機(jī)器人焊接系統(tǒng)編程實(shí)例研究

2013-05-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 何京文來源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 機(jī)器人焊接離線編程仿真

介紹某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。對(duì)機(jī)器人焊接系統(tǒng)離線編程進(jìn)行研究。提出基于SolidWorks平臺(tái)的弧焊機(jī)器人離線編程與仿真系統(tǒng)的解決方案.

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)航天事業(yè)飛速發(fā)展、國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)周期、制造成本,提出了更高的要求。為了適應(yīng)這種形勢(shì),設(shè)法提高焊接接頭質(zhì)量及焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性,保證生產(chǎn)周期己成為當(dāng)務(wù)之急二機(jī)器人焊接系統(tǒng)的柔性優(yōu)勢(shì)正是解決這種矛盾的良好方案。

     2機(jī)器人焊接存在的問題

為滿足焊接質(zhì)量的要求,對(duì)每·段都需要選擇其中一條焊縫進(jìn)行機(jī)器人編程。目前采用的編程方式為示教編程。操作人員利用示教盒控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng),使焊槍到達(dá)完成焊接作業(yè)所需位姿,并記錄下各個(gè)示教點(diǎn)的位姿數(shù)據(jù)。隨后機(jī)器人便可以在"再現(xiàn)"狀態(tài)完成這條焊縫的焊接。

根據(jù)前期的試驗(yàn),目前存在以下兩方面問題:

(1)示教精度不穩(wěn)定,影響焊接質(zhì)量

     在示教過程中,編程效果受操作人員水平及狀態(tài)的影響較大。示教時(shí),應(yīng)盡量保證示教點(diǎn)在焊縫軌跡上,保證合適的焊槍高度,并且要保證焊槍姿態(tài)的連續(xù)變化,對(duì)操作人員的水平要求很高。另外,操作人員長(zhǎng)時(shí)間處在高度精神集中的狀態(tài),很難保證每個(gè)示教點(diǎn)的準(zhǔn)確。從而使最終的編程精度變得不穩(wěn)定,有時(shí)還會(huì)發(fā)生焊槍與工件相碰等問題。

(2)編程時(shí)間長(zhǎng),焊接效率低

為了保證軌跡的精度,通常在100mm的焊縫上,需要示教50個(gè)點(diǎn),以保證焊接機(jī)器人運(yùn)行平滑及收弧點(diǎn)位置的一致。在每段的在線示教與編程中,需要2小時(shí)的時(shí)間,即整個(gè)產(chǎn)品在示教編程上需要200小時(shí),合計(jì)在25個(gè)工作日,加大了噴管延伸段的總焊接時(shí)間。

因此,如何提高編程的效率及精度,縮短產(chǎn)品總的焊接時(shí)間,提高焊接質(zhì)量成為需要迫切解決的問題。

     3機(jī)器人焊接離線編程技術(shù)

目前的機(jī)器人編程可以分為示教編程與離線編程兩種方式。在機(jī)器人所要完成的任務(wù)不很復(fù)雜,以及編程時(shí)間相對(duì)于工作時(shí)間米說比較短的情況下,示教編程是有效可行的,但在許多復(fù)雜的作業(yè)應(yīng)用中不是令人滿意。

     3. 1機(jī)器人離線編程特點(diǎn)

     機(jī)器人焊接離線編程及仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果,在計(jì)算機(jī)中建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型,通過對(duì)圖形的控制和操作,在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行編程,進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)器人程序。與傳統(tǒng)的在線示教編程相比,離線編程具有如下優(yōu)點(diǎn):

     a.減少機(jī)器人不工作的時(shí)間。
     b.使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境。
     c.便于修改機(jī)器人程序。
     d.可結(jié)合各種人工智能等技術(shù)來提高編程效率。
     e.便于和CADICAM系統(tǒng)結(jié)合,做到CAD/CAM/Robotics一體化。

     因此,機(jī)器人焊接離線編程及仿真是提高機(jī)器人焊接系統(tǒng)柔性化的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),是現(xiàn)代機(jī)器人焊接制造業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

     3. 2機(jī)器人離線編程技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)際市場(chǎng)上己有基于普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件,如Workspace, ROBCAD, IGRIP等。

Workspace是Robot Simulations公司開發(fā)的第一個(gè)商品化的基于微機(jī)的機(jī)器人仿真與離線編程軟件。該軟件最新版木采用了ACIS作為建模核心,與一些基于微機(jī)的CAD系統(tǒng)如AutoCAD做到了很好的數(shù)據(jù)交換。

     ROBCAD是美國(guó)Tecnomatix公司1986年推出的機(jī)器人CAD及仿真系統(tǒng)。短短幾年內(nèi),ROBCAD已在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,美國(guó)福特、德國(guó)大眾、意大利菲亞特等多家汽車公司,美國(guó)洛克希德宇航局都使用ROBCAD進(jìn)行機(jī)器人生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、仿真和離線編程。

     美國(guó)另一個(gè)著名的機(jī)器人離線編程與仿真軟件包是IGRIP,它是美國(guó)Deneb Robotics公司推出的交互式機(jī)器人圖形編程與仿真軟件包,主要用于機(jī)器人工作單元布置、仿真及離線編程。IGRIP可在SGI、HP, SUN等工作站上運(yùn)行。IGRIP軟件分為三個(gè)部分:IMS, GSL. GLI。此外,它還通過一個(gè)共享庫(kù)為用戶提供一些更高級(jí)的功能。國(guó)內(nèi)在機(jī)器人焊接離線編程方面,哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位開展了研究工作。其中哈爾濱丁業(yè)大學(xué)在十幾年前便開展了研究工作,研究水平在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位,相繼開發(fā)出了RAWCAD等機(jī)器人弧焊離線編程系統(tǒng),并在一些產(chǎn)品上得到了應(yīng)用。

4機(jī)器人離線編程與仿真解決方案

     開發(fā)基于SolidWorks平臺(tái)的弧焊機(jī)器人離線編程與仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)噴管延伸段焊接過程中的離線編程工作。

     4. 1工作流程

     a.建立噴管延伸段模胎與管子的CAD模型及機(jī)器人模型。
     b.對(duì)焊縫進(jìn)行分段并編號(hào),并針對(duì)每一段焊縫,利用離線編程系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)編程,包括焊槍軌跡的規(guī)
     劃、焊槍姿態(tài)的規(guī)劃。
     c.對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)規(guī)劃的位姿進(jìn)行修正。
     d.對(duì)機(jī)器人坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定,使其與離線編程系統(tǒng)中的坐標(biāo)系一致。
     e.將離線編程得到的程序轉(zhuǎn)換成Motoman機(jī)器人程序,并通過通訊接口或CF卡導(dǎo)入到機(jī)器人控制器中。
     f.機(jī)器人利用離線編制的程序完成工件的焊接。

     4. 2三點(diǎn)標(biāo)定法

     三點(diǎn)標(biāo)定法,分別用到實(shí)際工件的三個(gè)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)和虛擬工件的三個(gè)特征點(diǎn)的空問坐標(biāo)。其中,標(biāo)簽點(diǎn)(X)為標(biāo)定用坐標(biāo)系的x軸上的一點(diǎn)標(biāo)簽點(diǎn)〔Y)為標(biāo)定用坐標(biāo)系的y軸上的一點(diǎn),標(biāo)簽點(diǎn)(o)為標(biāo)定用坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置。

     4.3實(shí)例

     4.3.1標(biāo)定

     進(jìn)行實(shí)際機(jī)器人的示教,將機(jī)器人焊槍示教到工件的三個(gè)特征點(diǎn)處,記錄在三個(gè)特征點(diǎn)處機(jī)器人關(guān)節(jié)角的大小,保存到文件中。再將此蘭組機(jī)器人關(guān)節(jié)角文件改寫為機(jī)器人程序文件,然后利用"編程器"的程序上載功能上載到離線編程系統(tǒng)中,在"編程器"中控制機(jī)器人單步運(yùn)動(dòng),每運(yùn)動(dòng)到一點(diǎn)就將機(jī)器人末端的位置記錄到相應(yīng)的點(diǎn)中,見圖1。

機(jī)器人焊接系統(tǒng)編程實(shí)例研究+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片1

此處提供了馬鞍形焊縫工件的標(biāo)定功能,標(biāo)定過程中需要六個(gè)標(biāo)簽點(diǎn),上圓三個(gè),下圓三個(gè)。各個(gè)點(diǎn)的記錄方法和前面的三點(diǎn)標(biāo)定相同,注意圓上各點(diǎn)的記錄順序應(yīng)該相同,一般為逆時(shí)針方向。見圖2。

機(jī)器人焊接系統(tǒng)編程實(shí)例研究+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片2

4.3.2創(chuàng)建焊接接頭特征對(duì)象

生成焊接接頭特征對(duì)象:a進(jìn)行名稱檢查;b,進(jìn)行位姿計(jì)算。目前的位姿計(jì)算只支持角焊縫,計(jì)算原理為:角焊縫的截面為近似倒三角形,整體近似三棱形,在兩個(gè)焊板相交的焊縫底部棱邊上生成焊接路徑點(diǎn),從邊上提取空間位置信息,邊在該點(diǎn)的切線方向?yàn)楹缚p點(diǎn)的X軸方向,焊縫兩個(gè)側(cè)面的法向方向的夾角方向?yàn)楹缚p點(diǎn)的Z軸方向,Y軸由X,Z叉乘得到。見圖3。

機(jī)器人焊接系統(tǒng)編程實(shí)例研究+培訓(xùn)教程圖片3

在沒有生成焊縫幾何體的情況下,生成焊接路計(jì)算原理和從焊縫幾何體生成焊縫點(diǎn)的原理相見圖4。

機(jī)器人焊接系統(tǒng)編程實(shí)例研究+培訓(xùn)教程圖片4

     4.3.3噴管延伸段機(jī)器人焊接仿真

噴管延伸段機(jī)器人焊接系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖5。

     5結(jié)束語(yǔ)

由于采用離線編程,編程時(shí)不影響焊接機(jī)器人的正常生產(chǎn)。而且離線編程系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)編程,焊槍位置點(diǎn)的選取及焊槍姿態(tài)的過渡會(huì)很平滑,編程精度會(huì)提高。編程人員通過仿真系統(tǒng),能夠很充觀地檢查編程結(jié)果,并可以進(jìn)行人工修正。

采用這樣的離線編程系統(tǒng),能夠提高編程效率,減輕編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率及產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

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