六自由度關節式焊接機器人與變位機離線編程仿真設計

摘" 要：應用SolidWorks和RobotStudio軟件，建立由IRB1410焊接機器人和兩自由度變位機協同完成焊接軌跡的仿真工作站。選用PKI-500焊接末端工具，建立末端焊接工具坐標系，采用三點坐標法創建工件坐標系。創建仿真設計的I/O信號，并進行信號關聯，編寫機器人的仿真設計程序。創建碰撞監控，保證焊槍與焊件在示教和仿真運行時不發生碰撞。運用TCP跟蹤功能驗證焊縫軌跡的準確性。在示教器中不斷優化焊接參數，從而得到理想的焊縫。通過對焊接工作站的仿真設計，優化工藝過程，提高生產效率。

關鍵詞：焊接機器人;氣體保護焊;RobotStudio;工作站;編程

中圖分類號：TP242" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0038-04

Abstract： By using SolidWorks and RobotStudio software， a simulation workstation is established， in which the welding trajectory is completed by IRB1410 welding robot and two-degree-of-freedom positioner. The PKI-500 welding end tool is selected， the coordinate system of the end welding tool is established， and the workpiece coordinate system is created by the three-point coordinate method， to create the Istroke O signal of the simulation design， carry on the signal correlation， and write the simulation design program of the robot. Collision monitoring is created to ensure that the welding torch and the weldment do not collide during teaching and simulation. The accuracy of weld trajectory is verified using TCP tracking function. The welding parameters are continuously optimized in the teaching device production screen， so as to get the ideal weld. Through the simulation design of the welding workstation， it is helpful to improve the working conditions and production efficiency.

Keywords： welding robot; gas shielded welding; RobotStudio; workstation; program

在船舶、航空、汽車和工程機械等眾多領域中，焊接工藝在機械零件的連接形式中優勢日趨明顯[1]。但因其對從業人員具有一定的損傷，在一定程度上限制了焊接的發展，因此焊接技術將向如何將工人從現場解放出來的方向發展，研發設計機器人焊接代替人工焊接勢在必行[2-3]。機器人從事焊接工作不僅改善因環境造成的人員傷害及安全問題，而且焊接機器人的推廣使用大大降低了從業人員的工作強度;焊工的技術水平影響焊接質量，應用焊接機器人在一定程度上減少對焊接人員經驗的依賴[4]。同一批焊接機器人在焊接參數相同時，機器人焊接與手工焊接比較具有較好一致性，且具有較高的焊接質量，避免因人員技術水平參差不齊，導致部分產品不合格的問題。

使用離線編程虛擬仿真技術，按真實的機器人工作站創建虛擬工作站，對實際焊接任務進行模擬示教，仿真測試實際生產過程，預判及測試實際焊接軌跡方案是否合理[5-6]。并且對于同一焊接工作站，更換不同零件完成安裝定位后，只需調試設計焊接程序即可，因此虛擬仿真技術的應用，對縮短焊接生產周期和降低勞動成本有重要作用[7-8]。

虛擬仿真技術不僅能模擬已建成的工作站的生產過程，也可以開展要設計的焊接工藝項目的開發，預先對焊接工作站的實施方案及工藝設計進行測試。離線仿真在脫機的境況下完成對焊接工藝的設計及虛擬機器人與變位機的焊接過程，不影響機器人正常的焊接任務，便于工藝人員規劃焊件的焊接軌跡，編寫焊接程序，分析和預判焊接質量，對已測試完成的安全可靠的焊接程序，導入機器人進行焊接，提升焊接程序設計的可靠性，可以有效縮短焊接的工藝設計周期，降低生產成本，提高企業的競爭力[9]。

1" 創建焊接機器人仿真工作站

通過建模軟件創建工作臺和周邊設備并輸出stp格式，導入到機器人仿真軟件中，建模設計工件及工作臺結構與實際尺寸一致，焊接工作站主要由焊接機器人IRB1410、兩自由度變位機、洗槍輔助設備、焊機和護欄等組成，焊接機器人仿真工作站如圖1所示。

創建機器人仿真工作站完成焊接軌跡測試，模擬機器人及變位機協同軌跡規劃，創建機器人與變位機、洗槍輔助設備等外部設備信號連接，模擬機器人與周邊設備邏輯控制過程，檢查機器人安全工作區域，避免焊接機器人與變位機工作不在有效工作范圍之內，完成工作站的整體布局，建立模擬安全可靠的焊接機器人工作站。

2" 焊接系統設置

2.1" 焊接參數選擇

選擇焊接的工件為圓盤?150 mm×50 mm與圓盤?100 mm×50 mm的Q235低碳鋼件疊放焊接，這種鋼材焊接性優良，后續不需要熱處理。為提升焊縫焊接質量，減小機器人在焊接時各關節擺動范圍，采用變位機和機器人協同焊接方法，優化機器人焊接姿態，采用二氧化碳（20%）和氬氣（80%）做保護氣體。焊機和機器人的配置參數見表1。

2.2" 焊接送氣供電配置設計

焊接的送氣供電流程是先送入保護氣，再進行通電送絲，在工件起始焊接處起弧，調節焊接姿態進行焊接，在焊接收弧處結束焊接熔絲，停止焊接后回到安全點。在焊接過程中焊機通電前先進行送氣，在起弧之前預先送到焊接區域，排盡氣管中的空氣，焊絲凝固過程中仍需要不斷輸送保護氣，防止焊接后焊絲氧化，停止焊接后繼續通入保護氣，延遲片刻后停止送保護氣。焊接送氣供電控制流程如圖2所示。

2.3" 焊接軌跡設計

虛擬仿真設計的焊接軌跡如圖3所示，焊接軌跡的原始home點，調節焊接機器人位姿到達start點，直線運動到P1點起弧開始焊接，由圓弧運動指令經P2點到達P3點，變位機和機器人協同調節姿態，經P4點到達P1點，再返回到start點，再運動到原始home點，在各點處不斷協同機器人和變位機，確保各點安全穩定運行不出現奇異點，并且得到優化的焊接姿態和焊縫質量。

3" 系統編程與仿真

3.1" 焊接程序編寫

設計主程序main（）函數和子程序Path_20（），運行時由主函數中調用子函數方式進行仿真設計焊接軌跡，焊接軌跡通過路徑模塊進行手動示教，再同步到機器人示教器完成示教，Target30為安全點，起弧點為Target40，圓弧指令完成Target50和Target60，再由Target70回轉到Target40，最后返回到Target30安全點，完成焊接軌跡仿真設計，程序設計界面如圖4所示。

焊接機器人仿真軌跡設計之后，對焊接軌跡進行防碰撞檢測，模擬焊絲與焊縫距離偏差，當偏差超過一定范圍時焊道的熔融焊絲不均，影響焊縫焊接質量，焊接軌跡防碰撞檢測距離預設定為最大偏差為安全值，在一定范圍內通過防碰撞檢測測試焊接軌跡與焊縫的偏差。軟件的設計功能是在預設定的安全距離內顯示顏色為黃色，在小于安全距離時顯示紅色。焊縫軌跡防碰撞監控如圖5所示。

3.2" 仿真分析

程序設計完成后，由TCP軌跡設計仿真功能，模擬焊接設計軌跡，并進行焊接軌跡與焊縫輪廓分析，觀察各示教點的位姿，對存在的奇異點位姿，仿真軟件提示軌跡無法到達并停止仿真，由此驗證各軌跡的安全可靠，對軌跡出現的奇異點重新修正再進行模擬仿真，直至能進行仿真，TCP軌跡仿真測試結果如圖6所示。

在虛擬仿真示教焊接軌跡過程中并不能直接反映焊接質量優劣，應建立更多仿真設計焊接工作站和焊接軌跡的運行模擬情況，焊接質量仍需要通過實際的焊接情況進行判斷，通過實際焊道的熔融情況及專用的焊接質量檢測裝置測試，反映實際焊接質量，通過虛擬仿真與真實焊接結合，并不斷調節焊接參數，如焊接速度和送絲速度及電流電壓的關系，這是一種較快速便捷的方式，優化焊縫的焊接質量。

4" 結論

應用SolidWorks的三維建模功能與RobotStudio軟件的仿真功能建立焊接工作站，為焊接生產提供理論依據和試驗平臺，模擬復雜焊件的焊接軌跡，為焊接生產提供焊接姿態優化數據，并修正工藝參數以獲得優化的焊接路徑，仿真設計的軌跡數據可以直接傳輸到現場，減少工作站的設計和調試時間，焊接機器人的離線編程仿真設計對焊接質量提升及優化軌跡有重要意義。

參考文獻：

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[4] 郝建豹，許煥彬，林炯南.基于Robot Studio的多機器人生產線仿真設計[J].組合機床與自動化加工技術，2017（11）：122-125.

[5] 王功亮，王好臣，李振雨，等.基于Robot Studio的碼垛機器人智能工作站仿真研究[J].機電工程，2017，34（11）：1359-1362.

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[9] KRALJIlt;D：＼創新＼創新9期＼2眾創空間＼六自由度關節式焊接機器人與變位機離線編程仿真設計-1.tifgt;D， KAMNIK R. Trajectory planning for additive manufacturing with a" 6-dof industrial robot： International Conference on Robotics in Alpe-Adria Danube" Region， 2018[C]. Springer.

基金項目：哈爾濱市科技計劃自籌經費項目（ZC2023ZJ006003）;黑龍江東方學院校級課題（HDFKY200114）;黑龍江省重點研發計劃（GZ20210163）

第一作者簡介：李紅巖（1986-），男，碩士，副教授。研究方向為工業機器人仿真設計。

通信作者：劉星（1986-），女，碩士，講師。研究方向為工業機器人仿真設計。