Robcad在機器人焊接路徑干涉中的應用

孫秀玲， 侯志剛， 石運序

（煙臺大學 機電汽車工程學院，山東 煙臺 264005）

0 引言

隨著技術進步，工業機器人在汽車領域得到了長足發展與廣泛應用，其中以焊接機器人應用最為廣泛，其應用有效解決了工人作業時間長、勞動強度大、焊點質量不穩定等問題，提高了生產效率和產品質量。焊接機器人造價高、焊接過程復雜，若路徑規劃不當，會產生誤傷人、與夾具發生干涉等事故，造成生命財產的極大損失［1-4］。機器人和計算機技術不斷發展的今天，實現對機器人工作過程的仿真十分必要，一是可以提供和機器人進行交互作用的虛擬環境，在計算機上模擬焊接過程；二是可以有效模擬機器人與工件或夾具的碰撞問題以及機器人可達性問題［5-6］。

本文以機器人焊接白車身為例，基于Robcad軟件平臺，提出有效避免機器人焊接過程中與工件或夾具發生干涉問題的解決辦法，對于減少現場調試的時間，降低改造、測試的費用，提高作業安全性有重要意義。

1 Robcad仿真模型建立

運用Robcad軟件仿真焊接機器人對白車身的焊接過程，為真實模擬實際作業工況，仿真前需合理布置焊接作業環境，建立仿真模型，再進行焊接仿真及路徑優化。

1.1 加載機器人、焊槍、夾具和白車身

根據作業要求，選擇合適型號的機器人和焊槍，準備夾具模型和白車身模型，在工作單元（workcell）模塊下分別加載機器人、焊槍、夾具及車身模型，注意保證相互之間準確的位置關系，建立仿真環境。

1.2 導入焊點

將焊點信息整理保存為“POINT+空格+焊點號（小寫字母開頭）+Tab+X值+Tab+Y值+Tab+Z值”格式，如“POINT h0221 490.8-135.7-21.8”，導入焊點，注意保證焊點坐標系與工件坐標系原點一致。

1.3 關聯焊槍

為模擬機器人和焊槍焊接作業的真實狀態，通過Mount命令將焊槍關聯到機器人上，并定義焊槍的工具坐標系（tcp），為保證焊槍焊接時有確定的進入方向和焊接方向，規定焊槍工具坐標系（tcf） 的 Z坐 標（長虛線）為焊槍進入方向，X坐標（長實線）為焊槍動臂方向，如圖1所示。

圖1 關聯到機器人上的焊槍

2 創建并優化焊接路徑

2.1 設置焊點坐標系方向

加載到工件的每一個焊點有其各自的坐標系，為使機器人焊接時焊槍有一定的焊接方向，需對焊點設置焊槍進入方向和焊接方向，如圖2所示。

2.2 創建焊接路徑

打開路徑編輯菜單（Path Editor）顯示焊點坐標，運用菜單中的創建路徑命令（Create Path）創建并命名路徑，如圖3所示。運用測試可達性命令（Test Reach）檢查機器人能否準確到達焊點位置，并觀察機器人到達焊點時的姿態，通過路徑編輯菜單的順序調節命令調整焊接順序中不合理的焊點，完成路徑創建。

2.3 優化焊接路徑

圖2 設置焊槍進入方向和焊接方向

圖3 創建路徑

仿真焊接機器人對已創建路徑的焊接過程，發現機器人與夾具間發生干涉，觀察干涉處機器人的焊接過程，分析造成機器人焊接干涉的原因有3種：1）機器人焊接姿態不好；2）工件上焊點坐標系方向不合適；3）機器人在相鄰焊點間移動缺少過渡焊點。針對上述3種原因，提出以下3種解決方案。

2.3.1 優化焊接姿態

機器人在進行焊接時，焊接姿態有時會發生大翻轉（如圖4所示）對機器人自身結構產生損害，降低機器人壽命，影響焊接精度，并增加了與夾具等發生干涉的機率，因此，需對此類焊點單獨定義機器人焊接姿態。

運用運動菜單（Motion）中Solutions and turns命令查看機器人到達焊點的幾種姿態，選擇合適姿態，用Teach location記錄機器人的軸配置關系（如圖5所示）以此姿態作為機器人再次到達該焊點的動作姿態。

2.3.2 調整焊點坐標系方向

相鄰焊點的坐標系方向相反意味著焊槍焊接時需進行180°翻轉，這不僅增大了干涉發生的機率，而且降低焊接效率和焊接質量，此時需對焊點的坐標方向進行調整，調整方法有以下3種：1）用Placement editor命令單個調整焊點坐標方向；2）用Flip location命令批量翻轉焊點坐標方向；3）用Align orientation命令批量調整焊點坐標方向，使待修改的焊點坐標方向與參考焊點的坐標方向一致。

2.3.3 添加過渡焊點

調整好焊點的坐標方向和機器人的焊接姿態后，仍不能保證機器人在焊接時不會與夾具及工件等發生干涉，因為機器人在相鄰焊點間移動時不能自動規避夾具及工件，因此，需要設置合適的過渡焊點優化路徑，避免干涉的發生。

仿真機器人焊接過程，觀察機器人與夾具間的干涉狀況，初步確定過渡焊點的位置，手動編制過渡焊點，運用Mark_loc命令記錄這一過渡軌跡并加到路徑中，完成對焊接軌跡的優化。

通過Robcad干涉檢查功能檢查機器人與工件及夾具間有無干涉，若仍存在干涉則按上述優化過程繼續調整焊點方向或設置合適的過渡點，直到消除干涉現象。

圖4 機器人大翻轉姿態

圖5 調節機器人焊接姿態

3 結論

利用Robcad仿真平臺建立了白車身焊接仿真模型，創建焊接路徑，對于機器人焊接可達性問題和焊接干涉問題進行了有效模擬，分析干涉產生原因并有針對性地提出了有效避免干涉發生的解決方案：1）通過Solutions and turns命令優化機器人的焊接姿態。2）通過Placement editor命令單個調整焊點方向；或通過Flip location命令或Align orientation命令批量調節焊點方向，優化焊槍焊接方向。3）添加過渡焊點，優化焊接路徑，避免干涉。

應用上述解決辦法，有效避免了白車身焊接過程中干涉的發生，驗證該方案的可行性。對有效減少現場測試、改造的時間和費用有重要意義，仿真機器人的焊接過程為實際作業提供指導作用，使現場工作更加方便。

［1］ 郭洪鑫，馬忠臣.工業機器人發展正當時［J］.機械工程師，2012（12）：3-6.

［2］ 劉慶運，程英，劉濤.基于PID控制的多指手指端驅動力控制系統仿真［J］.機械工程師，2012（12）：53-55.

［3］ 陳猛.快速可重構汽車焊裝制造系統及其關鍵支持技術研究［D］.重慶：重慶大學，2002.

［4］ 劉海江，張春偉，姜冬冬.白車身焊接機器人干涉問題研究［J］.機械設計，2011（3）：41-44.

［5］ 孫巖，魏霞波，楊思松.FANUC機器人焊接工作站仿真技術研究［J］.工業控制計算機，2015（2）：81-82.

［6］ 董詩繪.基于ROBCAD工業機器人規劃路徑仿真的實現［D］.包頭：內蒙古大學，2014.