基于RobotStudio的工业机器人焊接工作站仿真设计

摘  要：文章以真实生产线上的工业机器人焊接工作站为研究对象，利用三维软件UG和ABB机器人公司RobotStudio软件的图形化编程方法，设计工业机器人焊接工作站并进行路径仿真，将工件的三维模型曲线自动转化成为工业机器人的焊接轨迹，设计工业机器人运动路径与仿真。该仿真可为真实的工业机器人焊接工作站设计和路径设计提供理论依据，能够有效提高设计效率。

关键词：RobotStudio;工业机器人;焊接工作站

中图分类号：TP242.2       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）23-0118-04

Simulation Design of Industrial Robot Welding Workstation Based on RobotStudio

ZHENG Minghui1，2

（1.College of Mechanical Engineering，Shandong Huayu University of Technology，Dezhou  253034，China;

2.Dezhou Municipal Key Laboratory of Industrial Robot Control，Dezhou  253034，China）

Abstract：This pager takes the industrial robot welding workstation on the real production line as the research object，using the graphic programming method of the three-dimensional software UG and the RobotStudio software from ABB Robots company，the industrial robot welding workstation is designed and the path simulation is carried out. The three-dimensional model curve of workpiece is automatically transformed into the welding trajectory of industrial robot，and the motion path and simulation of industrial robot are designed. The simulation can provide a theoretical basis for the design of the real industrial robot welding workstation and itspath design，and can effectively improve the design efficiency.

Keywords：RobotStudio;industrial robot;welding workstation

0  引  言

工業自动化在企业生产中要求高效率，以此降低生产成本。花费较多时间在生产线上进行工业机器人编程的检测或试运行不太实际，因为要停机进行示教编程。离线编程是指不占用机器人，使用软件工具在计算机上建模并进行编程。离线编程则是意味着在生产线之外进行机器人的编程操作。离线编程避免了示教在线编程导致的生产“停机”浪费的时间，通过机器人离线编程方式可以更好地调试与规划机器人工作空间，避免出现设计错误。在进行机器人编程时，离线编程可以同时创建机器人应用系统，在生产制造产品的同时可以对机器人应用系统进行编程操作，从而可提前进行产品的生产[1-3]。

本文设计的工业机器人焊接工作站采用图形化编程方法，根据三维模型的曲线特征自动生成机器人的运行轨迹。此种方法可以节省时间、节省劳动力且容易保证轨迹精度。根据三维模型的曲线特征，利用RobotStudio软件的“自动路径”功能可以自动生成机器人焊接的运行轨迹路径[4，5]。

1  构建工业机器人焊接工作站

RobotStudio是机器人四大家族之一ABB机器人公司的一款工业机器人仿真软件，可以用于机器人单元的建模、离线创建和仿真。RobotStudio允许操作者使用离线（虚拟）控制器和真实控制器，当没有连接到真实控制器或在连接到虚拟控制器的情况下使用时，RobotStudio处于离线模式。

本文设计的工业机器人焊接（弧焊）工作站如图1所示，主要由工业机器人（ABB品牌）、控制器、焊机、焊枪、清枪装置、保护气体设备、工作台、夹具、围栏、排烟系统等组成。

2  模型导入及布局

新建一个RobotStudio空工作站，导入利用三维造型软件UG创建的工作台、焊机、排烟系统、清枪装置等。选择加载机器人模型，机器人模型选择IRB 1410型号并选择“从布局”创建机器人系统;加载焊枪工具模型，并安装到机器人末端法兰上。导入焊接工作台和焊接工件，模型对象布局参数如表1所示。利用“三点法”创建工件坐标系Wobj1，导入全部外部几何模型后，调整工业机器人工作站的位置，最终的工业机器人焊接工作站整体布局如图2所示。

3  焊接任务与焊接流程

本案例焊接的目标是完成如图3所示焊接工件上表面边缘曲线的焊接轨迹离线编程。本案例设计的工业机器人焊接工作站流程是：开始运行—工业机器人回到机械原点（安全点）—调用工业机器人焊接程序—工业机器人回到机械原点（安全点）—调用工业机器人清枪程序—工业机器人回到机械原点（安全点）—运行结束。

4  创建机器人焊接自动路径

4.1  离线路径程序

路径的定义为向机器人目标点移动的指令顺序，机器人按照路径轨迹运行。若是工件已有的三维曲线与要创建的路径一致，可以使用RobotStudio的“自动路径”功能创建路径。使用“自动路径”命令，沿现有的曲线添加目标点和指令完成路径创建，路径自动生成在机器人任务中。本案例工业机器人焊接应用仿真程序，在工作时，机器人需沿着图3所示的曲面边缘进行焊接，其运动轨迹是三维曲线，采用图形化编程根据图中已有工件的三维模型直接生成工业机器人焊接运动轨迹。自动路径功能可以根据已有曲线或者工件表面的边缘创建路径。首先让机器人回到机械原点，设置好运动指令参数，在基本功能选项卡中选择“路径”—“自动路径”创建离线轨迹曲线Path_10，依次选择图3所示的焊接工件上表面边缘曲线的焊接轨迹离线编程，并进行设置离线轨迹参数（最小距离为1，公差为1），从而自动生成工业机器人焊接离线路径。如图4所示工件边缘的红色曲线就是所创建的焊接离线路径曲线Path_10。

4.2  目标点调整

目标点是指机器人要达到的坐标，包含位置、姿态、配置等信息。“自动路径”功能已根据工件边缘自动生成了一条机器人运行轨迹Path_10，但是机器人暂时还不能直接按照此条轨迹运行，因为机器人到达不了程序中部分目标点姿态，还需要进行目标点的调整，修改目标点的姿态。在调整目标点的过程中，为了方便查看机器人工具在此姿态下的效果，可以设置在目标点处显示机器人工具。本案例中机器人难以到达目标点Target_10，可以改变该目标点的姿态，调整目标点绕Z轴旋轉90°即可。接着修改其余目标点，通过修改Target_10调整结果可得知，只需要调整整个目标点的X轴方向即可。选中剩余的所有目标点，右击选择“修改目标”，选择“对准目标点方向”，参考选择Target_10，对准轴选择X，锁定轴选择Z，这样就可以将剩余目标点X轴方向对准已调整好姿态的Target_10的X轴方向，就完成了所有目标点的方向调整。选中所有目标点，即可查看到所有目标点调整已完成。

4.3  轴配置参数与优化仿真

轴配置是目标点定义并存储为工件坐标系内的坐标。机器人控制器能够计算出当机器人到达目标点时轴的位置信息，一般会有多个解决方案进行机器人轴的配置。机器人到达目标点，可能存在多个关节轴的组合情况，即多种轴配置参数。在路径属性中，可以为目标点自动调整轴配置参数。机器人为各个目标点自动匹配轴配置参数，让机器人按照运动指令运行。上述步骤完成了自动路径的创建，但是在实际应用中，还需要对机器人路径轨迹进行完善和优化，保证机器人在企业生产过程中的安全生产。本案例主要的完善优化配置包括：起始接近点pApproach，相对于起始点Target_10来说沿着本身Z轴负方向偏移100 mm，轨迹结束离开点pDepart，相对于离开点Target_270（本例自动生成的最后一个目标点）来说沿着本身Z轴负方向偏移100 mm，加入安全位置PHome点可以为机器人机械原点，最后调整焊接程序的运动类型、速度等参数。图5所示为机器人焊接轨迹整个仿真路径。

5  创建机器人清枪程序

机器人清枪程序的创建。本案例中清枪流程为：机器人移动到机器人机械原点起始点—机器人移动到预清枪位置—机器人移动到清枪位置—机器人发送清枪信号—等待清枪结束信号—机器人返回机器人机械原点。本仿真只是模拟仿真路线，选择MoveJ、MoveL指令，选择机器人机械原点、清枪上方点、清枪点，后续如果在真实的工业机器人的焊接工作站还需进行清枪程序添加模拟信号，目标点的调整等。整个机器人焊接仿真路线如图6所示。

6  导出仿真动画及程序

为了方便展示创建的工业机器人焊接工作站，可以利用RobotStudio提供的仿真录像、录制视图功能。录制前提前设置好屏幕录像的相关参数与保存路径，检查程序Path_10的到达能力，选中程序，右键选择“到达能力”。若无问题，在“RAPID”功能选项卡中选择“同步”中选择“同步到RAPID”，在“仿真设定”中“T_ROB1”的运行程序选择Path_10，点击“播放”开始运行Path_10，选择“录制视图”或者“仿真录像”录制Path_10程序。创建的程序在RobotStudio软件的在线模式情况下，可以导入到实际的工业机器人焊接工作站，进行整个焊接流程的试运行;后续还需要进行目标点示教、焊接相关参数的设置等工作，才能进行工作站的生产运行工作。

7  结  论

文章以真实生产线上的工业机器人焊接工作站为研究对象，利用UG和RobotStudio的图形化编程功能，进行机器人焊接工作站的设计与路径仿真。该焊接工作站的设计省时、省力且容易保证轨迹精度，降低生产线设计和调试成本。

参考文献：

[1] 卿笛.基于RobotStudio的激光切割工作站的建立与仿真 [J].内燃机与配件，2020（10）：46-47.

[2] 孙增光，王士军，孟令军，等.基于RobotStudio焊接机器人工作站仿真设计 [J].机床与液压，2020，48（5）：29-33.

[3] 肖全，鞠全勇.基于RobotStudio的机器人搬运工作站设计与路径仿真 [J].机电技术，2020（4）：33-36+58.

[4] 叶晖.工业机器人工程应用虚拟仿真教程 [M].北京：机械工业出版社，2019.

[5] 叶晖.工业机器人典型应用案例精析 [M].北京：机械工业出版社，2012.

作者简介：郑明辉（1987—），男，汉族，山东曹县人，讲师，硕士研究生，研究方向：机器人技术，制造业信息化。