臧銘書,孫秀玲（.煙臺(tái)艾迪液壓科技有限公司,山東　煙臺(tái)　65500；.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東　煙臺(tái)　64005）

基于Robcad的點(diǎn)焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

臧銘書1,孫秀玲2
（1.煙臺(tái)艾迪液壓科技有限公司,山東煙臺(tái)265500；2.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東煙臺(tái)264005）

摘要：本文介紹了利用Robcad軟件對(duì)汽車白車身點(diǎn)焊機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的工作流程和技術(shù)要點(diǎn)，在汽車縱梁分拼工位中進(jìn)行了實(shí)際的仿真設(shè)計(jì)，有效地提高了工作效率和安全性，表明Robcad軟件在汽車車身焊接生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Robcad；汽車縱梁分拼；點(diǎn)焊機(jī)器人；仿真

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，汽車已經(jīng)成為非常普遍的交通工具，而且需求量不斷攀升，為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在大部分汽車生產(chǎn)廠采用流水線的生產(chǎn)形式。在汽車的制造中,焊接是應(yīng)用最多的連接方式,其中電阻焊占焊接工作量的70%以上,主要形式為點(diǎn)焊。據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛載貨車身約2000多個(gè)焊點(diǎn),一輛轎車車身約4000～5000個(gè)焊點(diǎn)[1-3]。國(guó)外汽車焊接生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)了以柔性、多車型混裝焊接為代表的高度自動(dòng)化、機(jī)器人大量應(yīng)用的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)技術(shù)，國(guó)內(nèi)汽車制造企業(yè)在引進(jìn)國(guó)外生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上已使制造水平大有長(zhǎng)進(jìn)，但與國(guó)外相比仍有較大差距[4]。

應(yīng)用于汽車焊接的工業(yè)機(jī)器人一般為6自由度機(jī)器人，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程復(fù)雜、造價(jià)高，若操作不當(dāng)可能會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)損失，而且現(xiàn)場(chǎng)試教調(diào)試工作量大、難度高，因此，在進(jìn)行實(shí)際的焊接工作之前，仿真機(jī)器人的焊接作業(yè)過(guò)程，并規(guī)劃焊接路徑，對(duì)于避免現(xiàn)場(chǎng)事故、降低現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度有重要意義。

1　Robcad仿真流程

Robcad是原Tecnomatix公司（現(xiàn)屬SIE-MENS公司)于20世紀(jì)80年代推出的大型機(jī)器人仿真系統(tǒng),具有仿真精確、建模快速及易于實(shí)現(xiàn)離線編程的特點(diǎn)[5]。

運(yùn)用Robcad軟件對(duì)汽車縱梁分拼工位進(jìn)行焊接仿真的過(guò)程也就是模擬實(shí)際焊接作業(yè)的過(guò)程，因此，仿真時(shí)首先需要布置焊接作業(yè)環(huán)境，然后建立仿真模型，最后進(jìn)行焊接仿真及路徑優(yōu)化。其主要仿真流程為：數(shù)模轉(zhuǎn)換→定義焊槍→建立仿真模型→路徑規(guī)劃仿真→干涉檢查→離線編程。

2　　汽車縱梁分拼工位仿真

2.1Robcad的數(shù)據(jù)類型及數(shù)模轉(zhuǎn)換

Robcad軟件有兩種格式的數(shù)據(jù)，分別為.ce和.co，.ce數(shù)據(jù)存放機(jī)器人或其他模型的裝配信息，.co數(shù)據(jù)存放機(jī)器人和所需模型的三維信息。

在Robcad中的進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指將不同格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)接口轉(zhuǎn)換成Robcad能使用的數(shù)據(jù)類型[6]。Robcad有多種三維軟件轉(zhuǎn)換接口，可將三維數(shù)模導(dǎo)入并轉(zhuǎn)換到Robcad環(huán)境，仿真實(shí)際環(huán)境的三維環(huán)境，保證機(jī)器人的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用相統(tǒng)一[6]。

仿真前需準(zhǔn)備好焊接夾具、縱梁等模型文件，運(yùn)用Data菜單中的CADImport命令對(duì)其進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。

2.2定義焊槍

2.2.1建立焊槍數(shù)模運(yùn)動(dòng)關(guān)系

為模擬焊槍在焊接過(guò)程中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要定義焊槍的相關(guān)參數(shù)。

在Modeling模塊獨(dú)立打開焊槍的.co文件，通過(guò)Link定義焊槍的靜臂和動(dòng)臂，通過(guò)Axis定義焊槍動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)Joint創(chuàng)建關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式，通過(guò)State菜單中的Edit分別定義OPEN、SEMIOPEN、CLOSE和HOME四種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.2.2建立焊槍工具坐標(biāo)系（tcp）和裝配位置坐標(biāo)系

對(duì)焊槍進(jìn)行焊接作業(yè)仿真時(shí)，需定義焊槍裝配坐標(biāo)系，將焊槍關(guān)聯(lián)到機(jī)器人上，使焊槍跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，并定義焊槍工具坐標(biāo)系，即定義焊槍的作業(yè)點(diǎn)。

通過(guò)GeneralTools菜單中的CreateFrame創(chuàng)建tcp坐標(biāo)系和焊槍的裝配位置坐標(biāo)系,圖1為完成坐標(biāo)系定義的焊槍。

圖1　完成定義的焊槍坐標(biāo)系

2.3建立仿真模型

2.3.1加載機(jī)器人、焊槍、夾具和縱梁

在滿足縱梁分拼作業(yè)要求及空間要求的前提下，選擇KUKA型機(jī)器人，機(jī)器人和焊槍模型是廠家直接提供的，夾具是根據(jù)作業(yè)要求設(shè)計(jì)的，縱梁模型及焊點(diǎn)信息由汽車制造廠提供。通過(guò)GetComponent命令分別加載機(jī)器人、焊槍、夾具及縱梁模型，對(duì)LocateAt項(xiàng)不作處理或通過(guò)Position選項(xiàng)指定部件位置，保證相互之間準(zhǔn)確的位置關(guān)系。

2.3.2導(dǎo)入焊點(diǎn)

運(yùn)用wold_locs命令導(dǎo)入焊點(diǎn)。將焊點(diǎn)信息保存為“POINT+空格+焊點(diǎn)號(hào)（小寫字母開頭）+Tab+X值+Tab+Y值+Tab+Z值”格式。

例如：“POINTh0141490-13-21”

將縱梁分拼焊點(diǎn)按照上述格式整理保存為“.pt”格式的文件，如圖2所示。

圖2　　焊點(diǎn)文件

2.3.3關(guān)聯(lián)焊槍

通過(guò)Motion命令將焊槍上的裝配坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)到機(jī)器人的坐標(biāo)系上，并按規(guī)則設(shè)置工具坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向，規(guī)則為Z坐標(biāo)（長(zhǎng)虛線）表示焊槍進(jìn)入方向，X坐標(biāo)（長(zhǎng)實(shí)線）表示焊鉗動(dòng)臂方向。

2.4路徑規(guī)劃仿真

2.4.1設(shè)置焊鉗動(dòng)作方向

為使焊鉗作業(yè)時(shí)動(dòng)、靜臂的動(dòng)作方向與實(shí)際一致，需設(shè)置焊鉗動(dòng)作方向。

通過(guò)Spot_setup命令，將焊鉗進(jìn)入方向Approach修改為Z，再將焊鉗動(dòng)臂方向Perpendicular修改為X，如圖3所示。

圖3　設(shè)置焊槍動(dòng)作方向

2.4.2創(chuàng)建焊接軌跡

通過(guò)PathEditor命令顯示所有焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)樹，將焊點(diǎn)編制成組并命名路徑。

通過(guò)Motion命令仿真機(jī)器人到達(dá)焊點(diǎn)坐標(biāo)的姿態(tài)并檢查焊點(diǎn)是否可達(dá)，為保證機(jī)器人到達(dá)焊點(diǎn)時(shí)具有良好的姿態(tài)，需適當(dāng)調(diào)整焊點(diǎn)方向，用PlacementEditor命令調(diào)整單個(gè)焊點(diǎn)方向，用Flip Location或者AlignOrientation命令批量調(diào)整焊點(diǎn)方向，使焊點(diǎn)X軸與工具坐標(biāo)系X軸方向保持一致。

機(jī)器人走完焊接軌跡后手動(dòng)編制機(jī)器人返回原點(diǎn)或至另一焊點(diǎn)，運(yùn)用Mark_loc命令記錄這一過(guò)渡軌跡，編制到焊接路徑，完善路徑。

2.5干涉檢查

在實(shí)際生產(chǎn)中，車身和夾具等結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，機(jī)器人和焊槍與車身和夾具的干涉一般不易被發(fā)現(xiàn)，Robcad具有自動(dòng)干涉校驗(yàn)功能，運(yùn)用CollisionSetup菜單中的DefinePair命令定義干涉檢查的干涉項(xiàng)，如在Firstlist欄中添加車身和夾具，在Secondlist欄中添加機(jī)器人和焊槍，若發(fā)生干涉系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警提示(發(fā)出聲音或紅色報(bào)警顯示)，通過(guò)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)和焊點(diǎn)的方向來(lái)避免干涉，以此來(lái)避免實(shí)際生產(chǎn)中的損失。

2.6離線編程

機(jī)器人的編程有在線示教編程和離線編程（OLP）兩種，在線示教編程為與控制模塊連接時(shí)的編程，離線編程為與機(jī)器人或者控制模塊斷開時(shí)的編程，與在線示教編程相比，離線編程的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）減少機(jī)器人停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；

（2）遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作環(huán)境；

（3）實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/ROBOTICS一體化；

（4）可提高編程精度[7、8]。

縱梁分拼路徑復(fù)雜，要求精度較高，進(jìn)行離線編程顯得尤為重要。在進(jìn)行OLP調(diào)試前需要對(duì)機(jī)器人校準(zhǔn)。通過(guò)OLP模塊可以設(shè)置與已選型機(jī)器人相配套的控制器，在生成的OLP程序中包括焊槍參數(shù)、焊點(diǎn)焊接順序和路徑信息、運(yùn)行速度和加速度、軌跡類型信息、基坐標(biāo)、工具中心坐標(biāo)等。

通過(guò)離線編程很大程度地減少了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的編程量，縮短了項(xiàng)目周期，節(jié)約成本，提高現(xiàn)場(chǎng)工作的安全性[9]。

3　結(jié)論

在Robcad軟件的應(yīng)用中，路徑規(guī)劃仿真和干涉檢查是關(guān)鍵技術(shù)，是保證機(jī)器人實(shí)際作業(yè)高效性和可靠性的主要因素，通過(guò)Robcad在縱梁分拼工位中的實(shí)際應(yīng)用，表明可以方便地進(jìn)行焊接軌跡的創(chuàng)建與優(yōu)化，易于發(fā)現(xiàn)和解決焊槍干涉等問(wèn)題，能有效避免實(shí)際作業(yè)中事故的發(fā)生，通過(guò)離線編程，減少現(xiàn)場(chǎng)示教、調(diào)試?yán)щy，因此Robcad軟件在汽車焊裝生產(chǎn)中具有重要的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介:臧明書(1969-),男，山東萊陽(yáng)人,本科，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。