點焊機器人仿真模擬分析

1、天津福臻點焊機器人仿真模擬分析ADS-0325主題：以統(tǒng)計分析的方法，對機器人仿真的結果進行優(yōu)化。機器人仿真模擬是概念設計階段，對機器人工作站進行工藝方案設計時，所采用的一種手段或者表達方法。仿真軟件能夠做到的是：通過對機器人各軸運動范圍的限制，定義工具的可達范圍，通過干涉檢查功能避免干涉產生。通過補間方式及速度參數(shù)的設置核查動作時間乃至輸出離線編程所需要的代碼文件。三維動畫的視覺效果給人以直觀的感覺。然而這些僅能說明可達，并不能說明合理或者最優(yōu)。機器人工作站方案設計的目的是針對產品的工藝需求，將機器人、工具、工裝這三個設備形成最佳的組合與布置。僅能夠說明可達的手段不足以實現(xiàn)要達到的目的。連續(xù)

2、播放三維動畫的任一瞬時，所展現(xiàn)的只是運動過程中的某一姿態(tài)。滿足所有姿態(tài)的最佳組合與布置，在缺少必要的數(shù)據(jù)統(tǒng)計或者表達方法的情況下，僅能憑記憶中的想象結合經驗作出判斷，這說明了手段上的欠缺。所以有必要通過統(tǒng)計分析的方法，對機器人仿真的結果進行優(yōu)化。如果對機器人的每一個姿態(tài)，進行綜合描述，所呈現(xiàn)出的是離散性的分布。離散度的減小以及將分布中值點調整至最佳點是對于分布的優(yōu)化。也就是達到形成最佳組合與布置目的手段。一、方案設計時需要重點考慮的問題：1）明確工藝操作內容：對于由多臺機器人組成的生產線或者工作站而言，存在著工藝操作分工的問題。在全部工藝操作要求中，重點關注不易于達到的焊點分布與實現(xiàn)方式。將難

3、點分解到每個工位的每個機器人（或操作人），行成初步方案構想。結合裝件、搬運、工裝等動作時間因素。以各工位動作周期時間均衡為目的，測算出計劃分配給每個機器人焊接的數(shù)量。在初步方案的基礎上，再將其它焊點予以分配。2）機器人選型：a、采用普通型還是下探型機器人；b、機器人的運動范圍，必要時采用行走外部軸或者夾具運動。c、機器人的搬運能力。是指如果工具重心在以六軸中心為圓心，以一定數(shù)值為半徑，在工具安裝側行程的半球范圍內，機器人仍能夠在其可達范圍內達到額定速度時，所能承受的最大重量。如果重心超出半球范圍，仍要達到額定速度，則可搬重量必須降低。如果重心超出半球，工具重量大于額定重量。則意味著運動速度可能

4、降低，需要進一步分析機器人的負重姿態(tài)和五軸的承重方式。3）選擇工具（焊槍）：a、焊槍為C型槍還是X型槍。b、焊槍打點姿態(tài)，即沿Z軸旋轉的角度調整應易于機器人可達。c、焊槍的前部結構（喉深、喉寬、電極頭形式、打開行程等）。d、焊槍的后部結構（變壓器的安裝方式等）。e、確定與機器人六軸安裝法蘭面的朝向，是決定焊槍姿態(tài)變化的重要因素。對于大型焊槍要考慮機器人負重姿態(tài)。f、以與TCP點距離近為原則確定BASE點的位置（某些情況為了提高工具可達范圍可能有意拉大TCP點與BASE點間距）。g、可能存在更換焊槍、附帶小型抓具、GEO Gripper等其它情況。4）機器人與夾具的相對安裝位置通常只采用水平放置

5、的姿態(tài)，如果需要傾斜、壁掛或吸頂?shù)陌惭b方式，需要機器人供應商提供詳細的技術說明。仿真軟件的掃描分析功能可以得出滿足可達要求的安裝范圍，條件允許的情況下選擇中間點。5）考慮相鄰機器人或其他設備對機器人操作過程可能造成的干涉影響。通過優(yōu)化打點路徑的方式，避免等待現(xiàn)象的產生。6）根據(jù)仿真模擬的結果，考慮進槍通道狹窄、負重等因素，對機器人的操作時間進行分析計算。7）考慮由機器人控制系統(tǒng)、夾具控制系統(tǒng)構成的機器人工作站組站控制方式。相互連鎖信號的數(shù)量、內容和傳遞方式等。8）機器人動力電、控制電、焊接電、冷卻水、壓縮空氣等公用動力需求的供給方式和條件。地面基礎的需求，以及控制柜、圍欄橋架、電極修磨器。工具

6、放置架等的布置與分工。9）工程化設計時應注意的問題：a、焊接狀態(tài)以外所需的補間點補間方式，以及由此而產生的相關問題。b、電纜的繞接方式，并由此可能帶來的干涉問題。以及電纜的壽命因素。c、滿足焊接參數(shù)要求的焊槍工程化設計。d、焊槍等工具的確切重量、重心位置與機器人負重能力的校核。e、機器人底座、伺服軌道等輔助設備的工程化設計。二、基本概念和定義以ABB產IRB6600-2.55型機器人的相關參數(shù)舉例說明1）術語：機器人各軸名稱為大寫的一軸、二軸六軸，各軸在立面圖中的投影點或指定點為小寫的1點、2點6點。軸點之間的連接線命名為23線、35線、15線等。TCP點不是投影點而是空間點。以5點為起點，以

7、56點連線定義方向和長度的矢量為。以5點為起點，以5點與TCP點連線定義方向和長度的矢量為。過TCP點作垂線，垂足為R點。用T5R描述工具。機器人簡圖表示法2）機器人各軸的作用：一、二、三軸的旋轉組合負責工具點（5點）的位置可達；四五六軸的旋轉組合負責調整工具姿態(tài)。假定一二三軸不動，只旋轉四五六軸，工具始終繞5點旋轉，所以5點是兩個組合分工的分界點。一般的應用中，工具的姿態(tài)變化以六軸為主實現(xiàn)，四、五軸組合起輔助作用。另外四五軸的組合實現(xiàn)15線與56形成的空間角度。3）機器人的5點運動范圍：機器人5點立面運動范圍曲線（如圖）是根據(jù)二、三軸角度范圍23線，35線長度繪制出來的。曲線上每段圓弧的弧度

8、是二軸或三軸的角度允許變化范圍。曲線上任一點是5點可達的極限位置，曲線包容的范圍內5點均可達。以曲線外輪廓為草圖，以一軸為軸進行圓周掃掠而行成的立體空間是5點可達的立體范圍（一軸運動范圍為±180°）。形成5點在空間某一位置可能存在一、二、三軸的多種組合方式如下圖：唯一組合兩種組合三種組合四種組合一軸旋轉任何角度均滿足多種組合意味著由前一位置到達現(xiàn)在位置有多種補間方式，應以姿態(tài)優(yōu)美避免干涉為優(yōu)先進行人工判斷。4)四、五、六軸組合：對于空間的任意姿態(tài)，四、五、六軸的組合只存在兩種組合方式，如圖工具初始姿態(tài)。R05T0到最終姿態(tài)R25T3，有兩種轉法： 五軸轉°，四軸

9、轉°，六軸轉°，合計：°+°+°。 五軸轉-°，四軸轉180°-°，六軸轉180°-°，合計：360°-（°+°+°）。兩種組合方式是以選項的方式體現(xiàn)在模擬軟件中。乘以之前敘述的一、二、三軸組合的多種情況，滿足機器人可達要求的六軸組合，可能會有2、4、6、8無窮多種情況。四軸、六軸角度運動范圍是-300°，300°，對節(jié)省機器人運動時間和提高電纜使用壽命是大有益處的。但在仿真程序中四、六軸角度數(shù)值通常在-180°，180

10、76;之間。只有在補間運動時才發(fā)揮作用，因此離線編程時，應充分注意。5）工具姿態(tài)的分布：將T5R代表的焊槍插入到每一個焊點，會得出所有焊槍的位置與姿態(tài)分布。不考慮位置僅考慮姿態(tài)，將圖中所有T5R的5點通過平移的方式，重合在一起得到焊槍姿態(tài)的分布。這種做法相當于，將機器人的一、二、三軸看做是沿世界坐標系坐標軸移動的軸。適合手工焊槍的吊掛系統(tǒng)，對于點焊機器人是不適合的。機器人的一、二、三軸組合定義的是三維球坐標系。安裝位置被確定后，對于每個焊接姿態(tài)，一、二、三軸組合形成5點到達時，35線就已經與機器人坐標系軸形成了空間夾角。四、五、六軸組合在形成焊槍姿態(tài)的過程中，又調整了的方向。所以焊槍姿態(tài)相對于

11、機器人坐標系的分布應理解為如下：依次地將每一個焊接姿態(tài)，保持四、五、六軸不動，將一、二、三軸調整到機器人原位，得到的焊槍姿態(tài)分布，簡稱RT分布。6）機器人第六軸的功能：設想機器人所持的工具不是焊槍而是一根針（與56線重合安裝）。焊接過程是用針沿焊點Z向刺的話，就不需要六軸的功能。實際的工具是焊槍而不是針。所以六軸的功能就可以孤立出來單獨考慮。在RT分布狀態(tài)進一步地，保持六軸不動，將四、五軸調整到機器人原位，就會得到如圖所示的效果：所有姿態(tài)的均重合到一起，所有T點均在以R為圓心，以RT為半徑的圓弧上，構成了一個扇形錐的形狀。在機器人安裝位置一定時，扇形錐的大小取決于焊槍的安裝方式。7）四五分析圖

12、在確定了焊槍的安裝尺寸和機器人安裝位置后，四五軸角度變化結果以二維表達圖的方式直觀體現(xiàn)。圓弧方向表達五軸，徑向表達四軸。三、根據(jù)5點分布圖優(yōu)化機器人的安裝位置1）確定機器人的最優(yōu)姿態(tài)和常規(guī)應用作業(yè)范圍機器人的5點運動范圍曲線所表達的是機器人理論可以達到的最大運動范圍。實際的應用中幾乎不會用到如圖所示的姿態(tài)。至少在焊裝車間幾乎所有的點焊應用如左圖，5點在2點的右前方的一個區(qū)域內。少數(shù)起搬運動作的機器人會有如右圖所示的姿態(tài)。 考慮到常用工具（焊槍）體積大，重量大，且在實際的應用中分布廣，姿態(tài)多等因素。確定機器人最優(yōu)姿態(tài)的條件是：a 在常規(guī)應用作業(yè)范圍的中心位置b 負重能力強c 小范圍變化二、三軸角

13、度仍保持上述優(yōu)點。圖示拐點與2點連線，在運動范圍內的中點，作為最優(yōu)姿態(tài)的5點。根據(jù)23線和35線求得3點，并將機器人調整至最優(yōu)姿態(tài)如圖：將最優(yōu)姿態(tài)視為機器人的初始位置姿態(tài)（二、三軸轉角清零），將二軸的運動范圍修定為-，等于23線與85°線的夾角。將三軸的運動范圍修定為，等于35線與70°線夾角，等于35線與23線延長線夾角。根據(jù)修定后的二、三軸運動范圍，重新繪制5點運動范圍曲線后，重新獲得區(qū)域（填充部分）是常規(guī)應用作業(yè)范圍。2）制定優(yōu)化范圍曲線將修定后的二軸、三軸角度范圍提?。ㄈ缬覉D），將±，分別等分10份，得出±1，±2±10等分線

14、。以-1a0，0a1，-1b0，0b1為二、三軸的運動范圍，繪制5點運動范圍曲線，并依次類推。最終形成了以不同二、三軸角運動范圍定義的不同程度的5點運動范圍曲線如圖。其中某一個5點運動范圍曲線拐點上的機器人姿態(tài)是二、三軸均達到極限角度。曲線上的任一點是二軸或三軸的極限角度。有趣的是，每個曲線與圖示“拐點”相同的拐點均落在“2點-拐點”的連線上。連線被曲線切割得到的線段又是曲線范圍在機器人右側（作業(yè)范圍）最大長度。這些都驗證了之前對機器人最優(yōu)姿態(tài)，常規(guī)作業(yè)范圍角度等比分配等方法的正確。（頂置式機器人的應用）3）在5點優(yōu)化分析圖中描述5點分布俯視圖中描述的1、2、3、4是機器人運動過程中一軸運動角

15、度分布位置，對應的每一個角度位置都存在一個立面圖描述的機器人姿態(tài)。將1、2、3、4位置以一軸旋轉到0位置，便形成了如立面圖所示的機器人姿態(tài)合成圖。僅保留每個姿態(tài)的5點，刪除其余的線條后，在5點優(yōu)化分析圖中得到了各個姿態(tài)5點的分布圖。4）分析：通常5點的分布是相對離散的，造成離散性分布的主要原因有三個： 目標點（焊點）的離散性分布客觀性存在，除非調整焊點分配方案。 焊槍焊接的姿態(tài)（沿Z軸轉動調整）受夾具等的制約在仿真模擬初期進行人工優(yōu)化。 焊槍與機器人的安裝存在優(yōu)化的可能，在后面敘述。離散性分布不可能通過調整機器人安裝位置進行優(yōu)化，所以優(yōu)化機器人安裝位置之前，必須完成離散性分布的優(yōu)化。焊槍與機器

16、人安裝優(yōu)化方法，之所以在后面敘述，是為了易于理解的需要。不難理解，5點分布如果能為最小的5點運動范圍曲線所包容，則說明運動過程中二、三軸角度變化相對均衡，四周可達范圍余量均勻，甚至可能優(yōu)化為小型機器人。通常不使用機器人傾斜安裝的方式，所以只采取上下左右移動的辦法進行調整。以得到最小包容曲線為目的，移動的數(shù)值是機器人安裝位置需要調整的數(shù)值。四、根據(jù)15線布置圖優(yōu)化機器人安裝角度在機器人俯視圖中描述所有焊接姿態(tài)，15線的布置，即一軸轉角線。根據(jù)最大最小轉角求出中值線。中值線與0°線的夾角是機器人安裝角度的優(yōu)化值。在確認水、電、氣、橋架等連接條件的情況下，優(yōu)化機器人初始安裝角度。五、焊槍安

17、裝方式的優(yōu)化四、五、六軸組合運動形成了焊槍姿態(tài)在機器人坐標系中的RT分布。由前述可知，所有的焊槍姿態(tài)均以、兩個矢量進行表達。同時基點統(tǒng)一在了5點。如果焊槍安裝圓法蘭設置不當，會造成六軸功能不能充分發(fā)揮。導致四、五、六軸運動行程增大，所以采取程序統(tǒng)計計算的方法予以優(yōu)化。方法如下：1）在RT分布中按照排列組合的順序，選取兩個焊槍姿態(tài)。2）根據(jù)一次旋轉實現(xiàn)剛體姿態(tài)的空間變化，計算出兩個焊槍姿態(tài)之間的一次旋轉軸，并以此修訂。3）重新計算達到每個焊接姿態(tài)，四、五、六軸需要轉過的角度。（根據(jù)焊接次序，以+為小值判斷四、五、六軸組合形式。4）按照焊接次計算+5）循環(huán)14操作步驟，得出所有排列組合情況中，四、

18、五軸轉角差值和最小的情況，并由此得出安裝法蘭方向的優(yōu)化建議。6）進一步采取循環(huán)計算的方法，以減小5點運動范圍為目的得出安裝點優(yōu)化方向建議。六、根據(jù)四五分析圖優(yōu)化焊槍沿Z軸的轉角。初期的仿真模擬，對于焊槍的姿態(tài)調整往往不能達到最優(yōu)。特別對于補焊工位，焊槍沿Z軸旋轉余地較大。處理的好則可以使得5點分布集中且四、五軸轉動量小。所以在對焊槍姿態(tài)優(yōu)化調整時，應將四五分析圖和5點分布圖結合起來分析。四五分析圖中，對于焊接順序的描述線可以輔助設計人員，選擇恰當?shù)难a間方式。在四、五、六軸的兩種組合方式中，選擇與前一步驟四、五軸轉角小的組合方式。另外四軸運動范圍-300°，300°中，選擇大

19、于180°的使用等。另外點在圖中的分布過于離散，或者整體偏，也說明裝槍方式有待優(yōu)化。七、機器人負重分析機器人的二、三、五軸相當于人的肩、肘、腕關節(jié)，姿勢不同可提起的重量不同。方案設計階段缺少焊槍的準確重量和重心位置，所以只根據(jù)外形尺寸，使用體積代表，并以大、中、小簡單區(qū)分。坐標系原點表示5點：第四象限：線條偏轉角度為與地面的夾角；線條長度與體積關聯(lián)。第二象限：以點描述的方式，表達三軸承受負載力矩的力臂長度，長度等于35線在地面投影線的長度。第三象限：以點描述的方式表達二軸承受負載的力臂長度，長度等于25線在地面投影線的長度。將上述表達連成一條Pline線得出某一姿態(tài)，二、三、五的受力

20、狀態(tài)的綜合表達。八、機器人焊接動作時間計算1）機器人控制時的選項設置補間方式設置：是以工具坐標系進行控制時，位置點之間的運動軌跡要求。a自動補間：從使用角度出發(fā)，多數(shù)場合只要求機器人所持工具達到具體的目標位置，對于運動軌跡要求并不嚴格。機器人各軸的回轉運動合成為工具的直線運動過程中，工具并非嚴格按照直線軌跡運動。而是按照機器人默認的控制方式，走出近似直線的運動軌跡。這樣工具的運動速度可以大大提高。b直線補間：某些應用（比如弧焊），要求工具行走軌跡必須是直線，各軸轉速必須精確匹配，所以工具運動速度較慢。c圓弧補間：要求工具行走軌跡必須是規(guī)定的圓弧，同樣運動速度較慢。點焊機器人只采用自動補間方式。

21、位置點精度等級設置根據(jù)使用要求對于目標位置點精度等級設置非常重要的。某些應用（比如在線檢測），要求到位精度非常高，點焊應用顯然不需要那么高的精度。由于慣性的影響，對于精度要求高的位置點，機器人自動擬合計算時，會自動延長制動距離，當然制動時間也會增加。點焊應用中只作焊接點和補間點兩種精度等級劃分。速度或時間要求設置實際的應用中可能對每個補間過程的速度或時間要求不一樣，所以需要對每個步驟進行參數(shù)設置。設置方式通常為兩種：最高速度設置或運動時間要求設置?？刂瞥绦蚋鶕?jù)要求自行匹配加減速度時間段。要求與實際情況往往存在差異。比如：很短的距離要求很高的速度，速度還沒達到就要開始減速了。又如：機器人負重過大，要求速度高，造成驅動電機過載等。2）運動時間計算機器人各軸的極限轉速（以IRB6600為例）一軸100°/S四軸150°/S二軸90°/S五軸120°/S三軸90°/S六軸190°/S一、二、三軸電機承受的轉動慣量大，所以轉速低；四、五、六軸電機承受的轉動慣量小，所以轉速高。一、二、三軸組合形成5點位置變化是運動時間的主導因素；四、五、六軸組合形成工具的姿態(tài)變化是次要因素。定5點額定運動速度V=500mm/s，5點空間距離為S，t1=注：方案設計階段未