機器人離線仿真編程在動力電池制造領域的應用

韓健

蔚來 江蘇南京 210058

隨著低碳化趨勢與油價上漲，眾多汽車廠家正加速轉向純電動車制造。2022年1—4月，中國新能源汽車銷售了256萬輛，占全球新能源車銷量的57%，由此可見，新能源市場需求正快速擴大，作為新能源電動車重要組成部分的動力電池需求也是節(jié)節(jié)攀升。

動力電池制造自動化

動力電池生產(chǎn)如圖1所示，分為電芯生產(chǎn)、模組生產(chǎn)和PACK生產(chǎn)，其中模組生產(chǎn)設備自動化率較高，從電芯上料到模組下線，中間的生產(chǎn)過程基本無需人員參與，可以實現(xiàn)100%的自動化率，其中的關鍵就是使用了大量的工業(yè)機器人，從而代替人工操作，實現(xiàn)搬運、堆疊及貼膠等重復、繁重、精細的工作，大大減少生產(chǎn)線對人員的需求。

所以，工業(yè)機器人在模組的生產(chǎn)過程中扮演了極其重要的角色，機器人可以按照預先編制好的程序自動運行，實現(xiàn)工件點對點的自動搬運，如圖2所示。機器人軌跡的重復精度很高，比如ABB6700機器人可以達到0.1mm的重復精度，這樣的搬運精度足以保證生產(chǎn)線的高效和精確運行，所以，機器人運行程序的編制就顯得尤其重要，直接影響到機器人是否準確的運行。

機器人編程方式

機器人編程分為兩種，在線編程和離線編程。

在線編程也叫示教編程，是指操作人員通過人工手動的方式利用示教器操作機器人。使用示教器提供的用戶界面，移動機器人到指定的位置并記錄下這個點位，將這些點位通過移動指令連接起來就形成了軌跡程序。

離線編程是通過在電腦上使用專用的編程軟件對機器人進行編程，最后再將編寫的程序上傳到現(xiàn)場的機器人中的一種編程方法。市面上主流的不同品牌機器人使用不同的離線編程軟件，請見下表1。

表1 常見離線編程軟件

也有一些離線編程軟件可以適用于不同的機器人品牌，比如西門子的PDPS軟件，就可以適用市面上大多數(shù)的機器人品牌。

離線編程優(yōu)勢

應用離線編程，具有以下5大優(yōu)勢：

1）編程工作在電腦上完成，無需在現(xiàn)場利用實際的機器人完成編程工作，不影響現(xiàn)場生產(chǎn)。

2）在現(xiàn)場設備安裝之前，就可以利用離線軟件提前在電腦上進行編程，縮短現(xiàn)場機器人軌跡調(diào)試時間。

3）程序容易修改，在電腦上利用離線編程軟件即可完成，方便快捷，非常直觀。

4）能夠在電腦上模擬實現(xiàn)多臺機器人的聯(lián)機動作，并且可從多個角度檢查機器人之間是否會發(fā)生碰撞，避免真實環(huán)境中的機器人碰撞，影響生產(chǎn)，造成機器人及相關設備的損壞。

5）在離線編程中，可以輕松獲得節(jié)拍、程序、機器人安裝位置以及干涉區(qū)設置等重要數(shù)據(jù)。

由于以上優(yōu)點，在當前數(shù)字工廠技術作為智能制造研究熱點的前提下，離線編程技術被越來越廣泛的應用。

離線編程項目實施

一個新的機器人項目，需要如下步驟來開展離線編程的項目實施。一套完整的機器人離線編程系統(tǒng)主要包括四個部分，如圖3所示（以ABB離線編程軟件Robotstudio為例）。

圖3 機器人離線編程系統(tǒng)

（1）數(shù)據(jù)庫搭建 建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫是搭建離線編程系統(tǒng)的關鍵，也是關乎離線環(huán)境與實際環(huán)境一致性的關鍵，數(shù)據(jù)庫通常包含以下3個方面的數(shù)據(jù)。

1）產(chǎn)品數(shù)據(jù)。產(chǎn)線上加工制造的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。因為電池行業(yè)的機器人應用主要是搬運和堆疊，所以最重要的是產(chǎn)品的外形和尺寸，通常這個數(shù)據(jù)都是來源于研發(fā)部門，要確保數(shù)據(jù)是最新版本，這關乎到后期檢查產(chǎn)品是否與其他設備發(fā)生干涉。數(shù)據(jù)格式最好是step格式，方便導入離線編程軟件，如圖4所示電池模組和電芯。

圖4 電池模組及電芯

2）設備資源數(shù)據(jù)。包括工裝、夾具、機器人抓手、機器人、產(chǎn)線以及外圍附屬設備。機器人，機器人數(shù)據(jù)通常都是離線軟件自帶，可以從離線軟件中根據(jù)機器人型號選擇不同的機器人。

3）工裝夾具。工裝和夾具數(shù)據(jù)通常是由設計方提供數(shù)據(jù)，需確保是最新版本，數(shù)據(jù)格式最好是step格式，方便導入離線編程軟件，如圖5所示夾爪。

圖5 工裝夾具

附屬設備、外圍安全欄及輸送鏈等可以從離線軟件庫中直接導入，如下圖6所示安全柵欄和輸送鏈。

圖6 安全柵欄和輸送鏈

設備布局圖，可以精準、準確地反映設備之間的相對位置，包括設備與產(chǎn)線附屬設備之間的相對位置，這對搭建準確的仿真環(huán)境至關重要，格式最好是CAD的，可以直接測量尺寸。

（2）模擬環(huán)境搭建 根據(jù)設備布局圖在離線軟件中搭建和現(xiàn)場1∶1的模擬環(huán)境，如圖7所示，包括機器人、工裝、產(chǎn)品及安全柵等，模擬環(huán)境須準確的表達出設備之間的相對位置，這直接關系到后期編制程序的準確性。

圖7 模擬環(huán)境搭建

（3）機器人配置 如圖8所示，在仿真環(huán)境中對機器人進行系統(tǒng)配置，使虛擬的機器人系統(tǒng)和實際的機器人系統(tǒng)保持一致，比如機器人型號、是否有外部軸、工件坐標系、工具坐標系及機器人安裝方式等，只有系統(tǒng)配置準確，離線仿真出來的程序才能正確地導入現(xiàn)場的實際機器人，可以在這個界面配置機器人系統(tǒng)的各種參數(shù)。

圖8 機器人配置示意

（4）仿真編程 如圖9所示，在模擬仿真環(huán)境中，利用仿真軟件進行編程，編程邏輯要遵守事先規(guī)劃好的工藝流程，要結合實際經(jīng)驗充分考慮以后實際過程中的應用場景，進行機器人離線模擬編程與程序輸出（包含機器人原點位置程序、機器人Ready位置程序、作業(yè)程序、機器人維護位置程序、機器人干涉互鎖圖及節(jié)拍表等）。重點檢查以下幾個方面：

圖9 模擬仿真環(huán)境

1）機器人與機器人、機器人與工裝夾具之間的互鎖信號設定。

2）節(jié)拍計算，對超出節(jié)拍的軌跡或者工序進行程序優(yōu)化，從軌跡的速度、路徑、與外圍設備的信號交互等方面進行節(jié)拍優(yōu)化。

3）注意多臺機器人之間的防撞互鎖信號設置，要在模擬環(huán)境中充分進行驗證。

離線編程關鍵

1.數(shù)字工廠與實物工廠一致性

目前數(shù)字工廠數(shù)據(jù)庫需要由專門的公司進行數(shù)據(jù)維護和更新，目前主要采用三維激光掃描進行實物工廠設備數(shù)據(jù)采集，并進行數(shù)據(jù)庫的更新，再同步更新到離線編程的模擬環(huán)境中去，做到“所見即所得”，如圖10所示。

圖10 一致性示意

設備方面主要采集數(shù)據(jù)內(nèi)容：生產(chǎn)線布局&外圍安全柵及附屬品；機器人&附屬品；生產(chǎn)線夾具、基準托盤；機器人。

2.機器人離線編程與再現(xiàn)精度

目前機器人離線編程的精度偏差。主要取決于設備安裝位置、機器離線程序和機器人夾具本體精度三方面的累積偏差。機器人安裝位置偏差可以由三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)進行補償，精度控制在毫米級別；機器人離線通常都是由機器人廠家自己開發(fā)的離線軟件完成，誤差基本可忽略不計；同時節(jié)拍計算精度達到微秒級，如圖11所示。

圖11 節(jié)拍計時

通過三方面的精度確保，機器人離線軌跡與實際位置偏差小于3mm。極大縮短了機器人現(xiàn)場示教調(diào)整時間，成為新項目導入時間大大縮短的關鍵因素。

結語

離線編程技術不僅僅是簡單在電腦上編制機器人軌跡程序，而是要構建數(shù)字化工廠的重要組成部分。從產(chǎn)品周期上涵蓋了產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、工程計劃及設備安裝調(diào)試等方面。離線編程的應用可以大大縮短現(xiàn)場調(diào)試時間，可以驗證設備布局，可以測試工位節(jié)拍，可以驗證產(chǎn)品設計及工裝夾具設計。

數(shù)字化、智能化是制造業(yè)的必經(jīng)發(fā)展過程，離線編程技術也是一個不斷進步和發(fā)展的過程，在這工業(yè)信息化變革的歷史關口，必將扮演越來越重要的角色。中國制造要把握機會，奮勇直追，趕上這次工業(yè)4.0信息化的大浪潮。