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弧焊机器人轨迹规划及应用研究

  摘要: 机器人弧焊技术,因焊接质量稳定、生产效率高等优势,在汽车工业中得到广泛的应用。在建立机器人弧焊工作单元的基础上,本文分析研究了弧焊工作站运动仿真、离线编程的实际应用及影响焊接质量的因素。通过使用轨迹优化仿真软件,指导焊接工装设计,降低投资成本;进一步的离线编程的使用使得虚拟轨迹与真实机器人运动轨迹挂钩,提高了工作效率和可靠性。通过实验对比及弧焊工作站的调试,讨论了焊接电流、焊接电压、机器人焊接速度对焊接质量的影响。 

  关键词: 机器人仿真; 离线编程; 弧焊质量
中图分类号: TG 444+.2
Research of path planning and application of robotic arc welding
Zhang Junhua1,2, Liu Yu1, Zhang Bing2, Cai Jiang1
(1.School of Mechanical Engineering & Automation, Xihua University, Chengdu 610039, China; 2.Chengdu Tian Yuan Mould Technology Co.Ltd, Chengdu 611731, China)
Abstract: Because of the welding quality stability and high production, the robotic arc welding has been extensively used in the car manufacturing. Based on the unit building of robotic arc welding, this paper studied the motion simulation of robotic arc welding, practical application of OLP(as in off-line program) and the affected factors of welding quality. By using of motion simulation software, the design of welding fixture was conducted and the investment cost was reduced. Furthermore, OLP built virtual path link to the practical robot motion track and improved work efficiency and reliability. Also in this paper, combined with experiment and the tryout of arc welding unit, the influence of welding current,welding voltage and welding speed on welding quality was discussed.
Key words: robot simulation; off-line program; arc welding quality
0 前言
在工業机器人家族中,点焊和弧焊机器人占有重要地位。其运动轨迹的发展经历了三个阶段:示教编程再现阶段、离线编程再现阶段、自主编程阶段[1]。现阶段机器人轨迹应用主要以示教编程为主,并辅以离线编程来达到虚拟与实际的结合。因焊接工艺在工业制造中具有重要地位,国内外的科研机构及企业对其进行了广泛深入的研究。Schubert E通过对铝合金的自动化焊接,研究了焊接的稳定性[2]。Jae Seon Kim基于机器人弧焊焊接系统开发了机器人视觉传感系统来调整焊接轨迹,提高了焊接质量及焊接柔性化[3]。陈志翔等人[4]将遗传模拟退火算法用于弧焊机器人与变位机的路径,保证了焊缝的最佳焊接位置与最佳的焊枪姿态 。Jiamin Sun等人通过有限单元法,对比了CO2保护焊与激光焊(Laser Beam Welding)所产生的变形、残余应力等,得出激光焊焊接质量优于CO2保护气焊接质量[5]。沈显峰等人通过诺威质量分析仪对H1Cr24Nil3焊丝的机器人脉冲MAG焊接稳定性进行了研究 [6]。熊烁对弧焊机器人控制技术进行了研究[7]。在白车身生产过程中,自动化焊接单元的设计、制造将对整个车身制造质量、生产成本造成巨大影响。文章结合实际工作经验,先从介绍弧焊工作站入手,然后通过工作中使用的模拟仿真软件建立虚拟焊接工作单元及虚拟离线编程,最后结合现场调试讨论了焊接电流、电压,机器人焊接速度对焊接质量的影响。1 机器人弧焊1.1 机器人弧焊工作站机器人弧焊自动化焊接在车身制造有着广泛应用。典型的弧焊系统构成主要包括:可编程逻辑控制(PLC)系统、机器人及其控制系统、焊接系统、零件装夹定位系统、保护气体及安全防护系统。弧焊工作站系统布局如图1所示。
机器人焊接时,由机械手臂抓取弧焊焊枪沿着预先编制好的程序轨迹,对零部件进行焊接,以便完成零部件的焊装(图2)。
1.2 虚拟弧焊工作站建立仿真人员将设计好的工装、焊枪、机器人、围栏等数据通过数据转换接口,转入到模拟仿真软件中。虚拟仿真工作站如图3所示。对于由多工装、多机器人构成的工作站,在处理、导入不同的CAD数据时,通常会采用统一的坐标系或基准,这样可在仿真软件中更便于装配处理。
作为离线编程与在线示教的前期工作,需建立焊点、焊缝的坐标;模拟机器人与工装的相对位置关系,评估焊枪进枪通道及焊接的可达性;通过位置匹配功能,找出设备、工装间比较合理的相对位置关系;通过模拟轨迹行走,查看工装分序、设计的合理性;并为后续施工确定准确施工图纸。转向支撑组件的机器人焊接轨迹规划如图4所示。
  1.3 在线示教编程与离线编程传统的机器人运动轨迹在线示教,是通过人工操作示教器将机器人带到相应位置,记录机器人当前位置点,由通过的位置点组成焊接轨迹。这样建立的焊接轨迹不仅增加劳动成本,还耗费大量现场工作时间,增加了工具与工装碰撞的可能,以及操作人员受伤风险。离线编程通过模拟仿真软件建立了完整的焊接轨迹。在优化轨迹路径后,通过选取机器人控制系统,指定机器人速度、机器人位置等级、运动方式,并结合现场可能的三坐标测量仪使用,指定机器人工具中心(Tool Center Position)与零件基坐标等参数来导出模拟仿真路径。导出的机器人运动路径程序如下文所示。PROC R8F2_OP80()ConfJ \Off;ConfL \Off;MoveJ pHome1, v100, z50, tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_65,v100,fine,tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_38,v100,fine,tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_wp_01,v100,fine,tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_40,v100,fine,tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_43,v100,fine,tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_75,v100,fine,tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ pHome1, v100, fine, tool3\WObj:=wobj_r8f1;ENDPROC将程序导入到机器人控制器中,并关闭机器人本体中的关节确认开关。焊接程序需要处理的数据比较多,为更快捷导出离线程序,通常在由电脑导出离线程序时将焊点作为过渡点处理。实际导入到机器人控制器的程序如下:PROC R8F2()MoveJ pHome1, v100, fine, tool3;MoveJ fix_65, v100, fine, tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_38, v100, fine, tool3\WObj:=wobj_r8f1;spotJ fix_wp_01, v100, gun1, spot15, tool2\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_40, v100, fine, tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveL fix_43, v100, fine, tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ fix_75, v100, fine, tool3\WObj:=wobj_r8f1;MoveJ pHome1, v100, fine, tool3; ENDPROC与示教得到运动轨迹相比,通过离线编程(Off-Line Program,OLP)可以大大降低劳动成本,提高工作效率,降低工装与工具碰撞风险。同时由于模拟过程中焊枪在焊接点均垂直于零件表面,离线编程得到的焊接点处焊枪姿态也垂直于零件表面,从而避免了现场示教焊枪在焊点与零件不垂直的问题,提高了焊接质量。2 影响焊缝质量的主要因素前面针对虚拟工作站建立及离线程序的使用做了详细研究。下面通过焊接现场调试工作,对焊接工艺参数的设置对焊接质量的影响进行了研究。实验中采用长100 mm,宽400 mm,厚1.8 mm的WSS-M1A367钢试片,使用弧焊机器人进行焊接,并以焊接电流210 A、焊接电压21 V、焊接速度66 cm/min的焊接参数为基础,保持两种焊接参数不变,调整第三组参数。对比了这三种参数对焊接质量的影响。2.1 焊接电流对焊接质量的影响不同焊接电流下的焊缝如图5所示,分析图5和表1,可以得到电流过小,产生的热能较小,易造成未焊透、熔深较小、焊缝较窄等问题。增大电流,引入的热量增加,熔池体积和弧坑深度都会增大。过大的电流,容易造成咬边和薄壁件烧穿等缺陷。
 
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