LabVIEW在机器人弧焊作业仿真中的应用

胡云岩，王会霞，葛宇晨，王　军

（河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄050000）

LabVIEW在机器人弧焊作业仿真中的应用

胡云岩，王会霞，葛宇晨，王军

（河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄050000）

提出一种基于LabVIEW环境开发的虚拟控制台，用于控制弧焊机器人的作业仿真过程。根据系统的功能需求，设计了仿真系统的控制流程。建立了控制台功能模块，包括几何模型、运动模型及驱动数据、作业信息统计与采集，分析了功能模块间的相互关联、调用的方式。仿真模拟的结果表明，按上述设计的虚拟控制台能很好地实现对弧焊作业仿真过程的控制。

弧焊；仿真控制；LabVIEW；机器人

0　前言

目前一些基于SolidWorks的机器人运动仿真系统在使用中集成度很差。这些系统中一部分是通过SolidWorks提供的二次开发接口开发插件，插件成为SolidWorks集成的一种功能。另一部分是开发集成机器人轨迹规划、数值计算以及运动仿真动作控制的应用程序，应用程序通过调用机器人的三维模型文件来实现机器人运动过程的仿真[1-3]。

根据NI LabVIEW软件提供的技术资料，其提供了驱动SolidWorks Motion插件中虚拟电机的接口[4]，因此由其生成的程序可实现对SolidWorks Motion插件的控制[5-6]。同时也可以调用Matlab Robotics工具箱函数[7]，实现轨迹的规划和插补运算。同时由于LabVIEW在信息采集及呈现方面有其独特的优势[8]，容易实现弧焊作业信息的采集、处理、统计，为此开发一款虚拟控制台程序，用于仿真系统的虚拟机器人运动控制、弧焊作业参数设定、信息采集等功能。

1　需求分析

1.1作业仿真平台意义

机器人仿真技术是计算机技术、机器人学和计算机图形学相结合的产物。借助于机器人的实体图形对机器人的运动进行定位、仿真运行，模拟运动程序的运行过程。由于机器人是一种柔性生产的通用工具，若结合弧焊领域的作业特点开发相应的控制软件，就能成为更具有实用价值、集成度更高的制造平台。使工程师、操作员更好地操作工业机器人，进一步挖掘工业机器人在弧焊领域的应用潜力，提高其生产效率。

1.2仿真平台功能

包括弧焊、点焊、及配套装卡在内的焊接领域是工业机器人应用中最广泛的一个行业。考虑弧焊过程中电弧状态的快速、大范围变化特点，会对焊缝成形造成直接的影响，因而电弧及工艺的状态信息的反馈信息会对焊接工艺的制定提供宏观的指导。如电流、电压、轨迹图像、焊枪姿态、送丝、送气量等信息若能在仿真时模拟得出，或在实际运行中监控采集，那么这种作业仿真平台的实用性会大大增加。

随着作业任务需求越来越复杂，应用范围越来越广泛，便出现了离线编程技术。离线编程是一种脱离生产进程的编程，一般采用CAD技术建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用规划算法，通过对图形的控制和操作，在上位机离线的状况下进行作业路径规划。并通过对编程的动画仿真，检验生产作业流程的合理性。

上述两种功能若能有机地结合，那么催生出的就是具备弧焊作业参数设定、状态信息显示、图形化的机器人运动模拟的集成系统。而这套系统需要一个能起到中央控制台作用的软件程序，这里称之为控制台。

2　结构规划

2.1系统结构

作业仿真系统的控制台相当于整套系统的人机交互接口，用于数据、命令的输入、功能实现的调用及信息的反馈。基于这些目的而编制的控制系统程序流程如图1所示，可承担仿真及监控的交互控制功能。图中的虚线流程是可以作为预留功能的部分，配合数据采集、作业文件编译等模块可以实现离线编程和控制实体机器人的任务。基于以上构想，形成如图2所示的功能模块。即几何、运动学模型，位姿路径换算，作业控制及信息采集三部分。

图1　作业仿真的控制流程

2.2模型构建

机器人的三维几何模型是利用CAD技术设计并参与生产的实体模型或虚拟样机，而这里的CAD建模要为机器人各个部分零件、设备建模，区分发生相对运动的部分。高级任务规划甚至要为作业环境及其配套设施（如变位机及工作台、焊件）建模。图3是实验室FANUC产M-10iA的CAD模型，利用Motion插件在关节处添加虚拟电机，实现通过LabVIEW SoftMtion插件中的控件实现对SolidWorks中虚拟电机的驱动（见图4）[9]。

参数化的杆件模型是机器人运动学计算的基础，也是机器人机械结构体D-H模型的数学描述（见图5）。机器人运动学正解模型是在结构参数确定后，结合各运动关节的运动量，确定机器人末端执行器TCP点相对于基底坐标系所处的位置和姿态而建立的。反解模型是由末端执行器TCP规划或标定的位姿，求解串联各关节相对初始状态的运动量。模型的求解运算控制可通过LabVIEW MatlabScript节点调用MATLAB函数实现[10]，计算函数可参考Robotic Toolbox。若需要移植程序到没有安装MATLAB的计算机上，则需要通过C++包装函数或COM技术实现LabVIEW对计算函数的调用（见图6）。

图2　系统功能模块

图3　CAD模型添加虚拟电机

图4　SoftMotion控件与轴关联

图5　运动学模型可视化

图6　MatlabScript节点调用MATLAB函数

2.3驱动数据

要在虚拟环境下模拟机器人的作业过程，如同在实际操作弧焊机器人作业时，需要提供给控制系统命令，使其能按规划的轨迹驱动机器人运行。仿真系统同样需要有驱动关节做相对运动的数据。对作业过程编程的文件中，描述的是标定的轨迹点坐标、运动形式、速度以及终止形式。利用运动学模型导出的计算方程参与计算，将规划的运动形式换算成对应时间内驱动各关节的位置-时间函数。由于没有加入运动控制中力和力矩的因素，这里无需考虑动力学影响。而计算出的理论结果必然与实际结果有偏差，可以在计算方程中加入误差修正。

弧焊作业的状态信息如运行时间、轨迹图像、起弧时间、焊接姿态角、焊接速度、送丝速度、送气量、电压、电流、弧长等，可以在LabVIEW设计的控制台面板中设定工艺参数以仿真，或与焊接设备通信采集数据以监控。

3　系统调试

3.1控制台设计

控制台面板是人机交互的实现载体，其设计首先要满足功能的需求，同时要尽可能地方便使用及日后的升级扩展[11-12]。由于LabVIEW程序编译环境对虚拟仪器仪表面板设计有操作直观形象、数据链接清晰的特点，能设计出既满足要求又方便使用的程序界面[13]。图7为作业仿真系统设计的控制台界面，提供高级选项卡以实现更多参数的配置，提供更多的参数设置和查看，可以实现按设计流程控制仿真系统的运行。

图7　控制台面板设计

3.2仿真测试

测试面板控制作业仿真的过程如图8所示。面板提供了机械臂装配体文件的关联、作业文件调用功能，能切换仿真/监控模式，能控制系统的运行与暂停。简单模式下，弧焊状态能提供起弧状态、送丝、送气状态指示灯，提供工艺、保护气、焊丝成分焊丝直径、电压、电流、送丝速度等显示和设定。机械臂状态能提供定位、关节空间运动、笛卡尔空间轨迹运动指示灯，提供当前位置的坐标姿态、6个关节转角变量的显示和设定。面板提供了作业仿真系统汇总的作业统计信息，按照日志数据的形式记录，同时可以导出为文本文件。

图8　作业仿真控制过程测试

4　结论

（1）设计了机器人弧焊作业仿真系统控制流程。

（2）建立了基于LabVIEW的虚拟控制台，包括能提供焊接作业信息设定、反馈、虚拟机械臂运动控制、反馈等功能。

（3）仿真结果表明，使用LabVIEW环境设计控制台面板程序，实现了对弧焊作业过程的控制、信息、动画的反馈。

[1]郑向华.基于SolidWorks的机械手运动仿真设计[J].科技视界，2012（24）

[2]古耀达，何汉武，胡兆勇，等.基于Web的机器人虚拟示教仿真研究[J].微计算机信息（嵌入式与SOC），2007，23（11-2）：253-255

[3]黄志锋，李笑，秦辉明.基于OpenGL和SolidWorks的摇操作工程机器人建模与仿真[J].机械设计与制造，2012（12）：157

[4]武文佳.基于SolidWorks&LabVIEW的虚拟原型机电一体化设计技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[5]CHANG K H.Motion Simulation and Mechanism Desi，with SolidWorks Motion 2009[M].Schroff Development Corporation，2010.

[6]SolidWorks Motion运动仿真教程[M].陈超祥译.北京：机械工业出版社，2012

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[10]曲丽荣，胡容，范寿康.LabVIEW、MATLAB及其混合编程技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[11]Corporation N I.Basics of Robot Kinematics[EB/OL].[2014-09-15.]http：//www.ni.com/white-paper/10687/en.

[12]沈琦.基于LabVIEW的机器人控制软件系统设计[J].电子技术与软件工程.2013（15）：73.

[13]胡仁喜.LabVIEW2012中文版虚拟仪器从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2013.

Application of LabVIEW in the simulation of robotic arc welding operations

HU Yunyan，WANG Huixia，GE Yuchen，WANG Jun
（School of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050000，China）

A virtual console is developed using LabVIEW to control arc welding robotic operations simulation.The flow of simulation system control is proposed according to the functional requirements of the system.Set up a console function modules,including geometric model，motion model，driving data and job information collection or statistics.Analyze the correlation and calling between the functional modules.The simulation test results show that,according to the design of the virtual console can well realize the control of simulation of arc welding process.

arc welding；simulation control；LabVIEW；robotic

TP249

A

1001－2303（2016）02－0030-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.02.06

2015－02－20；

2015－06－18

胡云岩（1957—），河北河间人，男，副教授，主要从事焊接设备控制方面的研究工作。