移动速度、点类型、焊枪状态、焊枪停留时间、焊接时间等等。如图5所示, 在输出的离线程序中, 上述的属性参数都会包含在内。
图5 焊点属性参数设置 下载原图
(1) 焊接过程仿真在Motion模块中设定选择机器人和之前生成的焊接路径, 就可以在Rob CAD中动态模拟机器人焊接的过程。通过Time interval可以更改机器人动作显示的快慢。图6显示的是机器人在仿真过程中的一个片段。
图6 机器人焊接仿真 下载原图
(2) 焊点可达检查在模拟生产环境时, 焊件最初摆放的位置不一定合理, 其上焊点或处于机器人的运动范围之外。此时可以通过Test Reach功能检查之前添加的焊点是否可达:如果不能达到, 会在系统操作信息窗口提示相关信息, 需要移动焊件的位置进行调整;如果可以达到, 机器人会自动调整姿态使TCPF与焊点坐标系重合。
(3) 干涉检查在实际生产中, 有些焊接工件的曲面是非常复杂的, 焊枪与之发生干涉时很难被发现。Rob CAD具有自动干涉校验的功能, 能够检查两组部件之间是否存在干涉。如果在仿真的时候发生干涉, 干涉的零部件就会显示成红色, 很容易被察觉。这样可以有效地避免在实际生产中的干涉现象, 并在有效降低成本的同时保证人员的安全。
在Rob CAD的OLP模块中设定选择机器人、控制器、焊接路径和程序输出目录以后, 点击“Download”即可以输出。如图7所示。
图7 离线程序输出设置 下载原图
程序文件可以在指定的程序输出目录下找到, 可用记事本打开。程序中包含焊点的位姿、运动方式、移动速度、点类型、焊枪状态、焊枪停留时间、焊接时间等等信息。如图8所示。
OLP的应用需要有Rob CAD软件OLP的许可, 且需要有对应机器人公司的RCS控制器及相关机器人厂商的Rob CAD补丁, 才可以准确完整地导出我们需要的对应机器人程序, 下载到控制器中直接使用。
本文中的机器人数模由自己建模完成, 选取的控制器为Rob CAD自带的缺省控制器。输出的程序需要经过处理以后, 提取出焊点位姿、运动方式等信息, 转化成相应控制器可以识别的程序语言结构, 才能下载到控制器中使用。
图8 离线程序内容 下载原图
随着工业机器人技术的迅猛发展, 工业机器人已经成为高效工业生产中不可缺少的工具。离线编程的诸多优点, 使其成为最高效的机器人编程方式。本文采用的基于Rob CAD焊接机器人离线编程方法, 能适用于不同型号机器人离线编程, 特别适用于自主设计的焊接机器人。采用此方法可以提高焊点的位置精度;同时可以保证机器人编程和机器人工作并行。
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