弧焊機器人系統(tǒng)及焊接示教編程技術(shù)

高黨尋，周冰科，姚啟明，徐江波

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084）

0 引言

焊接作為工業(yè)制造中的“鋼鐵裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的作用，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化與智能化已經(jīng)成為必然趨勢，采用機器人焊接已經(jīng)成為焊接技術(shù)自動化的主要標志[1]。

機器人從20 世紀60 年代誕生至今經(jīng)歷了示教再現(xiàn)階段、離線編程階段和自主編程階段。因技術(shù)尚未成熟，目前在國內(nèi)外生產(chǎn)中應(yīng)用的機器人系統(tǒng)多數(shù)處于示教再現(xiàn)編程階段。工業(yè)機器人的示教主要有2 種方式：①在線示教。由技術(shù)人員引導(dǎo)，控制機器人運動，記錄機器人作業(yè)的程序點并插入所需的機器人命令來完成程序的編寫；②離線示教。操作者不對實際作業(yè)的機器人直接進行示教，而是在離線編程系統(tǒng)中進行編程或在模擬環(huán)境中進行仿真，生成示教程序，通過PC 機間接對機器人控制柜進行示教。以直接示教來探討示教編程方法。

以清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心材料成型實驗室現(xiàn)有的KUKA-KR 5 arc 6 自由度弧焊機器人為研究對象，通過對直線軌跡、圓弧軌跡及其各自附加擺動功能示教編程方法的探討，嘗試實現(xiàn)板—板對接的機器人焊接試驗，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和機器人駕馭能力。拓寬學(xué)生對焊接技術(shù)在機械化自動化方面的了解以及對數(shù)字化制造的認知。

1 KUKA-KR 5 arc 弧焊機器人示教編程

1.1 弧焊機器人示教系統(tǒng)組成

弧焊機器人示教系統(tǒng)主要是由機器人主體、機器人控制柜、示教面板、數(shù)字焊機、焊槍、送絲機構(gòu)、焊絲盤架、焊槍防撞系統(tǒng)、控制電纜組成的整體，此外，還包括外部裝置電氣控制、工作臺、工裝夾具、擴展設(shè)備，如外部軸（變位機、直線移動機構(gòu)）等。弧焊機器人示教系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 弧焊機器人示教系統(tǒng)組成

除了以單臺機器人為主構(gòu)成的焊接系統(tǒng)外，還采用多機器人協(xié)作的方式組成焊接工作站或機器人焊接生產(chǎn)線[2]，清華大學(xué)弧焊機器人實驗室就采用雙機器人與單軸變位機協(xié)同組成雙機器人工作站如圖2 所示。

圖2 雙機器人弧焊工作站

1.2 機器人示教系統(tǒng)及示教內(nèi)容

KUKA-KR 5 arc 機器人的示教編程主要是在示教器（smart－PAD）上進行。KUKA-KR 5 arc 機器人示教器在同行業(yè)中最先采用Windows XPe V3.0.0 操作系統(tǒng)和可視性好的大屏幕彩色液晶顯示器，使用移動鍵實現(xiàn)簡單操作（圖3）。機器人示教器各種功能鍵說明見表1。

表1 機器人示教器各種功能鍵說明

圖3 SmartPAD

弧焊機器人運動軌跡的示教主要是確認點的屬性，即采用PTP、LIN、CIRC 等方式示教各段運動軌跡的首末端點，而端點之間的連續(xù)運動軌跡控制（CP）由機器人控制柜產(chǎn)生。機器人示教編程內(nèi)容包括：新建文件、選擇坐標系、移動機器人、插入運動動作（PTP、LIN、CIRC 等）、添加焊接指令、收弧指令、選擇示教速度、設(shè)置合理焊接參數(shù)（焊接電流、電壓、焊接速度）和保護氣體流量，最后要進行手動慢速運行（T1 模式）檢查程序[3]。確保程序正確無誤后，方可進行引弧施焊。

2 弧焊機器人典型軌跡示教

作為KUKA-KR 5 arc 機器人主要實現(xiàn)直線軌跡、圓弧軌跡、直線擺動軌跡和圓弧擺動軌跡4 種類型焊接功能。其他任何復(fù)雜的焊接軌跡都可拆分為這4 種基本形式。

2.1 線性（LIN）軌跡示教

對于線性運動，機器人坐標軸按照TCP 或工件參考點沿直線移動到終點的方法來控制。

如果機器人以規(guī)定的速度沿著一個精確的路徑到一個點，則使用線性運動。完成直線運動焊縫的焊接僅需2 個屬性點，即焊接起始點和焊接結(jié)束點，完成非直線運動焊縫時最需要插入焊接維持點。以圖4 所示運動軌跡為例，闡述線性運動示教編程時需要注意的要點。

圖4 直線軌跡

示教和編程直線P2→P3→P4→P5→P6，P3→P4→P5 線段設(shè)為焊接區(qū)間。焊接機器人起始位置（HONE）設(shè)為P1 點。

示教P1→P2 點：機器人HOME（P1）點，點擊【菜單】“動作”，選擇“PTP”；將機器人移動到P2 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P1 到P2 為“PTP”運動形式。

示教P2→P3 點：機器人P2 點，點擊【菜單】“動作”，選擇“LIN”；將機器人移動到P3 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P2到P3 為“LIN”運動形式。

示教P3→P4→P5 點：機器人P3 點，點擊【菜單】“指令”，選擇“ARCON”，運動形式為“LIN”，即P3 點為焊接起始點，設(shè)置焊接速度1.00 m/min，并完成焊接電流、焊接電壓的設(shè)置。將機器人移動到P4 點，點擊【菜單】“指令”，選擇“ARCSWICH”并確定參數(shù)，即P4 點為焊接維持點，將機器人移動到P5 點，點擊【菜單】“指令”，選擇“ARCOFF”并確定參數(shù)，即P5 點為焊接結(jié)束點。

示教P5→P6 點：機器人P5 點，點擊【菜單】“動作”，選擇“PTP”；將機器人移動到P6 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P5到P6 為“PTP”運動形式；示教程序如下：

注：程序內(nèi)P 點數(shù)字為了與圖中一致便于讀者好理解，可能與實際編寫時有差別。

2.2 CIRC 軌跡示教

示教、編程直線和圓弧組合P2→P3→P4→P5→P6，如圖5所示。P3→P4→P5 圓弧段設(shè)為焊接區(qū)間。焊接機器人起始位置設(shè)為P1 點。

圖5 圓弧軌跡

示教P1→P2 點：機器人HOME（P1）點，點擊【菜單】“動作”，選擇“PTP”；將機器人移動到P2 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P1 到P2 為“PTP”運動形式。

示教P2→P3 點：機器人P2 點，點擊【菜單】“動作”，選擇“LIN”；將機器人移動到P3 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P2到P3 為“LIN”運動形式。

示教P3→P4→P5 點：機器人P3 點，點擊【菜單】“指令”，選擇“ARCON”，運行形式為“CIRC”即P3 點為焊接起始點，設(shè)置焊接速度1.00 m/min，并完成焊接電流、焊接電壓的設(shè)置。將機器人移動到P4 點，點擊【菜單】“輔助點坐標”，即P4 點為圓弧維持點，將機器人移動到P5 點，點擊【菜單】“目標點坐標”，即P5點為圓弧目標點，并確定參數(shù)，然后點擊【菜單】“指令”選擇“ARCOFF”并確定參數(shù)，即P5 點也為焊接結(jié)束點。

示教P5→P6 點:機器人P5 點，點擊【菜單】“動作”，選擇“PTP”；將機器人移動到P6 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P5到P6 為“PTP”運動形式；示教程序如下：

注：程序內(nèi)P 點數(shù)字為了與圖中一致便于讀者好理解，可能與實際編寫時有差別。

2.3 擺動軌跡示教

為了能夠有效控制焊接熱輸入及提高焊接效率，需要配合使用焊槍擺動功能。擺動方式有：Spiral（螺旋形）、Trapezoid（梯形）、Triangle（三角形）、UnsymetricTrapezoid（不對稱梯形）等類型。擺動軌跡示教如圖6 所示，“三角形”擺動模式如圖7所示。

圖6 擺動軌跡示教

直線擺動示教用“LIN+擺動模式”，圓弧擺動用“CIRC+擺動模式”，對圖7 給出的運動軌跡進行示教來說明擺動功能示教的關(guān)鍵。以“三角形”擺動模式為例。

焊接機器人起始位置設(shè)為P1 點，圖7 中，P2→P3→P4→P5四點構(gòu)成直線擺動軌跡，其中P2 為焊接起始點，P3、P4左右距離為擺動長度，P3、P4上下距離的為擺動偏轉(zhuǎn)。P5→P6→P7→P8→P9 五點構(gòu)成圓弧擺動軌跡，P5 為圓弧焊接起始點也是焊接維持點，P6、P7 左右距離為擺動長度，P6、P7 上下距離的為擺動偏轉(zhuǎn)，P8 為圓弧焊接輔助點，P9 為圓弧焊接目標點也是焊接結(jié)束點。P1、P10 為空走點。

圖7 “三角形”擺動模式

示教P1→P2 點：機器人HOME（P1）點，點擊【菜單】“動作”，選擇“PTP”；將機器人移動到P2 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P1 到P2 為“PTP”運動形式。

示教P2→P5 點：機器人P2 點，點擊【菜單】“指令”，選擇“ARCON”，運動形式為“LIN”，然后點擊【W(wǎng)DAT2?】在擺動菜單選擇“三角形”，輸入合適的“長度”、“偏轉(zhuǎn)”參數(shù)，設(shè)置焊接速度1.00 m/min，并完成焊接電流、焊接電壓的設(shè)置，將機器人移動到P5 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P2 到P5 為“LIN+三角形擺動”運動形式。

示教P5→P9 點：機器人P5 點，點擊【菜單】“指令”，選擇“ARCSWICH”，運行形式為“CIRC”，然后點擊【W(wǎng)DAT3?】在擺動菜單選擇“三角形”，輸入合適的“長度”、“偏轉(zhuǎn)”參數(shù)，即P5 點為焊接起始點，將機器人移動到P8 點，點擊【菜單】“輔助點坐標”，即P8 點為圓弧輔助點，將機器人移動到P9 點，點擊【菜單】“目標點坐標”，即P9 點為圓弧目標點，并確定參數(shù)，然后點擊【菜單】“指令”選擇“ARCOFF”并確定參數(shù)，即P9 點也為焊接結(jié)束點。

示教P9→P10 點：機器人P9 點，點擊【菜單】“動作”，選擇“PTP”；將機器人移動到P10 點后確定參數(shù)，即設(shè)定機器人從P9到P10 為“PTP”運動形式；示教程序如下：

注：程序內(nèi)P 點數(shù)字為了與圖中一致便于讀者好理解，可能與實際編寫時有差別。

3 結(jié)語

隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、柔性化與智能化已經(jīng)成為必然趨勢，采用機器人焊接已經(jīng)成為焊接技術(shù)自動化的主要標志。當(dāng)今市場迫切需求能嫻熟駕馭機器人的技術(shù)人才，以KUKA-KR 5 arc 6 自由度弧焊機器人為例，介紹和討論弧焊機器人示教系統(tǒng)的組成，歸納總結(jié)焊接在線示教編程的內(nèi)容與流程，分析直線、圓弧、直線擺動和圓弧擺動4種典型運動軌跡的弧焊機器人焊接示教編程要領(lǐng)，并對該程序各指令的功能逐一進行詳細的分析和介紹。