离线编程技术在点焊机器人中的应用

  借助离线编程技术，技术人员可以在软件环境中合理分配工艺，模拟焊钳选型和站内布局，优化焊接顺序和干涉区设置，预测生产节拍等。将技术难题解决在现场调试之前，离线编程技术的应用使整个项目的各个环节得以并行开展。

  点焊机器人是机电一体化的高新技术产品，主要用于工业自动化生产领域，特别在汽车生产的冲压、焊装、涂装和总装四大生产工艺过程中有着广泛的应用。其中，焊装车间的点焊应用最具代表性。

  随着工业自动化水平的提高及生产规模的不断扩大，焊接机器人得以快速发展，同时，机器人离线编程技术得到了发展和完善。由于机器人离线编程技术具有编程不影响机器人工作，并可通过仿真试验程序以及能够实现复杂运动轨迹的编程等诸多优点，成为机器人研究领域的一大热点。

  本文总结了离线编程技术在首钢莫托曼机器人有限公司点焊项目中的应用。在离线编程技术应用之前，各厂家点焊项目的程序编制和示教工作通常都在现场进行，包括工具尖端点校准、程序流程编制、干涉区设置、再现检验和测试节拍等。而这些工作是一个循环往复、不断优化的过程，尤其在多台机器人协同作业的工作站，这样的作业模式占用了大量调试时间。为解决这一问题，首钢莫托曼从2005年开始研究离线编程技术，以后逐步应用到具体项目之中，通过不断积累经验，完善提高，使这一技术日趋成熟。

 具体应用

  从点焊项目的前期准备到具体实施，离线编程技术都发挥着重要作用，具体应用如下：

  1.点焊机器人选型和场地布置

  离线编程技术能在资本投入之前，鉴别项目的可行性。首先离线编程技术有助于在软件环境中确定项目方案，例如依据生产节拍及场地空间的要求，确定一个工作站需要几台机器人来完成点焊工作、机器人是否需要行走机构等。总体方案确定之后，可以根据焊钳重量、工件大小确定点焊机器人选型。借助仿真软件还可以确定机器人与工件之间的安装位置，包括确定机器人底座高度、机器人与工件之间距离。图1中一台点焊机器人需要兼顾三套工件，在确定夹具位置时，首先利用仿真软件自带的可达性显示功能，图中浅黄色的部分即为机器人可达到的区域，以此为参考初步布置工件位置。当焊钳确定之后，再逐一验证工件上焊点的可达性，确定工件的最终位置。这样的前期工作可靠性很高，不会出现由于机器人和工件位置布置不合理，而造成现场示教时焊点无法达到的情况发生。

 点焊站布置

  2.焊钳选型与焊点可达性验证

  在离线编程技术出现之前，焊钳的选型和焊点可达性验证是通过对工件和夹具的数模进行分析，依靠经验完成的，焊钳通常使用标准件。这样的焊钳选型和焊点可达性验证存在一定的风险，曾经发生过到了客户现场发现焊钳与夹具、工件产生干涉的情况，焊钳需要经过反复修改才能达到要求，导致延误了交工时间，并需追加更多成本。

  使用离线编程技术可以有效避免类似情况的发生。利用仿真软件，我们可以在订购焊钳之前，对每一个焊点和程序过渡点进行可达性和干涉性验证，当出现干涉情况时，可以非常直观并有针对性地对焊钳钳口形状、喉深和喉宽等参数提出修改意见，直至确定出适合工件上所有焊点的专用非标焊钳。

  座椅点焊项目中为适应工件特制的焊钳。该焊钳的固定极和活动极经过反复修改和验证后，能够满足该工件所有焊点的需要。

 焊钳选型

  3.路径优化

  点焊项目中，一台机器人的焊点很少集中分布在同一区域，机器人需要通过变换几种姿态才能完成全部焊接工作。如何使机器人在尽量少的姿态变化中完成预定工作，同时又能在焊接过程中避让开与相邻机器人的干涉，这就需要不断优化焊接路径。在现场由于受到调试时间和调试安全性限制，很难通过一次次调整机器人打点顺序来寻找最优路径，而在计算机中使用离线编程技术来优化焊接路径则变得容易很多。在计算机软件中可以直观地了解工作站中各台机器人的打点位置，从而安排打点先后顺序，避免两台机器人同时出现在同一区域，造成互相等待耽误节拍。而且这些工作在机器人到达现场之前完成，有充足的时间反复尝试，以实现最优。图3为白车身地板线焊接时的焊接顺序图，这是考虑了相邻机器人打点位置后得出的优化路线。有了这样的路径图做指导，对示教人员了解焊接顺序，提高示教效率有很大的帮助。

 焊接路径

  4.干涉区设置

  对于白车身点焊，一个工作站内通常有4台甚至更多台机器人，工作时机器人之间的干涉很难避免。如图4所示，当机器人1和机器人2同时进行B立柱焊接时，两台机器人会发生干涉。通过路径优化，使机器人2先通过干涉区，这样机器人1和机器人2同时工作时不会发生干涉。但是当机器人2在工作中发生故障停在干涉区中时，后进入干涉区的机器人1就会与机器人2发生碰撞，发生事故。因此，通过优化路径可以节约生产节拍，而机器人之间的安全性就需要通过干涉区设置来保障。尤其是当机器人比较多，焊点分布区域广，干涉区重叠时，有的干涉区不能通过路径优化避免，而必须让其中一台机器人等待，在这些情况下干涉区设置成为点焊项目调试中不可或缺的环节。在离线编程技术使用之前，干涉区由示教人员在现场设置，存在干涉区设置不规范、格式不统一等问题。使用离线技术之后，点焊项目干涉区的设置由离线编程人员在仿真软件中使用统一格式完成，并经过反复验证，既保证了机器人之间的安全，又做到路径最佳。

 机器人的干涉区

  5.编写程序

  离线编程技术的一大特点就是在离线的环境下，生成机器人程序。与在线编程相比，离线编程具有减少机器人停机时间、使编程者远离危险的工作环境和便于修改机器人程序等优点。而且随着离线编程技术的发展，仿真软件在离线时可以直接生成点焊命令和点焊的各个参数，包括间隙文件序号、伺服焊钳序号、压力条件文件序号、焊接条件序号、焊机启动时序和焊接条件组输出，节省了现场输入这些参数的时间。图5为离线程序的生成过程，图中左上角的对话框显示机器人的动作姿态，可以通过六个轴的脉冲值或者工具尖端点的空间坐标值来显示。通过调整脉冲值或者坐标值，能够使机器人达到需要的姿态，完成预定的工作。图5中左下的对话框用INFORM语言记录移动命令和此时的脉冲值，由此生成机器人程序。

 离线程序的生成

  6.预测节拍

  运行离线程序时，仿真软件能够记录机器人的运动时间，如图6所示。与实际情况比较，软件中运动时间的误差小于5%。在离线技术出现之前，往往只能通过焊点数目估算机器人的动作节拍，这样带来误差比较大，而使用离线编程技术预测节拍，对把握整个生产节奏，预测产量很有帮助。

 运动时间显示

  7.在线应用

编写离线程序的最终目的是在线应用，在线使用离线程序面临的主要问题是安装误差对程序精度的影响。现场安装与图纸一致时，离线程序可以直接使用。如果现场机器人与工具的相对位置和安装图纸差距较大，离线程序不能直接使用，需要找出安装误差的数值，以此对点焊程序进行平移校准，对平移校准后的程序进行微调后即可使用。

  在线使用离线程序最大的优点在于离线编程的整体规划性。在整体上把握点焊机器人的路径，姿态和干涉区之后，可以提高示教质量，节约现场示教时间，提高示教的工作效率。据首钢莫托曼对最近几个大型项目的统计，使用离线程序示教，与以往现场示教相比，平均节约80%的示教时间。

 结语

  借助离线编程技术，技术人员可以在软件环境中合理分配工艺，模拟焊钳选型和站内布局，优化焊接顺序和干涉区设置，预测生产节拍等，通过离线编程技术将技术难题解决在现场调试之前，使整个项目的各个环节得以并行开展。现场工程师只需将离线程序进行微调和再现验证便可投入使用。克服了现场示教编程大量占用调试时间的不足，使程序得以规范化，提高了现场的调试速度和针对客户需求的响应速度，提高了项目质量。