1、第章第章 焊接机器人离线编焊接机器人离线编程操作程操作v6.1 机器人编程模式v6.2 离线编程系统v6.3 DTPS离线编程系统v6.4 外部轴编辑v6.5 编辑（导入）工件v6.6 程序编辑6.1 机器人编程模式机器人编程模式v6.1.1示教编程示教编程v我国的焊接机器人数量还不很多，产品改型也不快，许多工厂在购置焊接机器人时都是由机器人供应商事先把机器人的程序编好交给工厂使用。因此在使用初期示教再现编程占用机时的矛盾并不突出。v目前已经有些工厂希望机器人能焊接更多的新工件，这必须停止生产才能对焊接机器人进行示教再现编程。这种生产与编程的矛盾将会越来越大。6.1.1示教编程v示教再现是一种
2、可重复再现通过示教编程存储起来的作业程序。示教编程是指通过下述方式完成程序的编制：由人工导引机器人末端执行器（安装于机器人关节结构末端的夹持器、工具、焊枪、喷枪等），或由人工操作导引机械模拟装置，或用示教盒（与控制系统相连接的一种手持装置，用以对机器人进行编程或使之运动）来使机器人完成预期的动作 ，“作业程序”（任务程序）为一组运动及辅助功能指令，用以确定机器人特定的预期作业，这类程序通常由用户编制。v由于此类机器人的编程通过实时在线示教程序来实现，而机器人本身凭记忆操作，故能不断重复再现。6.1.1示教编程v示教再现编程在实际生产应用中存在的主示教再现编程在实际生产应用中存在的主要问题有：要
3、问题有： v（1）占用机器人作业时间， 机器人一旦进入编程姿态， 整个生产线都将停止生产， 所以效率低、成本高； v（2）示教技术无法完成十分复杂的机器人运动轨迹， 从而限制了机器人的运动范围； v（3）焊枪的姿态对焊接质量有很大影响，示教时完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂轨迹难以取得令人满意的效果； v（4）操作现场易受到干扰，示教一旦有误就要重新开始，不适应当今小批量、多品种的柔性生产的需要； 6.1.1示教编程v（5）不同的焊接位姿需要不同的焊接参数，而焊接参数的调整只能依靠操作者的技术和经验，焊接品质还是受到人为的影响；v（6）在柔性制造系统中，这种编程方式使得CAD数据库无法连接
4、上，这对工厂实现CAD/CAM/ROBOTICS一体化不利。v（7）运动规划的失误会导致机器人间及机器人与固定物的相撞，对生产具有破坏性；v（8）编程者安全性差，尤其是不适合太空、深水、核设施维修等极限环境下的焊接工作。6.1.2离线编程v 早期的机器人主要应用于大批量生产（如在汽车自动生产线上的点焊与弧焊），编程所花费的时间相对比较少，机器人用示教的方式进行编程可以满足一定的要求。随着机器人应用到中小批量生产以及所完成任务复杂程度的增加，用示教编程就很难满足要求。v 机器人学和计算机技术的迅猛发展，使传统生产模式变为高度自动化生产系统，而且这些系统与CAD/CAM实现CAD/CAM/ROBO
5、TICS一体化系统。在这种CAD/CAM/ROBOTICS一体化复杂系统中，由于机器人工作环境的复杂性，对机器人及其工作环境乃至生产过程的计算机仿真是必不可少的。机器人仿真系统的任务在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，通过图形技术，提供一个和机器人进行交互作用的虚拟环境。6.1.2离线编程v机器人离线编程技术，是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作在不脱离生产线情况下进行轨迹规划。传统的离线编程技术可称为一种基于三维图形的屏幕示教。近年来，机器人自动编程技术受到各行的重视。v离线编程技术的最高阶段是全自动编程，即只需输入工件模型，
6、离线编程系统的中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序。也可将这一技术比喻为“傻瓜编程”。v表为示教编程和离线编程的比较。6.1.2离线编程示教编程离线编程需要实际机器人系统和工作环境需要机器人系统和工作环境的图形模型编程时机器人停止工作编程不影响机器人工作在实际系统上试验程序通过仿真试验程序编程的质量取决于编程者的经验用规划技术可进行最佳路径规划很难实现复杂的机器人轨迹路径可实现复杂运动轨迹的编程示教编程和离线编程的比较示教编程和离线编程的比较 6.1.2离线编程v与示教编程相比， 离线编程系统具有如下优点： v（1）使编程者远离危险的工作环境， 改善了编程环
7、境； v（2）减少机器人的停机时间， 当对下一个任务进行编程时， 机器人仍可在生产线上工作； v（3）能够实现多台机器人以及辅助外围设备的编程和协调控制； v（4）离线编程系统使用范围广，可以对各种机器人进行编程， 并能方便地实现优化编程； 6.1.2离线编程v（5）可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程； v（6）编程不受具体机器人限制， 并且程序易于修改； v（7）能够实现基于传感器的自规划功能。v机器人离线编程技术已被证明是一个有利的工具，用以提高生产效率，减低成本，增加安全性等。6.2 离线编程系统v 6.2.1离线编程系统组成离线编程系统组成v 一个完整的机器人离线编程系统至少应
8、包括三维几何造型、运动学计算、轨迹规划、机器人运动的图形仿真、用户接口、语言转换和误差校正。v （1）三维几何造型 这是离线编程系统的基础，为机器人和工件的编程和仿真提供了可视的立体图象；v （2）运动学计算 这是系统中控制图形运动的依据，即控制机器人运动的依据；v （3）轨迹规划 用来生成机器人关节空间或直角空间里的轨迹，以保证机器人完成既定的作业；v （4）机器人运动的图形仿真 用来检验编制的机器人程序是否正确、可靠，一般具有碰撞检查功能；6.2.1离线编程系统组成v（5）用户接口 要有友好的人机接口，并要解决计算机与机器人的接口问题；v（6）语言转换 要把仿真语言程序变换成被加载机器人的
9、语言指令，以便命令真实机器人工作；v（7）误差的校正 由于离线编程系统中的仿真模型理想模型）和实际机器人模型存在有误差，产生误差的因素主要有机器人本身的制造误差、工件加工误差以及机器人与工件定位误差等，所以未经校正的离线编程系统工作时会产生很大的误差。因此，如何有效地校正误差，是离线编程系统实用化的关键。6.2.2离线编程典型系统离线编程典型系统v 根据机器人离线编程系统的开发和应用情况。可将其分为三类，即商品化通用系统、企业专用系统和大学研究系统。其中，商品化通用系统有：Workspace，IGRIP和ROBCAD等，这些软件包价格昂贵，达数万美元。企业专用系统有：德国NIS公司的RoboP
10、lan、日本松下公司的DTPS和日本NKK公司的NEW-BRISTLAN等大学研究系统有：Loughborough大学的WRAPS和Poitiers大学的SMAR等。v （1）Workspace系统v Workspace系统由美国Robot Simulation公司开发的商品化通用系统，是最先进的基于PC机的机器人离线编程软件。它可用于点焊、弧焊、切割、喷漆等诸多领域。具有强大的图形示教功能和基于任务级编程语言的自动编程能力。6.2.2离线编程典型系统离线编程典型系统v（2）RoboPlan系统 vRoboPlan系统是NIS公司针对造船工业的弧焊机器人开发的。造船行业中的弧焊任务存在以下特点
11、：工件尺寸大、仰焊、大量的几何变形、工件之间的相似性、标准部件和小批量等。RoboPlan系统适应了这些特点，在89月的时间内，就对造船中的80009000不同的工件完成的编程。RoboPlan需在UNIX系统下最小32M内存运行。对一些基本的结构形状，系统数据中存有现成的程序。v当对某一实际工件编程，系统自动与这些形状比较，生成焊接路径，并可由人进行修正。6.2.2离线编程典型系统离线编程典型系统v3）WRAPS系统vWRAPS系统是由Loughborough大学的的K.H. Goh和J.E. Middle等人于80年代末开发的一个典型的用于焊接机器人的离线编程与专家控制系统、该系统不但可以
12、具有离线编程功能，而且可以利用专家系统实时地控制就清热焊接过程，主要由造型模块、编程模块、接口模块和专家控制模块等组成，如图所示。 WRAPS系统总体框图系统总体框图6.3 DTPS离线编程系统离线编程系统v 6.3.1 DTPS操作界面操作界面v 通过使用Windows安装程序包安装软件，在桌面或者快捷启动栏中找到应用程序图标 ，双击打开，进入DTPS的操作界面，如图所示。DTPS主操作界面主操作界面 6.3.1 DTPS操作界面v DTPS操作界面由菜单栏、工具栏、PC文档及设备组成。以已经设置好的模拟示教设备链接为例，显示操作界面中的常用标签，如图所示。6.3.1 DTPS操作界面v设备
13、链接：操作者可自行定义名称；v设备：在设备链接中添加的设备标签；v标准模型标签：包含软件所附带的标准模型；v标准外部轴标签：包含软件所附带的标准外部轴；v模型组标签：包含parts、Textures、External Axes三个标签内容，分别是模型标签、组织标签、外部轴标签；v机器人程序：在这里常用的是Program程序标签，其中存储着以.prg为后缀的程序文件。v在操作界面中常用的主要有设备部分、模型部分和外部轴部分。6.3.2 生成设备链接生成设备链接v在G2PCTOOL-Installation 主操作界面下，单击File Add Control Installation Link（设
14、备链接）在弹出的Register the Installation Link对话框中，给要建立的Installation Link（设备链接）命名，然后输入要建立的Installation Link（设备链接）的保存地址，还可以通过Browse.选择保存路径，选中“NEW新建”，点击“OK”确定Installation Link（设备链接）被新建，如图所示。Installation Link（设备链接）的（设备链接）的生成窗口生成窗口 6.3.3 建立设备建立设备v右键单击建立的Installation Link（自定义名称），单击弹出的菜单中的Property，弹出的Property对话框，
15、单击Add Installation，如图。设备建立步骤设备建立步骤 6.3.3 建立设备建立设备v在弹出的Add Installation对话框中，输入新建的Installation（设备）的名称，选择机器人的台数（此处以1台为例），单击OK后，在弹出的提示框中单击“YES”，退出。名称为“教学”的Installation（设备）被建立了。6.4 外部轴编辑外部轴编辑v6.4.1 回转变位机的编辑回转变位机的编辑v在DTPS中已经预先编辑了一些标准的外部轴，可以直接选用。在主操作界面中的 图标下的 v 为标准外部轴标签，其中包含软件所附带的标准外部轴。另外，还可以自己绘制、编辑外部轴。6.4
16、.2 行走变位机的编辑行走变位机的编辑v操作步骤如下：v第一步：第一步：在G2PCTOOL-Installation 主操作界面下，选择Group标签下的External Axes，单击New（新建）按钮。弹出外部轴编辑框，其中包括外部轴项目框、外部轴属性编辑框。在外部轴属性编辑框中，双击Model File，弹出Open the part or axis model file对话框，从Standard中选择行走外部轴底座模型(例如：Shifter Base)，单击OK，外部轴底座模型被添加。6.4.2 行走变位机的编辑行走变位机的编辑v第二步第二步:添加外部轴，在外部轴项目框中，右键单击Ba
17、se，从弹出的菜单中选择Add axis，单击选择Axis01:，从图上可以看到，底座模型的纵向是Y轴方向，因此在外部轴属性编辑框中选择 shift Y，根据测量的长度，设定外部轴的位置和行程，此处设定位置参数PosY为-250，行程参数AreaMax为2450，双击Model File，弹出Open the part or axis model file对话框，从Standard中选择合适的模型（Shifter Table），单击OK，如图6-6所示。v行走外部轴编辑完毕，单击保存，给外部轴命名。6.4.2 行走变位机的编辑行走变位机的编辑行走变位机的模型行走变位机的模型 6.4.3 在设备
18、中添加变位机在设备中添加变位机v在G2PCTOOL-Installation 主操作界面下，右键单击Installation（这里是“教学”），从弹出的菜单中选择Property，在弹出的Property的对话框中单击Installation Editor。右键单击External Axis标签的空白处，选择Add External Axis，弹出Open the part or axis model file对话框，从Group中选择一个已经建立好的模型（例如：双持2轴变位机），单击OK，模型被添加。v在Installation Editor操作界面下，属性编辑窗口中的Poistion标签中
19、设定变位机的位置，例如离机器人1500mm，那么这里的参数X设定为1500mm，如图所示。6.4.3 在设备中添加变位机在设备中添加变位机设定变位机的位置参数设定变位机的位置参数 6.4.3 在设备中添加变位机在设备中添加变位机v右键单击External Axis标签的空白处，选择Add External Axis，弹出Open the part or axis model file对话框，从Group中可选择一个已经建立好的另一个模型。6.4.4 建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）建立机器人和变位机的关联（设定外部轴） 在Installation Editor操作界面下，外部轴项目框中选
20、择Robot标签，单击External Axis标签，按住Ctrl键，单击各个轴，设定G1、G2、G3三个外部轴，G1和G2轴为回转轴，G3为行走轴。,双击Link后，选择Robot，建立机器人和外部轴的关联，将机器人放到外部轴上。选择Position标签，设定机器人Z向位置990mm。把机器人调到合适位置上，如图6-8所示。6.4.4 建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）图图6-8 建立机器人和变位机的关联参数建立机器人和变位机的关联参数 v在Installation Editor操作界面下，外部轴项目框中选择Robot标签中，双击R001-ROBOT
21、，弹出Robot information外部轴参数设定窗口，选择External Axis标签，G1、G2轴为回转轴，Type选择Rotation/Tilt。v外部轴参数的各个选项如下：v轴的类型：回转/行走Type：Rotation/Tiltv该轴的基轴是哪个轴？Base Axis：G1v伺服电机的功率Servo parameter：750W parameterv电机是否反转？Reverse direction：NO6.4.4 建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）6.4.4 建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）v
22、编码器的脉冲数Encoder pulse：2048v减速比Deceleration ratio：1/1v减速比的分子Numerator：32v减速比的分母Denominator：5757v最高转速Maximum speeddeg/s：150v最大加速度Maximum accelerationdeg/s2：500v环路增益Loop gain 1/s：156.4.4 建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）v正方向最大转动角度Motion range（Upper）：3600v反方向最大转动角度Motion range（Lower）：-3600设定好所有参数后，单
23、击设定好所有参数后，单击OK，如图，如图6-9所示所示 图图6-9 设定外部轴参数设定外部轴参数6.4.4 建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）v在Robot information外部轴参数设定窗口中，选择Mechanism标签，双击Value，在G1选项中选中Use，单击OK。v设定机器人与外部轴的协调：在Installation Editor操作界面下，单击Robot菜单下的Option，弹出Option窗口，在Harmonic选项下选中External Axis，单击OK。单击保存图标，外部轴设定完毕，如图6-10所示。 6.4.4 建立机器人和
24、变位机的关联（设定外部轴）建立机器人和变位机的关联（设定外部轴）图图6-10设定机器人与外部轴的协调设定机器人与外部轴的协调6.5 编辑（导入）工件编辑（导入）工件vDTPS具备简易的CAD编辑功能，可以编辑简单的工件，也可以将其它三维软件编辑的工件导入到DTPS中。在G2PCTOOL-Installation 主操作界面下，选择Group标签中的Parts，单击New（新建）。弹出Parts Editor操作窗口，DTPS中可以导入.igs/.dxf/.STL/.VRML等格式的图纸，导入方法如下：v【方法1】 CAD文件的导入，单击File菜单下的Import CAD File，弹出Ope
25、n CAD File窗口，选择支持的文件，例如这里选择工件.igs，单击“打开”，在弹出的对话框中单击OK，如图6-11所示，单击保存，工件被导入。 6.5 编辑（导入）工件编辑（导入）工件图图6-11 CAD文件的导入文件的导入6.5 编辑（导入）工件编辑（导入）工件v【方法2】STL格式文件的导入，在Parts Editor操作窗口中，单击Mash，弹出Element Edit Index1Position1对话窗口，单击 Import STL，选择STL文件，单击“打开”， STL格式文件被导入，如图6-12所示。图图6-12 STL格式文件的导入格式文件的导入6.5 编辑（导入）工件编
26、辑（导入）工件v另外可以选择工件的颜色：双击Color，在弹出的颜色窗口中选择一种颜色后，单击确定。v【方法3】简单工件的编辑，单击Standard parts按钮，弹出Create Standard parts对话窗口，如图6-13所示。 图图6-13 简单工件的编辑步骤简单工件的编辑步骤6.5 编辑（导入）工件编辑（导入）工件v在Create Standard parts对话窗口中，选择Plate，这是一个面体模型，设定参数，这里设定W=500、D=400、R=0、H=300，双击更改颜色，单击OK。继续单击Standard parts按钮，在Create Standard parts对话
27、窗口中，选择Cylinder Pipe，这是一个空心圆柱体模型，设定参数，这里设定T=20、R=50、H=100，双击更改颜色，单击OK。圆柱体被建立。v下面更改圆柱体的位置，在左侧的index1标签下，右键单击圆柱体名称，在提示列表中选择Transfer，在弹出的Transfer Elements对话窗口中可以设定比例缩放/镜像、平移的距离、旋转，这里设定平移距离X=150、Z=300，单击OK，如图6-14所示。6.5 编辑（导入）工件编辑（导入）工件图图6-14 更改圆柱体位置更改圆柱体位置6.5 编辑（导入）工件编辑（导入）工件v再建一个圆柱体，在左侧的index1标签下，右键单击圆柱
28、体名称，在提示列表中，选择Copy。再右键单击圆柱体，选择Past，弹出Past Elements对话窗口，在窗口中设定比例缩放/镜像的选项中选中Mirror，单击OK。v简单的工件被建立完成，单击保存按钮保存工件,如图6-15所示。 6.5 编辑（导入）工件编辑（导入）工件图图6-15 简单工件简单工件6.6 程序编辑程序编辑v6.6.1 打开程序编辑窗口打开程序编辑窗口 在G2PCTOOL-Installation 主操作界面下，选择Robot1标签，单击New（新建），弹出Setting new program对话窗口，单击OK，弹出程序编辑窗口，如图6-16所示。 图图6-16 程序编
29、辑窗口程序编辑窗口6.6 程序编辑程序编辑 在程序编辑窗口中，主要分为四部分：程序编辑主窗口、机器人位置窗口、外部轴位置窗口、动画演示窗口。v6.6.2 添加工件添加工件v右键双击该窗口任意位置，在列表中选择Work，弹出Work Setting对话窗口，双击File，弹出Open Work对话窗口，选择Group标签中的工件，单击OK，如图6-17所示。6.6.2 添加工件图图6-17 添加添加Group标签中的工件标签中的工件6.6 程序编辑程序编辑v在Work Setting对话窗口中，双击 Arrangement Object，由于工件在G2轴上，所以选择G2，编辑工件的位置，例如转9
30、0度，参数设定完毕，单击OK，这样工件就被装到了设备上，如图6-18所示 图图6-18 安装工件安装工件6.6.3 机器人原点位置的设定v右键单击编程主窗口的任意位置，从菜单列表中选择Home position，弹出Home position list对话窗口，在此窗口下单击New，单击Rename，可以给原点命名，这里使用HOME命名机器人原点位置，如图6-19所示。图图4-19 机器人原点位置设定机器人原点位置设定6.6 程序编辑程序编辑 右键单击编程主窗口的任意位置，从菜单中选择Add Pose with move command，弹出Add Pose and command窗口，右键单
31、击Home，选择HOME，单击OK。v6.6.4 编辑焊接示教点编辑焊接示教点v首先单击External Axis，将G1轴转45，单击Change，弹出Modify move command对话窗口，在command选项列表中选择MOVEC+，选择Weld（Weld为焊接点），单击OK，单击Robot1标签，使用各个坐标系，修改焊枪角度到合适位置，单击OK。按住Ctrl键，单击第一个点，如图6-20所示。 6.6 程序编辑程序编辑图图6-20 编辑焊接示教点步骤编辑焊接示教点步骤6.6 程序编辑程序编辑v6.6.5 编辑接近点编辑接近点v在Add Pose and command窗口中，不选
32、择After，单击Change，弹出Modify move command对话窗口，选择Air（Air为空走点），在command选项列表中选择MOVEL，单击OK。选择工具坐标系，X方向向后移动若干距离，单击OK，如图6-21所示 6.6 程序编辑程序编辑图图6-21 编辑接近点步骤编辑接近点步骤 6.6.6 批量编辑点的属性v选择若干个点，右键单击选择的点，在列表中单击 Modify Action & Speed Modify，弹出Action & Speed modify对话窗口，选中Speed，选择ALL/WELD/AIR，设定速度，参数设定完毕，单击OK，如图6-22所示。6.6 程
33、序编辑程序编辑图图6-22 批量编辑点的属性批量编辑点的属性6.6 程序编辑程序编辑v程序编辑完毕，单击保存，并给程序命名，一般参数设定空走速度120m/min，焊接速度0.8m/min。v6.6.7 编程编程v编程直线和圆弧组合选取7个点位P2-P3-P4-P5-P6-P7-P8，使用鼠标点击所需要的选取点位，此方法比示教操作简单，方便操作，配合机器人运动参数可以更好的选取点位，如图6-23所示。 6.6 程序编辑程序编辑P7P2P3P4P5P6P8P7图图6-23 机器人焊接圆柱体点位选取路径机器人焊接圆柱体点位选取路径6.6 程序编辑程序编辑v在选取点位后，配合点位的参数，计算机软件自动
34、生成程序窗口显示：vBegin of programvTOOL=1：TOOL01vMOVEP P1， 10.00m/minvMOVEL P2， 3.00/minvMOVEC P3， 3.00m/minvARC-SET AMP=120 VOLT=19 S=0.45vARC-ON ArcStart1.prg RETRY=0vMOVEC P4，10.00m/minvMOVEC P5，10.00m/min6.6 程序编辑程序编辑vMOVEC P6，10.00m/minvMOVEC P7，10.00m/minvCRATER AMP=100 VOLT=15.0 T=0.5vARC-OFF ArcEND1.prg RETRY=0vMOVEL P8，10.00m/minv以相同方式编辑另一个圆柱体焊接程序，并在DTPS for G2R001程序编辑操作界面下，单击Execute标签下的Continuous Simulation，在弹出的对话框中单击Execute，完成机器人模拟示教，如图6-24所示。6.6 程序编辑程序编辑图图6-24 模拟示教窗口模拟示教窗口
