陳磊 郭金妹 羅國(guó)虎

摘? 要：文章提出了一種產(chǎn)生焊接視覺效果的設(shè)計(jì)方法，并以T型焊接工作站為研究對(duì)象，借助RobotStudio軟件進(jìn)行仿真。首先進(jìn)行了工作站總體方案設(shè)計(jì)及布局;其次完成了仿真方案設(shè)計(jì)，創(chuàng)建了焊槍組件及設(shè)計(jì)了工作站邏輯。最后完成程序編制和仿真分析。仿真的結(jié)果表明：焊接工作站可以實(shí)現(xiàn)焊接過程的視覺效果。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人;視覺效果;仿真

中圖分類號(hào)：TP249? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）34-0024-03

Abstract： This paper presents a design method to produce welding visual effect， and takes T-type welding workstation as the research object， and simulates it with the help of RobotStudio software. Firstly， the overall design and layout of the workstation are carried out; secondly， the simulation design is completed， the welding gun components are created and the workstation logic is designed. Finally， the programming and simulation analysis are completed. The simulation results show that the welding workstation can achieve the visual effect of the welding process.

Keywords： welding robot; visual effect; simulation

引言

制造業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著制造業(yè)水平的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、碼垛、焊接和涂裝等行業(yè)。由于焊接加工存在生產(chǎn)條件差、危險(xiǎn)系數(shù)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等因素，焊接機(jī)器人的應(yīng)用最為廣泛[1]。通過焊接機(jī)器人來完成特定的工作，能夠提高生產(chǎn)效率，同時(shí)當(dāng)不同產(chǎn)品需要焊接時(shí)，只需對(duì)機(jī)器人焊接程序進(jìn)行編寫，即可達(dá)到柔性化的生產(chǎn)需求[2]。

工業(yè)機(jī)器人借助仿真技術(shù)，可以在工業(yè)生產(chǎn)線使用之前事先模擬，在仿真模型中導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人和工作場(chǎng)景，并在仿真軟件中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃和程序編寫，從而合理配置生產(chǎn)線，降低企業(yè)投資成本，縮短工期，提高生產(chǎn)效率，亦可降低焊接過程中的人工風(fēng)險(xiǎn)，保障工人的生命安全[3]。

1 研究現(xiàn)狀

武漢理工大學(xué)章銳等人基于自定義填充策略，計(jì)算各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的偏移量，利用MotoSimEG-VRC離線編程軟件進(jìn)行仿真，然后將程序?qū)氲秸鎸?shí)機(jī)器人中，驗(yàn)證了方案的可行性[4]。山東理工大學(xué)孫增光等人對(duì)焊接機(jī)器人工作站進(jìn)行了SolidWork建模和RobotStudio仿真搭建，根據(jù)實(shí)際情況研究短路過渡的焊接方法，創(chuàng)建了碰撞監(jiān)控[5]。李怡林利用RobotStudio搭建機(jī)器人搬運(yùn)、焊接于一體的雙機(jī)協(xié)作工作站，完成了工作站的離線編程與仿真優(yōu)化，為雙機(jī)協(xié)作的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供可行性參考[6]。但這些文獻(xiàn)都沒有涉及焊接過程中的電弧光和焊接后的視覺效果。

2 研究?jī)?nèi)容及總體設(shè)計(jì)

2.1 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目采用ABB虛擬仿真軟件RobotStudio平臺(tái)，以T型接頭為研究對(duì)象，搭建與生產(chǎn)實(shí)際類型的研究平臺(tái)，選擇系統(tǒng)中的單臺(tái)焊接機(jī)器人，然后對(duì)焊接工件進(jìn)行焊接。由于RobotStudio具有強(qiáng)大且逼真的仿真能力，仿真平臺(tái)中的效果幾乎可以與實(shí)際生產(chǎn)一致。其次，利用軟件的Smart組件功能，進(jìn)行組件設(shè)計(jì)，可以觀察工作單元的信號(hào)狀態(tài)。最后進(jìn)行RAPID語言進(jìn)行程序的編寫，該語言與C語言類似，可以方便的編寫需要的程序，具體來說其研究的主要內(nèi)容為：

（1）利用SolidWorks設(shè)計(jì)熔池三維仿真模型。

（2）根據(jù)研究對(duì)象布局機(jī)器人以及T型接頭。

（3）創(chuàng)建Smart組件、仿真I/O信號(hào)等等。

（4）編制RAPID離線仿真程序。

（5）調(diào)整焊接的時(shí)間間隔，對(duì)比仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)焊接過程的視覺效果的可行性。

2.2 總體設(shè)計(jì)

機(jī)器人T焊接工作站主要由焊接機(jī)器人和T型接頭組成，焊接機(jī)器人選用IRB2600，這是工廠里常有的焊接機(jī)器人。利用SolidWorks軟件制作橢球體，表示熔池，轉(zhuǎn)換為.SAT格式后導(dǎo)入到RobotStudio仿真工作站中[7]，同時(shí)T型接頭的布局要在機(jī)器人可焊接的范圍內(nèi)，可以利用軟件中的顯示工作空間功能，該功能可以顯示2D輪廓和3D體積，避免加工件超過機(jī)器人的工作范圍，最終機(jī)器人T型焊接工作站如圖1所示。本項(xiàng)目進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的焊接任務(wù)，焊接機(jī)器人只需完成一條直線的焊接任務(wù)，焊接開始有電弧光并且形成熔池，最終形成一條連續(xù)的焊縫。

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 Smart組件設(shè)計(jì)

采用RobotStudio中的Smart組件可創(chuàng)建動(dòng)態(tài)視覺效果[8]，焊接工作站的視覺效果為焊槍組件SC_HanQiang，模擬真實(shí)焊接過程中產(chǎn)生的電弧光和焊縫。焊槍組件SC_HanQiang件包含Source子組件、Timer子組件、PositionSensor子組件、LightControl子組件四部分，完成的功能為：機(jī)器人從原點(diǎn)處移動(dòng)到焊接起始點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)焊接起始點(diǎn)Source子組件產(chǎn)生熔池，熔池產(chǎn)生的間隔時(shí)間由Timer 子組件控制，熔池的位置和朝向由PositionSensor子組件確定，同時(shí)LightControl子組件產(chǎn)生電弧光，焊接結(jié)束后，Source子組件關(guān)閉熔池，LightControl子組件關(guān)閉電弧光。電弧光的創(chuàng)建在RobotStudio圖形工具中，需要事先創(chuàng)建點(diǎn)光且打開高級(jí)照明。PositionSensor子組件屬性中的Position和Orientation要分別賦予Source子組件屬性中的Position和Orientation，這樣才能保證熔池產(chǎn)生的位置在焊接處。這四個(gè)子組件的具體屬性設(shè)置和功能如表1。

焊槍組件中的Smart設(shè)計(jì)邏輯如圖2所示，該組件的動(dòng)態(tài)仿真模擬了真實(shí)焊接的視覺效果。其中I/O信號(hào)用于連接各個(gè)組件之間的關(guān)系，Di_Guang作為焊槍組件的輸入信號(hào)，模擬PLC的通信過程，控制LightControl子組件和Timer子組件的激活狀態(tài)，Timer子組件的Output控制Source子組件的激活。

3.2 工作站邏輯設(shè)計(jì)

本文焊接工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需定義一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)do_Guangyuan0，該信號(hào)用來控制焊槍組件SC_HanQiang數(shù)字量輸入信號(hào)di_Guang。當(dāng)焊槍到達(dá)焊接起始點(diǎn)，可使 do_Guangyuan0信號(hào)置1，那么焊槍組建接收到置1信號(hào)，就產(chǎn)生電弧光和熔體這樣的視覺效果，工作站邏輯關(guān)系如圖3所示。

4 系統(tǒng)編程與仿真

4.1 程序編制

本項(xiàng)目是完成T型焊接的工作任務(wù)只需完成一條直線的焊接軌跡，需要強(qiáng)調(diào)的是在程序結(jié)尾加了一個(gè)10秒的延時(shí)時(shí)間，用于觀察焊接的軌跡是否正確。T型焊接焊接工作站的主要程序如下[9]：

PROC Path_10（）

MoveL Target_10，v80，fine，tWeldGun＼WObj：=wobj0; ！機(jī)器人原點(diǎn)

MoveL Target_20，v80，fine，tWeldGun＼WObj：=wobj0; ！焊接起始點(diǎn)

SetDO do_Guangyuan0，1; ！打開信號(hào)

MoveL Target_30，v80，fine，tWeldGun＼WObj：=wobj0; ！焊接終止點(diǎn)

SetDO do_Guangyuan0，0; ！關(guān)閉信號(hào)

MoveL Target_10，v80，fine，tWeldGun＼WObj：=wobj0; ！回到機(jī)器人原點(diǎn)

WaitTime 10; ！等待10秒，用于觀察焊接效果

ENDPROC

4.2 仿真分析

仿真結(jié)束后，可觀察焊接的效果，本文影響焊接的效果有焊接速度，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度，Source子組件中熔池拷貝的時(shí)間間隔。當(dāng)速度為V80mm/s時(shí)，Timer子組件控制熔池拷貝時(shí)間間隔為0.05s時(shí)，最后生成的效果如圖4（a）所示。如果速度保持不變，時(shí)間間隔增加到0.2s時(shí)，效果如圖4（b）所示?？筛鶕?jù)實(shí)際焊接效果，動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬仿真軟件中焊接速度和時(shí)間間隔。

4.3 碰撞檢測(cè)

工業(yè)機(jī)器人在焊接過程中，由于焊槍與工件的距離如果太近就容易出現(xiàn)碰撞，如果距離太遠(yuǎn)，則會(huì)出現(xiàn)電弧不穩(wěn)定，出現(xiàn)氣孔等焊接缺陷，因此焊槍和工件要保持在一個(gè)所規(guī)定的范圍之內(nèi)，而RobotStudio仿真過程中可以設(shè)置碰撞模塊，在程序的執(zhí)行過程中監(jiān)控焊槍是否與焊接對(duì)象或者周邊設(shè)備會(huì)發(fā)生碰撞[10]。在碰撞檢測(cè)分析時(shí)，自行設(shè)定接近丟失的距離，比如3毫米，如果焊接機(jī)器在焊接的過程中，工具與工件距離小于3毫米，則顯示接近丟失的顏色，反之不顯示。如果發(fā)生碰撞，則顯示碰撞顏色，碰撞顏色和接近丟失的顏色可以自行設(shè)定，比如碰撞顏色為紅色，接近丟失顏色為黃色。另外還可通過軌跡跟蹤功能查看仿真路徑是否與焊縫位置一致，如果不一致，需要重新示教焊接點(diǎn)的位置。

5 結(jié)束語

本文通過搭建T型焊接工作站，主要涉及動(dòng)態(tài)Smart組件的設(shè)計(jì)、工作站邏輯設(shè)計(jì)，機(jī)器人離線編程等內(nèi)容。該方案設(shè)計(jì)了焊接過程中的視角效果，模擬了真實(shí)的焊接工作環(huán)境，通過仿真觀察焊接效果，并進(jìn)行人工修正，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。但是本文并沒有具體研究焊槍與工件之間的距離，這需要與實(shí)際生產(chǎn)對(duì)接，其次焊接表面壓力、焊接時(shí)間以及熔融量，這部分也需要進(jìn)一步探討。

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