基于CAD 的离线仿真编程焊接机器人生产线设计分析

贺鑫鑫， 雷同飞， 王瑞龙

（西京学院 机械工程学院， 陕西 西安 710123）

0 引言

国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）对机器人的定义为“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手”[1]。 工业机器人的主要由机械本体、伺服系统、减速器和控制器等组成。 机器人进行工作的机械机构是由众多关节部位组成，具备人体手部的相似功能。而机械臂的优势就是拥有人类不具有的重复性、高精确性和重负荷作业的能力。控制器作用是驱动关节部位在特定工作区域重复精确完成指令动作，控制器则是机器人的核心，决定了机器人性能的优劣[2]。机器人离线编程系统主要包括以下一些主要模块：传感器、机器人系统CAD 建模、离线编程、图形仿真、人机界面以及后置处理等。

焊接技术在制造业中自动化水平越来越高，焊接自动化生产线具有稳定的焊接质量，并且可以有效提高焊接效率[3]。在工业生产线布局中，焊接机械臂生产线的布局能够改善工人们的工作环境，焊接过程中通过离线仿真编程技术验证后，焊接参数及工艺要求一次设置完成后即可快速完成大量生产。而在生产线设计前期需要面临的问题就有两大类，一是焊接机器人智能化的关键技术如基于视觉的焊缝追踪、基于传感器的焊缝识别等；二是生产线设备中多机器的协调控制，对于机器人的合理布局，生产线节拍控制等。 而机械焊接工作开始的前提，就是要先对焊接机械臂生产线设计要点进行分析和研究。

1 CAD 的焊接机械臂部分设计要点分析

1.1 示教编程要点

示教编程是指操作人员通过肉眼观察和操作，用机器人示教控制器引导机器人从一个路点（Waypoint）到达另一个路点，逐点合成整个的机器人工作轨迹（直线、圆弧轨迹等除外）。 示教器是示教编程的必备工具，示教器的作用是操作人员控制机器人到达指定点后完成指定动作，现场生成简单编程，机器人可快速地完成固定路径往复运动。大部分机器人配备有示教器，可由操作者进行简单编程。 示教编程主要应用于轨迹简单，频繁的往复运动中，此工作中示教编程不会花费过多时间，例如搬运、码垛和焊接等。

而离线编程是通过在仿真软件中依照真实的机器人工作站搭建一整套对应的虚拟三维场景， 并在此场景中配置机器人、工具、工件、外部轴等生产要素，通过这一系列的操作来生成用于生产的机器人工作轨迹。

1.2 离线仿真编程

离线编程是将机器人工作的场景在三维软件中重现，为了满足生产和工艺等相关需求，在软件中模拟机器人的控制指令，并以此生成机器人的运动路径，我们可以进行路径规划和碰撞分析。 根据需求可以及时修改编程信息，最后将变成信息上载到机器人中即可完成。离线仿真编程设计是一种直观且自动地编程生成技术， 它不使用真实的机器人系统， 因此大大减少了系统编程所需的停机时间，并在人工成本方面带来了巨大的节约。机器人焊接系统的编程已经开发了两种不同的编程模式（在线和离线）来实现自动编程。在线编程通常使用教学编程方法来实现， 离线编程是一种不需要在真实机器人系统中操作的自动编程生成技术， 可以有效减少在线编程所需的停机时间，节省了人力成本。 目前，离线仿真编程技术通常可以分为基于计算机辅助设计（CAD）和基于视觉的方法。 随着人机交互技术和AI 技术的快速发展，机器人系统的学习辅助功能可以帮助我们逐步实现机器人的自动编程技术、路径优化和故障诊断和处理等工作。这两种仿真编程方法已经广泛应用于机器人焊接系统。

与以往的机械设计方法作对比，CAD 技术具有许多优势，机械制图和设计计算是需要耗费大量工作时间的，CAD 技术可以显著提高项目效率， 降低项目成本。 CAD系统采用优化设计方法， 可以对产品的参数进行标准化和结构的优化，与此同时也注重了安全性。CAD 技术的实现可以使繁琐的计算和制图工作简单化， 例如通过在总结工装夹具方案设计过程中的特点和规律， 逐步建立了基于实例和经验的方案设计模型案例库， 方便后续的方案设计及产品工艺优化等。

1.3 误差消除及坐标标定

离线编程中产生的外部误差， 通常出现在机器人本体的安装误差， 例如机械臂各轴的原点位置偏差和工装夹具的设计误差。 外部误差在设计和安装中属于可控的误差。 内部误差是机器人本体在生产制造时产生的标准范围内的误差，由机器人的产品质量决定。减小安装误差校准方式： 利用仿真软件在加工工件三维模型中特征点生成三点程序，在现场工件上同样位置找到对应点。路点和坐标两者保持一致， 通过计算机器人坐标系中三点和现场工件的三点位置信息，计算相关数据得出安装误差。用差值去补偿上载的离线编程，缩小误差造成的偏值。这种方法需要到现场示教编程，通过计算测量误差后，修改机器人运行程序，该步骤繁琐耗费时间较多。内部误差的校准方法可以采用构建一个夹具的用户坐标系置于仿真系统中，首先将离线仿真编程导入到现场机器人，随后重新示教同位置的夹具坐标系， 对比误差后进行示教编程补偿， 最后将之前的相对程序转换为关于现场用户坐标系的脉冲程序。

为保证焊接机器人视觉系统精确运行，综合各标定方法对系统中所涉及坐标系及其之间的关系进行标定[4]。对机械臂的绝对原点标定，确定机械臂的安装误差。机器人执行任务时，末端法兰需要连接吸盘、夹爪等工具，工具相对末端法兰坐标系的位置姿态必须得以确定， 才能依赖末端工具与环境的准确位姿关系， 以确保相关任务的顺利进行。所以工具的TCP 标定是基础而重要的。传感器的手眼标定是为了确定视觉系统中坐标系之间的转换关系； 而机器人基座坐标系和工具坐标系的转换需要进行工具坐标系的标定，确立相互的转换关系。以此达成焊接工作站的系统标定的解决办法。对机器人本体，做绝对精度的标定， 检测机器人执行代码到达的实际点与理论点间的误差，并通过算法，予以补偿、校正[5-6]。

2 基于CAD 的工业焊接机器人生产线的设计要点分析

2.1 传统设计方案流程分析

在传统生产线设计中， 机械工程师在前期工作中完成项目规划设计和工艺要求的制定。 以往项目设计方案流程如图1 所示，先按设计经验对机器人、夹具等周边设备结合车间结构完成了现场生产线的布置工作， 这些工作要求设计者拥有丰富的经验。到了装配环节，数量庞大且复杂的机器人装配线也令现场布局的工程师应接不暇。因为在项目前期，设计者并没有根据现场的情况对工艺规划和设备布局做验证， 因为缺乏一个有效的仿真实体模型进行可行性和安全性验证。 此情况下直接开始现场施工先进行生产线的布局，然后进行安全性检测。工程师首先需要论证设计机械臂的安装位置是否合理， 整个机械臂生产线组装完成后，开始通电现场示教机器人，检测过程中出现的问题及时反馈相应的设计部门， 首先保证安全，其次合理布置流水线。发现问题后反馈修改设计方案， 工程师设计新方案后现场工程师将开始验证工艺计划、设备规划的正确性和计划的可行性。这种设计方法不仅耗费大量的人力物力，还会延误生产线，造成新产品的生产进度较慢。

图1 传统项目设计方案流程

2.2 精益生产的节拍优化设计要点

生产线优化设计的关键点在于用CAD 技术来合理布局生产线， 以及利用精益生产的理念对生产线的节拍优化。 精益生产的工作重心在于通过节拍分析找到瓶颈工位并优化的产能。 首先通过对传统生产线设计中存在的工位的生产量统计和分析， 综合考虑设备生产线的各种型号的智能控制设备的生产流程， 其次考虑生产线流程中质量和工艺的不同要求。 综合生产线的各个工序和技术要求，进行逐步分析实施。

路径优化部分主要指生产线中的机器人执行焊接任务过程中， 在线编程中用到的程序设计是主程序负责主要运动参数， 主程序调用不同的子程序来完成焊接中使用的各种功能。 加工工件越复杂，调用的子程序就越多，整个焊接过程持续的时间就长， 焊接机器人会产生多余的程序信号，增加了操作机的工作时间。我们可以将总体系统分为以下几个子系统： 基于视觉传感的初始焊位识别与引导子系统，基于视觉传感的焊缝跟踪子系统，基于视觉传感的焊缝熔透实时控制子系统等。 删除多余的程序信号和过渡路点，提高生产节拍。

焊接过程的参数优化有质量和安全两个重要前提，焊接生产线的高自动化带来的安全问题复杂多样， 在设计优化中的参数与实际生产中的使用参数进行仿真验证，确保产品的质量以及设备和生产线的安全。生产优化的出发点应该是提高设备的运行速度和提高焊接视觉传感和焊缝识别速度。

时序指代的是生产线的多设备协调工作中的“交接”部分， 而机器人串联工作可以根据工艺要求更改为多机器人并联，通过减少关键路径上的组合逻辑级数来优化时序。

2.3 优化设计方案流程分析

机械工程师进行项目的规划和工艺设计要求， 按照项目的规划和工艺设计要求执行CAD 布局， 先构建3D机械臂模型、其次在CAD 中对机械臂和焊枪的结合以及生产线中的布局进行仿真设计，在CAD 中对机器人进行布局，并要进行机器人碰撞区测试，以保证工业机器人焊接生产线作业过程中不会出现运动碰撞的情况。 在构建的机器人模拟系统中， 执行实际机器人控制器中可以使用的工艺验证、设备验证、机器人轨道程序生成、生产周期计算、模拟程序。 生成机器人离线程序，描述控制器离线程序后，设备到达现场时。现场工程师在机器人控制器上载入离线程序后，短时间内完成程序下载和调试任务，现场生产可以迅速展开， 缩短了生产线的安装和试运行周期，加快了生产线的生产速度。而优化后项目设计方案流程如图2 所示。

图2 优化后项目设计方案流程

而使用CAD 的工业焊接机械臂3D 仿真， 能够比较准确地反映加工现场的生产线生产情况。 在每个站点之间传输的部分由传输设备执行。 整个焊接生产线的传输系统是重要组成部分， 设计师需要根据年生产纲领计划计算出产能和生产节拍。 通过生产节拍来平衡各个岗位的工艺内容。因此传输系统的设计尤为重要。为了提高焊接生产线的机械化水平，同时完成焊接生产的时间组织，在焊接结构生产与车间布局设计中， 应先计算出生产周期，依据生产周期校验生产中的安全技术[7]。通过3D 仿真模拟生产线设计，可以对设计方案、工艺方案进行分析，对生产线的结构性、技术性、经济性和安全性进行分析论证。 而此过程与之前的设计方法对比可以突出方便快捷等特有优势。能够更快地完成模型设计与验证，而生产线运行后产生的故障问题与解决方案也可进行模拟， 提前完成优化设计和问题预案。

3 结束语

基于CAD 的离线仿真编程焊接机械臂生产线设计随着视觉跟踪与识别技术、传感器反馈技术和AI 智能控制技术的发展，与此同时5G 网络信息技术和大数据技术的半生发展， 生产线设计的发展和变革在以下几个方面尤为突出：

（1）离线仿真编程技术随着软硬件的发展，编程技术将会变得更加的简单操作、快速模拟、可视化程度高以及仿真精确。

（2）伴随着视觉跟踪、传感器识别反馈，信息和大数据技术， 环境识别与构建愈发准确， 各工序产品的CAD模型库完善。

（3）基于5G 的互联网通信技术所实现编程的网络高速化、办公远程化、操作可视化。

（4）基于增强现实技术实现真实场景的人机互动和远程离线编程。

（5）基于智能AI 技术的离线仿真编程技术和现场多维空间信息，自主规划焊接生产线布局与仿真。自动获取加工路径的几何信息。

从项目的功能性与实用性出发， 离线编程技术仍处于高速发展中，在项目中的复杂应用，一些关键的方法技术仍需假以时日的改进。 由于工业生产用机器人的设计以及在项目中的使用场景越来越复杂， 国内外编程软件中也得此机会得到了迅速发展和应用。 机器人离线编程的快速发展同时也推动着整个产业向智能化、 专业化的方向快速发展。用户的操作会变得快捷而高效，只需简单操作即可快速生成控制程序。 工作效率的提升离不开离线编程的快速发展。只有示教编程时，机器人的使用场景更多出现在搬运码垛等简单工作， 对于稍微复杂的作业需要对复杂动作进行拆分， 或者花费大量时间进行编程和调试。 而示教编程推动了机器人去适应复杂化和多元化的场景，使之成为新时代的“大国工匠”。

传统的在线示教编程并不会走向没落， 而是更多在特种加工的应用场合出现高频次应用，例如空间站、核电等场景使用。 而随着CAD 技术、视觉技术、传感技术，互联网、大数据、增强现实等技术深度融合，自动感知、辨识和重构工件和加工路径等，实现路径的自主规划，自动纠偏和自适应环境。 本文对基于CAD 的离线仿真编程焊接机械臂生产线设计进行了一些研究， 概述了机械臂生产线设计方案流程。 对CAD 的工业焊接机械臂仿真编程设计技术要点分析， 探索将传统机械设计与仿真编程设计进行结合， 使用仿真编程在复杂的设计过程可以大大提高工作效率。 将其应用于焊接机械臂的生产线优化设计中，则提高了设计、制造、工艺的效益，达成了设备功能性、可靠性和项目经济性、时效性的统一。