机器人系统的开发设计与调试应用
摘要
如今，工业自动化市场竞争激烈，机器人在从事新的产品生产之前检测和试运行会花费了大量的时间，这种方法远不可行。机器人离线编程的仿真技术大大改善了这点。在生产的同时，甚至生产之前，对系统进行编程、仿真可以提早开始生产产品，缩短上市时间。因此仿真技术显得尤为重要。
本论文设计完成了以ABB机器人为对象，使用ABB公司的机器人仿真软件RobotStudio进行工业焊接机器人的基本操作。在RobotStudio中，选择一定型号的工业机器人，建立虚拟的仿真环境，模拟焊接过程。由于该软件本身建模能力较弱，故需要通过其他的三维建模软件来创建焊接工件模型。本论文的主要内容还包括构建基本的工业机器人工作站，规划和创建焊接轨迹，碰撞检测，离线编程等。机器人系统布局部分，主要是对组成焊接机器人系统各部分的介绍与选择，以及SolidWorks软件绘制零件、布局工作站的具体操作。路径创建与规划部分，用简单规则路径示教点法和捕捉焊件表面自动生成路径两种方法进行了轨迹的确定，并在过程中对机器人轴参数调整，使得机器人能够成功沿轨迹运作。离线编程部分讲述了RAPID程序的简单编程。
近几年，使用机器人离线编程以及仿真已经成为了越来越多人研究的主题。
关键词: 机器人；焊接；RobotStudio；仿真
第一章绪论
1.1引言
仿真，又称模拟(simulation)，即在仿真软件中创建一个模型来模仿真实环境的
系统或事物。起初，仿真技术大多在航空航天等高价格、高风险、难以实现的少数领域中应用，后来逐步发展到其他工程实践中，其他非工程系统领域也开始接受仿真思想。其应用的多样性，在各个领域都带来了显著的效益。
焊接机器人[1]，是指从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。其发展至今已有六十个年头了，是一个具有实际效益和明晰方向的研究课题，自动检测生产线上所应用的焊接机器人分为三代：第一代是指基于示教再现[2]工作方式的焊接机器人，该种机器人的优点是操作方便、不需要建立环境模型、示教的过程中可根据实际工况修整由于机械结构带来的误差，在生产中被大量使用，但是动作单一，无法满足柔性生产需求；第二代是基于特定传感器信息的离线焊接机器人，柔性化和可编程化是其特点；第三代机器人配备了多传感器，并且依靠现代制造技术，其加工误差很低，可根据实际环境进行编程，大大提高了柔性，获得了企业的追捧。这种机器人理论适应性很强，但目前人工智能的发展还不完善，需要进一步研究。
RobotStudio[4][5]是工业机器人龙头瑞士ABB集团开发的一款计算机仿真软件，主要应用于其旗下的机器人产品，可以应用于机器人生命周期的各个阶段。它降低了机器人购买和应用的总成本，促进了生产。在规划与定义的生命周期时，运用RobotStudio软件，可以实现机器人系统的整体背景构建以及试运行。在设计阶段，通过ProgramMaker可在直接在PC上创建、编辑和修改机器人程序之类的数据文件，从而达到生产需求。
1.2选题背景与意义
21世纪，工业飞速发展。作为自动化行业的领头羊企业，瑞士ABB集团位列全球企业500强，2015年销售额更是高达398.30亿美元，在工业和农业机械行业中排名第三。在工业如此发达的如今，机器人被广泛应用于各个领域，其主要目的为了减少人工成本，提高工作效率和产品质量。
工业机器人的应用主要是焊接，占工业机器人总数的25%。随着对焊接精度和快速性要求的不断提高，人们很难做到这一点。同时，焊接的糟糕工况会造成工人的职业病，而机器人的特性可以在恶劣的环境下连续并能提供稳定的焊接质量，机械焊接是焊接自动化的革命性发展，极大地改善了焊接环节所产生的危害。第三代焊接机器人，发展了一种灵活的自动化生产模式，可以满足柔性生产需求。随着机器人焊接生产线多焊接生产的自动化带来了十分可观的效益，焊接完全自动化已成为一个重要的研究课题。
2011年，长城汽车天津新工厂所有焊接流水线全部采用了ABB公司的全线机器人焊接自动化解决方案[6]，
用于生产新发布的哈弗汽车以及其旗下的其他车型，使得
其下线产品的质量得到了提高，凸显了焊接机器人的商业价值和继续研究的必要性。
工业机器人的价格十分高昂，为了降低实际操作产生的高昂费用，在实际的机器人投入生产操作之前，往往会进行离线的仿真以及编程工作，从而降低成本。离线编程是提高机器人系统投资回报率的最佳途径。通过ABB的robot studio在线模拟和编程软件，它可以在不中断生产的情况下进行编程。机器人技术可以在生产前做好准备，提高整体生产率。其研究可以在不影响生产的情况下对其进行训练、编程和优化，从而不间断的提高生产效率和产品质量。
机器人系统的成本效益和多重好处如下：
在线编程和离线编程的特点（1）降低实际使用风险
（2）快速投产
（3）柔性化
（4）不断提高生产效率
ABB平台在机器人行业具有一定的权威性，所以在工业机器人领域，尤其ABB 自家，可以通过软件程序的不断迭代，进一步的提升早期机器人的工作效率。使得机器人研究可以利用车间使用的程序和配置进行非常逼真的仿真，并且通过网络平台进行共享。2012年，ABB先进的工业机器人在芬兰表演了一场与真人合作的舞蹈，首次实现了机器人和舞蹈人员的近距离安全接触，展现了其超人的精确性与稳定性。
1.3研究现状
基于RobotStudio的机器人仿真的研究已经十分成熟，其软件最新版本已经达到了。
机器人离线编程技术的发展
20世纪70年代，国外开始对离线机器人编程进行研究，70年代末，离线规划与编程系统开始研究。但是由于经验的缺乏这些系统都有这自身的缺点，只能满足特定的使用环境。到20世纪80年代中期和90年代，在线编程系统已经商业化。最具代表性的是1986年推出的robcad机器人计算机辅助设计及仿真系统和模拟器。它结合了互操作性、完整性、交互式计算机图形学、智能化和市场营销。然而，当时的编程环境都是面向过程的，对于使用者不友好。后来，随着计算机上CAD软件的发展，出现了一个集成CAD软件的离线编程系统，使得CAD/CAM软件集成成功。
商用电缆编程系统在电弧焊领域的实际生产中取得了成功应用，实现了无干扰的自动生产线和焊接自动编程。
机器人公司开发的离线编程系统及其应用
ABB平台开发的所有机器人研究系统基于Windows操作系统，对于工程师十分友好。在该系统中，图形机器人的运动模块和运动控制算法采用了真实的机器人控制器控制算法，因此仿真程度很高。同时，专门为其开发的RAPID[9]语言，可以帮助机器人操作人员快速上手，提高其编程水平。深圳富士康购买了ABB的离线编程软件，将实时编程结果与实际焊接挠度相匹配。
机器人开发的离线编程系统有其自身的特点，特定的机器人在环境中对应特定的模型，通过人工初步编程，机器人可以实现自动模拟并补全代码。使得动态控制算法与真实的机器人控制算法相同，提高产率。
离线编程系统主要是焊道编程[10][11]。从工艺角度看，焊接过程复杂，影响因素多，离线编程生成的参数不可用，只有焊道是可以完全模拟的。所以焊接参数编辑时，只能通过焊接试验所需的焊接参数[12]进行焊接，而不进行离线编程。
机器人离线编程系统实用化技术研究趋势
(1) 传感器接口与仿真功能
现在的研究热点是多传感器信息驱动的机器人控制策略，因此离线编程系统会朝着结合实用化需求传感
器的接口与仿真这个方向发展。通过引入焊接跟踪传感器，可以动态地对焊接位置偏差进行修正补偿，保证离线编程系统能够满足实际焊接要求的精确度等其他具体需求。
(2) 高效的标定技术[13]
离线编程系统的标定精度直接决定了焊接的最终质量。中间不用调整定位器[14]，工作模块使用简单。标定完成后，机器人开始执行离线程序，与变压器配合焊接的情况下，机器人可能会与变压器产生干涉，所以准确确定变压器相对于机器人的空间位置以及规避方式是研究方向。
(3) 焊缝起始点确定技术
在工业应用中，第二代机器人的编程系统是独立的与其他功能没有接口，这就要求焊接设备的安装和定位更加精确，因此，在局部环境中确定焊接及其起点已成为最合适的技术。特别是离线编程技术结合了焊接的初始方向，将极大地扩展程序系统的应用范围。
机器人自动检测技术的应用
机器人由于其制作产品精度高，一致性好。被广泛应由于机械制造场景，并且在焊接这种工况恶劣的情况下，为了防止工人职业病产生，改善工况，改进生产技
术。机器人焊接技术更是快速发展。
机器人自动检测技术是机器人精度高，一致性好的前提。早期的机器人自动检测技术需要借用机械传感器或者光电传感，这时候由于PLC触点限制以及传感器使用场景限制，只能进行物料分拣，直线或者简单曲线等路径简单的重复性作业，无法完成像汽车样条曲线焊接，复杂面抛光的动作。
随着视觉传感器的发展，auduino开发板异军突起，计算能力远远高于PLC，随着封装技术的成熟，视觉传感器的编程平台也越来越广泛，这样一来，让机器人有了视觉，从此机器人可以通过影像分析更加精确的进行平面曲线和空间曲线的运动，使得机器人在焊接领域远远超越了熟练工。
目前自动检测技术仍然在开发，机器视觉系统的优越性在于不只能看见可见光频段的柔和光，更是在红外线，紫外线频段和刺激光和微弱光下能够正常识别，在如焊接等会产生人眼难以接受的光的工况下，会大大提高产品稳定性，同时减少工人所承受的伤害。
1.4本文结构
本文以ABB机器人为说明对象，通过RobotStudio进行仿真。
第一章会说明离线编程与仿真的应用广泛程度，介绍焊接机器人、RobotStudio 软件的特点、发展状况以及趋势。
第二章说明机器人系统的各个部分的选型规则，并在三维建模软件平台建立焊件模型。
第三章在RobotStudio环境下建立机器人系统以及创建焊接轨迹。
第四章建立两种不同的焊接轨迹，用以展示工况的适应性。
第五章RAPID程序的简单离线编程。
第六章仿真与调试，并将工作站制作成exe可执行文件。
第七章总结了全部的工作，并提出了存在的问题以及后续的研究方向。
论文整体的结构框图如下图1.1所示。

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