焊接机器人离线编程应用技术
一、引述
随着国内外机械装备制造事业飞速发展，对各种机械设备的生产周期、产品质量、制造成本，提出了更高的要求。为了适应这种形势，设法提高及保证焊接接头质量的稳定性，机器人的柔性优势正是解决这一问题的的良好方案。
二、机器人系统简介
通用工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统（即示教盒）。机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成，它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动；控制器是机器人的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、自保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作；示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。
三、机器人编程的类型与应用方法
目前的机器人编程可以分为示教编程与离线编程两种方式。示教编程是指操作人员利用示教盒控制机器人运动，使焊到达完成焊接作业所需位姿，并记录下各个示教点的位姿数据，随后机器人便可以在“再现”状态完成这条焊缝的焊接。离线编程是利用三维图形学的成果，在计算机的专业软件中建立起机器人及其工作环境的模型，通过软件功能对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行编程，进而自动计算出符合机器人语言的文本程序，再通过计算机的仿真模拟运行后将最终的数据程序传至机器人控制系统直接使用。示教编程与离线各有特点。在示教过程中，编程效果受操作人员水平及状态的影响较大，示教时，为了保证轨迹的精度，通常在一段较短（如100mm）的样条曲线焊缝上需要示教数十个数据点，以保证焊接机器人运行平滑及收弧点位置的一致。每段在线示教编程都需要花很长的时间。因要尽量保证示教点在焊缝轨迹上，并且要让焊姿态的连续变化，对操作人员的水平要求很高。另外，示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂路径难以保证示教点的精确结果。而离线编程是将机器人所有编程的工作内容在计算机软件在完成，过程一般包括：机器人及设备的作业任务描述、建立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态仿真的结果，对程序做适当的修正，以达到满意效果，最后在线
控制机器人运动以完成作业。节省了在机器人上编程的时间、离线编程的程序易于修改、通过仿真模拟后，防止昂贵的设备发生碰撞而损坏、结合CAD软件系统和其它人工智能技术与机器人系统一体化，来提高工作效率和焊接质量。由此看来当焊缝是直线或者简单曲线，焊缝上方没有干涉物且焊缝的精度要求不太高的情况下，采用在线示教的编程方式是非常理想的，但在许多复杂的作业应用中不是那么令人满意了。
因此，机器人离线编程及仿真是提高机器人焊接系统柔性化的一项关键技术，是现代机器人焊接制造业的一个重要方法。?一般工业机器人焊接时，机器人对焊接过程动态变化、焊件变形和随机因素干扰等不具有自适应能力。随着焊接产品的高质量、多品种、小批量等要求增加，又对机器人焊接技术提出了更高要求。这就需要对本体机器人焊接系统进行二次开发，包括给焊接机器人配置适当的传感器，柔性周边设备以及相应软件功能，如焊缝跟踪传感、焊接过程传感与实时控制、焊接变位机构。这些功能大大扩展了基本的焊接机器人的功能，这样的焊接机器人系统智能程度的高低由所配置的传感器、控制系统以及软硬件所决定。根据目前的整体技术还不太容易满足机器人焊接的所有智能要求，但这是个重要的发展趋势。
针对一些特定类型的零部件的机器人焊接，就像水力发电设备的混流水轮机的转轮体，叶片与上冠、下环之间的焊缝曲率变化连续而剧烈、宽窄不一，焊接区域厚薄不均、而且焊缝上面的空间极小，焊缝上部空间大多都有干涉物，要成熟的实现机器人焊接智能技术是有相当难度的。使用一款合适的此类焊件的离线编程软件是十分必要的。
四、焊接机器人离线编程软件概述
    机器人离线编程软件也有两大类：一种是市场上主流机器人厂家的离线模拟仿真软件，这类软件只适用于本厂系列的机器人，不能通用于其它厂家的机器人，因为这些软件使用过程和方法是调出指定型号的机器人、工具和焊接工件、工装的模型图，通过虚拟示教盒控制机器人进行示教编程，相当于是将机器人工具系统和工件、工装等整体作业环境搬进了计算机，在计算机里进行示教编程，最后将软件模拟示教得到的程序进行仿真运行后放到机器人系统上正式使用。另一种是当前市场大多机器人可以通用的智能化离线编程的专业软件，这类软件通常都有三维画图、离线编程和模拟仿真等功能的自动化集成技术，这种软件的编程过程是通过自身功能命令画好或导入其它CAD软件设计的机器人系统工具设备和工件工装等作业现场的所有物体的模型，使用软件中的编程模块，指定工件焊缝以及设置工艺参数自动
生成焊接机器人的作业数据，通过模拟仿真后将源程序处理成机器人控制系统能够识别的目标程序，传入机器人控制柜。由于机器人控制柜的多样性，要设计通用的通信模块比较困难，因此一般采用后置处理将离线编程的最终结果翻译成目标机器人控制柜可以接受的代码形式，然后实现加工文件的上传及下载。
当前市场上主流机器人厂商的离线模拟仿真软件有德国KUKA（库卡）公司的KUKA.Sim pro、瑞典ABB公司的Robot studio、日本安川（motoman）的motosim-EG、日本发那科公司的Roboguide以及日本OTC公司使用的离线模拟仿真软件就叫OTC。国内机器人厂家暂时还没有完全自主知识产权的模拟仿真软件。因为这些机器人公司业务主体是机器人与控制系统，而并非专业的软件公司，这些机器人厂家为了使自己的机器人更加适应市场需求，同时出于对机器人系统技术保护的考虑，而开发了只可用于自己公司机器人系统的离线模拟示教软件。这些软件虽然没有三维建模功能，但可以导入其它CAD软件设计的模型文件，通过虚拟示教方式离线编程，对于简单焊缝的作业倒也实用。
通用性较强、可实现智能化离线编程的专业软件目前也只有国外的一些公司成熟掌握，主要有：Robotmaster、Robcad、RobotExpert、Robomove、Robotworks、Workspace、RinasWeld、Powermill等等。
Robotmaster来自加拿大，是目前离线编程软件市场上顶尖的软件，几乎支持市场上绝大多数机器人品牌（KUKA，ABB，Fanuc，Motoman，史陶比尔、珂玛、三菱、DENSO、松下……）。优点是可以按照产品数模，生成程序，适用于切割、铣削、焊接、喷涂等等。独家的优化功能，运动学规划和碰撞检测非常精确，支持外部轴（直线导轨系统、旋转系统），并支持复合外部轴组合系统；缺点是暂时不支持多台机器人同时模拟仿真。
      Robcad：西门子旗下产品，在车厂占统治地位，是做方案和项目规划的利器。优点是支持离线点焊、支持多台机器人仿真、支持非机器人运动机构仿真，精确的节拍仿真；缺点是价格昂贵、离线功能较弱、人机界面不友好
      RobotExpert：西门子新出的离线软件，可以理解为Robcad的廉价版和界面优化版。
      Robomove：来自意大利，同样支持市面上大多数品牌的机器人，机器人加工轨迹由外部CAM导入，与其他软件不同的是，Robomove走的是私人定制路线，根据实际项目进行定制。软件操作自由，功能完善，支持多台机器人仿真，缺点是需要操作者对机器人有较为深厚的理解，策略智能化程度与Robotmaster有较大差距。
      Robotworks：基于solidworks，solidworks本身不带编程功能。RobotWorks可建立高质量的3D模型，可以生成日本FANUC、安川电机、川崎重工、瑞典ABB、德国Kuka及法国Staubli 生产的机器人程序。同时这6家公司，分别备有其主要产品的机器人模型在RobotWorks中使用。Robotworks 有三种工作模式，工具模式、零件模式和定位模式。在工件模式下首先定义工具，然后定义路径，可以选择面、边界、和曲线作为机器人的焊接运动轨迹。缺点是操作较繁琐、机器人运动学规划策略智能化程度低。
Workspace：有三维建模、离线编程、模拟仿真等功能。软件的部件库中含有200多种机器人、50余种机械装置和工具，同时可以创建其它机器人。进行高精度位置分析、碰撞检测路径优化。图型化的机器人编辑程序接口，双向翻译与仿真机器人多语言。可通过编程语言快速建模。
RinasWeld： 是荷兰机器人集成商KRANENDONK开发的机器人焊接软件包。该公司为了改进外形和尺寸都不一样的单件工件的机器人焊接离线编程技术而开发的，在焊接方面是一款具有高度智能化的离线编程软件，但在国内暂时还没有到该软件的应用信息，也没有更多的相关资料。
Powermill：是英国DELCAM公司开发的软件，之前本是一款具有强大功能的三维建模和多轴数控编程软件。随着机器人应用市场的发展，现在的新版Powermill软件专门增加了用于机器人离线编程和模拟仿真的模块，能让多达8轴的机器人编程像5轴NC编程一样简单。模拟仿真也能准确显示机器人的动作，支持主流机器人：KUKA, ABB, Fanuc, Motoman, Staubli等。此软件的铣削编程功能十分强大，可能在机器人的离线编程方面侧重于机器人铣削的编程，用在机器人焊接的离线编程还需要对程序进行人工修改。
五、目前焊接机器人离线编程的应用概况
从全国的应用的情况上看，复杂焊缝类型的机器人焊接离线编程技术基本还处于研究阶段，只有其中的一些单元技术已经或正在趋于成熟。机器人离线编程系统的研制和开发涉及的问题很多。包括多个领域的多个学科：如多媒体技术在机器人离线编程中的研究和应用，友好的人机界面、直观的图形显示及标准的语言信息都是离线编程系统所需要的；多传感器的融合技术的建模与仿真。随着机器人智能化的提高，传感器技术在机器人系统中的应用越来越重要。对传感器的仿真已成为机器人离线编程系统中必不可少的一部分，并且也是离线编程能够实用化的关键。利用传感器的信息能够减少仿真模型与实际模型之间的误差，增加系统
操作和程序的可靠性。对于有传感器驱动的机器人系统，由于传感器产生的信号会受到多方面因素的干扰(如光线条件、物理反射率、物体几何形状以及运动过程的不平衡性等)，使得基于传感器的运动不可预测。传感器技术的应用使机器人系统的智能性大大提高，机器人作业任务渐已离不开传感器的引导。因而需要在离线编程系统中对多传感器进行建模，实现多传感器的通讯，执行基于多传感器的操作。三、错误检测和修复技术。系统执行过程中发生错误是难免的．应对系统的运行状态进行检测以监视错误的发生，并采用相应的修复技术。此外，最好能达到错误预报，以避免不可恢复动作错误的发生。
六、在线编程和离线编程的特点结束语
机器人焊接离线编程技术对焊接机器人的推广应用及其工作效率的提高有着重要意义，现已明确，是焊接机器人开发应用的研究方向。由于目前国内还鲜有复杂的焊接机器人高智能化离线编程的成功案例，没有确切的相关技术资料作为参考，此文稿会有未尽及描述不当之处，待于日后做补充更改。
                                                                伍箴松
                                                              2014．11．28

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