机器人系统的开发设计与调试应用.docx

1、机器人系统的开发设计与调试应用机器人系统的开发设计与调试应用摘 要如今，工业自动化市场竞争激烈，机器人在从事新的产品生产之前检测和试运行会花费了大量的时间，这种方法远不可行。机器人离线编程的仿真技术大大改善了这点。在生产的同时，甚至生产之前，对系统进行编程、仿真可以提早开始生产产品，缩短上市时间。因此仿真技术显得尤为重要。本论文设计完成了以ABB机器人为对象，使用ABB公司的机器人仿真软件RobotStudio进行工业焊接机器人的基本操作。在RobotStudio中，选择一定型号的工业机器人，建立虚拟的仿真环境，模拟焊接过程。由于该软件本身建模能力较弱，故需要通过其他的三维建模软件来创建焊接工

2、件模型。本论文的主要内容还包括构建基本的工业机器人工作站，规划和创建焊接轨迹，碰撞检测，离线编程等。机器人系统布局部分，主要是对组成焊接机器人系统各部分的介绍与选择，以及SolidWorks软件绘制零件、布局工作站的具体操作。路径创建与规划部分，用简单规则路径示教点法和捕捉焊件表面自动生成路径两种方法进行了轨迹的确定，并在过程中对机器人轴参数调整，使得机器人能够成功沿轨迹运作。离线编程部分讲述了RAPID程序的简单编程。近几年，使用机器人离线编程以及仿真已经成为了越来越多人研究的主题。关键词: 机器人；焊接；RobotStudio；仿真第一章绪论1.1引言仿真，又称模拟(simulation)

3、，即在仿真软件中创建一个模型来模仿真实环境的系统或事物。起初，仿真技术大多在航空航天等高价格、高风险、难以实现的少数领域中应用，后来逐步发展到其他工程实践中，其他非工程系统领域也开始接受仿真思想。其应用的多样性，在各个领域都带来了显著的效益。焊接机器人1，是指从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。其发展至今已有六十个年头了，是一个具有实际效益和明晰方向的研究课题，自动检测生产线上所应用的焊接机器人分为三代：第一代是指基于示教再现2工作方式的焊接机器人，该种机器人的优点是操作方便、不需要建立环境模型、示教的过程中可根据实际工况修整由于机械结构带来的误差，在生产中被大量使用，但是动作单一，无法满

4、足柔性生产需求；第二代是基于特定传感器信息的离线焊接机器人，柔性化和可编程化是其特点；第三代机器人配备了多传感器，并且依靠现代制造技术，其加工误差很低，可根据实际环境进行编程，大大提高了柔性，获得了企业的追捧。这种机器人理论适应性很强，但目前人工智能的发展还不完善，需要进一步研究。RobotStudio45是工业机器人龙头瑞士ABB集团开发的一款计算机仿真软件，主要应用于其旗下的机器人产品，可以应用于机器人生命周期的各个阶段。它降低了机器人购买和应用的总成本，促进了生产。在规划与定义的生命周期时，运用RobotStudio软件，可以实现机器人系统的整体背景构建以及试运行。在设计阶段，通过Pro

5、gramMaker可在直接在PC上创建、编辑和修改机器人程序之类的数据文件，从而达到生产需求。1.2选题背景与意义21世纪，工业飞速发展。作为自动化行业的领头羊企业，瑞士ABB集团位列全球企业500强，2015年销售额更是高达398.30亿美元，在工业和农业机械行业中排名第三。在工业如此发达的如今，机器人被广泛应用于各个领域，其主要目的为了减少人工成本，提高工作效率和产品质量。工业机器人的应用主要是焊接，占工业机器人总数的25%。随着对焊接精度和快速性要求的不断提高，人们很难做到这一点。 同时，焊接的糟糕工况会造成工人的职业病，而机器人的特性可以在恶劣的环境下连续并能提供稳定的焊接质量，机械焊

6、接是焊接自动化的革命性发展，极大地改善了焊接环节所产生的危害。第三代焊接机器人，发展了一种灵活的自动化生产模式，可以满足柔性生产需求。随着机器人焊接生产线多焊接生产的自动化带来了十分可观的效益，焊接完全自动化已成为一个重要的研究课题。 2011年，长城汽车天津新工厂所有焊接流水线全部采用了ABB公司的全线机器人焊接自动化解决方案6，用于生产新发布的哈弗汽车以及其旗下的其他车型，使得其下线产品的质量得到了提高，凸显了焊接机器人的商业价值和继续研究的必要性。工业机器人的价格十分高昂，为了降低实际操作产生的高昂费用，在实际的机器人投入生产操作之前，往往会进行离线的仿真以及编程工作，从而降低成本。离线

7、编程是提高机器人系统投资回报率的最佳途径。通过ABB的robot studio在线模拟和编程软件，它可以在不中断生产的情况下进行编程。机器人技术可以在生产前做好准备，提高整体生产率。其研究可以在不影响生产的情况下对其进行训练、编程和优化，从而不间断的提高生产效率和产品质量。机器人系统的成本效益和多重好处如下： （1）降低实际使用风险（2）快速投产（3）柔性化（4）不断提高生产效率ABB平台在机器人行业具有一定的权威性，所以在工业机器人领域，尤其ABB自家，可以通过软件程序的不断迭代，进一步的提升早期机器人的工作效率。使得机器人研究可以利用车间使用的程序和配置进行非常逼真的仿真，并且通过网络平台

8、进行共享。 2012年，ABB先进的工业机器人在芬兰表演了一场与真人合作的舞蹈，首次实现了机器人和舞蹈人员的近距离安全接触，展现了其超人的精确性与稳定性。1.3研究现状基于RobotStudio的机器人仿真的研究已经十分成熟，其软件最新版本已经达到了。机器人离线编程技术的发展 20世纪70年代，国外开始对离线机器人编程进行研究，70年代末，离线规划与编程系统开始研究。但是由于经验的缺乏这些系统都有这自身的缺点，只能满足特定的使用环境。到20世纪80年代中期和90年代，在线编程系统已经商业化。最具代表性的是1986年推出的robcad机器人计算机辅助设计及仿真系统和模拟器。它结合了互操作性、完整

9、性、交互式计算机图形学、智能化和市场营销。然而，当时的编程环境都是面向过程的，对于使用者不友好。后来，随着计算机上CAD软件的发展，出现了一个集成CAD软件的离线编程系统，使得CAD/CAM软件集成成功。 商用电缆编程系统在电弧焊领域的实际生产中取得了成功应用，实现了无干扰的自动生产线和焊接自动编程。机器人公司开发的离线编程系统及其应用 ABB平台开发的所有机器人研究系统基于Windows操作系统，对于工程师十分友好。在该系统中，图形机器人的运动模块和运动控制算法采用了真实的机器人控制器控制算法，因此仿真程度很高。同时，专门为其开发的RAPID9语言，可以帮助机器人操作人员快速上手，提高其编程

10、水平。深圳富士康购买了ABB的离线编程软件，将实时编程结果与实际焊接挠度相匹配。机器人开发的离线编程系统有其自身的特点，特定的机器人在环境中对应特定的模型，通过人工初步编程，机器人可以实现自动模拟并补全代码。使得动态控制算法与真实的机器人控制算法相同，提高产率。离线编程系统主要是焊道编程1011。从工艺角度看，焊接过程复杂，影响因素多，离线编程生成的参数不可用，只有焊道是可以完全模拟的。所以焊接参数编辑时，只能通过焊接试验所需的焊接参数12进行焊接，而不进行离线编程。机器人离线编程系统实用化技术研究趋势(1) 传感器接口与仿真功能 现在的研究热点是多传感器信息驱动的机器人控制策略，因此离线编程

11、系统会朝着结合实用化需求传感器的接口与仿真这个方向发展。通过引入焊接跟踪传感器，可以动态地对焊接位置偏差进行修正补偿，保证离线编程系统能够满足实际焊接要求的精确度等其他具体需求。(2) 高效的标定技术13 离线编程系统的标定精度直接决定了焊接的最终质量。中间不用调整定位器14，工作模块使用简单。标定完成后，机器人开始执行离线程序，与变压器配合焊接的情况下，机器人可能会与变压器产生干涉，所以准确确定变压器相对于机器人的空间位置以及规避方式是研究方向。 (3) 焊缝起始点确定技术在工业应用中，第二代机器人的编程系统是独立的与其他功能没有接口，这就要求焊接设备的安装和定位更加精确，因此，在局部环境中

12、确定焊接及其起点已成为最合适的技术。特别是离线编程技术结合了焊接的初始方向，将极大地扩展程序系统的应用范围。 机器人自动检测技术的应用机器人由于其制作产品精度高，一致性好。被广泛应由于机械制造场景，并且在焊接这种工况恶劣的情况下，为了防止工人职业病产生，改善工况，改进生产技术。机器人焊接技术更是快速发展。机器人自动检测技术是机器人精度高，一致性好的前提。早期的机器人自动检测技术需要借用机械传感器或者光电传感，这时候由于PLC触点限制以及传感器使用场景限制，只能进行物料分拣，直线或者简单曲线等路径简单的重复性作业，无法完成像汽车样条曲线焊接，复杂面抛光的动作。随着视觉传感器的发展，auduino

13、开发板异军突起，计算能力远远高于PLC，随着封装技术的成熟，视觉传感器的编程平台也越来越广泛，这样一来，让机器人有了视觉，从此机器人可以通过影像分析更加精确的进行平面曲线和空间曲线的运动，使得机器人在焊接领域远远超越了熟练工。目前自动检测技术仍然在开发，机器视觉系统的优越性在于不只能看见可见光频段的柔和光，更是在红外线，紫外线频段和刺激光和微弱光下能够正常识别，在如焊接等会产生人眼难以接受的光的工况下，会大大提高产品稳定性，同时减少工人所承受的伤害。1.4本文结构 本文以ABB机器人为说明对象，通过RobotStudio进行仿真。第一章会说明离线编程与仿真的应用广泛程度，介绍焊接机器人、Rob

14、otStudio软件的特点、发展状况以及趋势。第二章说明机器人系统的各个部分的选型规则，并在三维建模软件平台建立焊件模型。第三章在RobotStudio环境下建立机器人系统以及创建焊接轨迹。第四章建立两种不同的焊接轨迹，用以展示工况的适应性。第五章RAPID程序的简单离线编程。第六章仿真与调试，并将工作站制作成exe可执行文件。第七章总结了全部的工作，并提出了存在的问题以及后续的研究方向。论文整体的结构框图如下图1.1所示。图1.1论文结构框图第二章机器人系统布局的建立2.1机器人焊接系统基本组成 焊接机器人是应用于焊接的机器人。依靠运动控制系统进行运动，主要运动构件需要外围设备进行驱动。机器

15、人标准焊接系统由五部分组成：1、机器人本体，通过伺服电机驱动的进给系统15，由驱动器、机械臂、关节、传感器等组成，来保证机器人能够按照要求走过特定的路径。2、机器人控制柜：主要放置控制系统的所有线束和原件，便于以后进行编程和更换维修3、焊接电源系统，提供焊接和机器人运动所需的能源。4、焊接实时传感器及系统安全保护设施。5、焊接所需的工装，夹具以及其他次要辅具。2.2机器人选型工况决定了选用的机器人的型号，此次工况条件未特殊表示，所以可以随意选择。在这里，本课题选择了ABB集团IRB260016工业机器人。IRB2600工业机器人有效载荷为20公斤，有着较大工作范围同时在同级产品中精度和加速度最

16、优。它大大提高了生产率，降低了废品率。2.3焊接电源及其他焊接电源美国的林肯电气、米勒、奥地利的福尼斯焊机、日本松下这几家企业是国际上知名的电源生产厂家。这里使用的是奥地利福尼斯焊机TPS400017。全数字化焊接是以逆变电源为基础的。通过计算机技术对数字信号进行实时的处理和分析，从而动态的调整电流，焊接角度，走丝速度等参数的细微变化来保证焊接性能。 TPS采用模块化设计，控制集成度高，精确、可靠，焊接性能强。TPS4000能适用于多种焊接方法，满足各种各样的焊接任务。其最大焊接电流可达400A，强悍的能满足绝大多数工业要求，并且可以保证效率优异。主要技术数据：表2.1 TPS4000焊接电源

17、主要技术参数主电压15% 50/60Hz 3 400V焊接电流范围MIG/MAG3400A焊接电流范围TIG3400A焊接电流范围MMA10400A焊接周期（40C，10分钟）50%暂载率，400A焊接周期（40C，10分钟）100%暂载率，320A尺寸（LWH）25/290/475mm清枪机构18ABB自带焊枪维护系统。在焊接过程中，焊渣、刮削线和切割线是保证焊接过程正常运行的三个步骤，它使用三个输出信号控制三个操作的停止，从而减少人为干预，稳定整个自动焊接的运行。清焊渣：给顶尖提供旋转动力，使得焊渣甩出，从而达到清洁的目的。喷雾：自动装置对清过焊渣的焊枪头部进行喷雾，防止导电嘴污染。剪焊丝

18、：剪切装置会将焊丝剪至合适长度。机器人控制柜IRC519控制器采用模块化设计，是机器人工作站的综合控制单元。它集成了PLC和机器人控制柜，为用户提供了更大的功能。ABB柔性AC500 PLC单元与IRC5机器人控制单元的结合，不仅降低了独立PLC控制单元的成本和空间，而且大大缩短了生产线机器人工作站的建设和运行时间。它具有配备完善的通信功能、高度灵活的编程语言、高可靠性、开放式系统等。配备控制模块、驱动模块以及一个容纳定制设备和接口的过程模块，即可完全控制一个六轴的机器人。2.4焊接件建模RobotStudio只有简单的建模功能，只能建立简单的几何体。所以，当使用RobotStudio进行机器

19、人仿真实验时，所以建立的模型并非要求细致的话，可用等同实体大小的简单基本模型来进行替代。这样一来，就可以提高实验效率。RobotStudio 3D模型创建： (1) 创建一个新的空工作站，在“建模”功能选项卡中选择创建几何体。 (2) 输入尺寸参数。(3) 右击模型，继续对颜色、移动、显示等相关其他设定进行调整(4) 全部调整完成后，导出几何体，保存。如果我们需要更精细的三维模型时，需要通过第三方的建模软件进行建模，并导出.sat格式，使用打RobotStudio中打开，来确认是否是自己需要的模型。本次设计中，选择的是第三方软件SolidWorks进行三维建模。 SolidWorks简介Sol

20、idworks20是达索公司出品的世界上第一个基于Windows操作系统的三维建模系统。它广泛应用于工业：空间技术、机械、电子通信、娱乐和离散制造业等领域。 本次使用SolidWorks2014建模演示，我学习了如何进行三维建模，来获得我想要的三维模型。 SolidWorks草图绘制我要通过此软件设计一款二维轮廓曲线。在草图设计中创建的二维草图可以生成三维实体，通过约束可以确定各个三维实体的实际关系和大小尺寸。绘制草图的流程为下：(1)首先选择基准面：选择并单击“草图”工具栏上的“草图绘制”。在你选择的基准面上绘制草图，这些会成为三维模型的基础；为了方便以后进行编辑，最好在原点进行零件的绘制。

21、通常通过原点的直线或者点是模型的边角或者中心，这么设计的好处在于以后方便进行模型修改以及新的草图的建立。(2)绘制草图实体：使用工具栏里的直线，圆，椭圆，正方体，六边形等命令，绘制出你需要的图形的特征，特征首尾相连形成封闭曲线，可以不用考虑尺寸。(3)约束：将上述绘制好的特征按照你所需要的尺寸要求，位置关系，约束条件一一设置，这以后你就获得了你所需要的三维体的封闭草图模型。(4)保存你所有的设置，并且关闭草图。 SolidWorks三维零件设计三维建模是SolidWorks的核心。三维建模的步骤：(1)按照需要的三维模型特征，抽象出草图团，新建草图。(2)分析零件特征。使用做好的草图进行特征处

22、理，零件通常有拉伸、切除、旋转、抽壳、倒角、圆角等，通过不同的草图进行这些处理的堆叠，就行可以获得你需要的草图。(3)确定零件的特征创建顺序。根据你模型的需求，按照先后顺序处理不同的特征模型，来获得最终的模型。(4)创建基础特征，如凸台拉伸、拉伸切除等。创建何种基础特征由产品设计意图和特点灵活得出。(5)创建优化特征，比如倒角，相关便于使用的优化特征。(6)最后保存零件模型。另存为成.sat格式。 2.5工业机器人系统布局21(1) 导入机器人。在新建的空工作站中打开模型库，选择所需要的IRB2600机器人，加载其他实际参数。(2) 加载机器人工具。选择Binzel焊枪，并将该焊枪装备到法兰盘

23、上以备使用。(3) 摆放周边模型。导入焊接电源、清枪机构、控制柜以及绘制好的焊件模型，显示机器人工作区域，查看是否满足生产需求。如图2.3所示，从左至右分别为清枪机构、机器人本体、控制柜、以及焊接电源和工件。所有的工件都必须满足机器人的工作条件，保证生成的顺利进行，这样有助于轨迹编程。 移动对象时，选择Freehand中的大地坐标系来移动，拖动各个部件，使其到达对应的大地坐标位置，使其布局美观。第三章构建仿真机器人工作站3.1建立工业机器人系统在完成了基本的布局以后，机器人就可以加载系统22，进行焊接件的仿真走刀。在“基本”选项卡下，选择从布局创建系统。一切设定好后，选择对应的机械装置作为系统

24、的一部分，配置系统参数用以对应相应的机械装置。等到“控制器状态”显示为绿色即代表机器人系统建立的完成。如果建在建立完工业机器人系统之后，发现机器人位置并不合适实际生产需求，此时，需要对所有设备进行重新定位，来保证每个设备和零件都能安放在较好的位置。3.2工业机器人的手动操纵在Robot Studio中，有一些情况可以手动控制机器人到需求位置：这三种方式为手动关节、手动线性和手动重复调节。直接拖动以及精确手动两种控制法可以实现手动控制机器人的目的。直接拖动：选择面板Freehand中的手动关节中对应的关节轴来运动。工具栏的“工具”设定为自己预先选定的工具，而非默认的“tool0”，默认工具无任何

25、有效工具映射，只是机械手臂末端法兰盘。选择手动线性，可拖动机器人上的工具进行线性的运动。所有的定位规则如图3.1所示，是对机器人直接拖动的界面，依次为移动、旋转、手动关节、手动线性，手动重定位以及多个机器人手动操作。精确手动：工具设定好焊枪后，右击机器人名称，选择“机械装置手动关节”，拖动滑块就可以进行精确的关节轴运动，滑动幅度与运动幅度成为映射，此外还可以点击对应按钮来进行“机械装置手动线性”是控制机器人点动运动，输入坐标即可进行精确移动，如图3.2所示。图3.2 精确手动移动机器人操作面板在同样的菜单栏中，“回到机械原点”命令可以让机器人回到机械原点。机械原点位置，要提出的的是，并非机器人

26、六个关节轴都为0，其中其他会归零，但是轴5会定位在30的位置。3.3建立工业机器人工件坐标23离线机器人的编程坐标系与工件的坐标系需要重合，可以减少某些不必要的问题，坐标系的标定方式大致如下：最简单的方法是确定一个X轴点和两个点，即一轴两点确定直角坐标系，在Y轴上，Z轴的方向由笛卡尔坐标系确定。如果工件形状较为怪异，可以从三个工作平面上的多点动作中提取三个角度，然后建立坐标网，来保证坐标系建立的高度重合性。随着技术的飞速发展，有人专门对圆形的工件提出了四点的标定法，此坐标轴的标定，提高了机器人的移动效率。在弧焊机器人工作的环境下，由于焊缝尺寸大，所以对于工件坐标系的标定精确度要求低，因此，采用

27、三点法即可，不需其他复杂的标定方式。标定坐标目的是确定工件每个点相对于大地或其他坐标的位置。也就是说将工件所有的点位的相对位置在空间中固定。在一个机器人系统中，可以设置多个工作坐标，以指示同一工作环境中不同位置的多个相同或不同副本。这样就使得工件可连同路径移动，这样，机器人在工件上运作时就可以方便的进行坐标偏移编程，用来提高效率。在说明机器人示教工作之前，一定要对机器人焊枪的运动轨迹建立对应的工件坐标，来保证示教工作的顺利进行。如果示教点位于wobj0坐标系中，那么就必须再次显示每个标记点；如果它显示在工件的相应坐标上，则无需重复，只需修改项目的坐标即可达到要求。 如图3.3所示，A是机器人的

28、大地坐标。为了便于编程，确定了第一个活动项目的坐标B，并在坐标系里完全定义了轨迹，而且重复性很好，只要装夹到位，每个零件的一致性会很高。这样一来，机器人就可以确定坐标C而不必重复工作，然后复制B，在大规模生产中用来节省大量的时间。 建立工件坐标系时，首先起好名称，然后创建框架。然后可以输入三点坐标，或者点击界面上的准确点来完成坐标的建立。第四章焊接路径创建与规划 在机器人研究中，工业机器人的运动轨迹是由PID指令控制的。 对于简单的焊接，通过现成的示教焊接路径上的几个点就可走完焊接路径。不过在工业机器人实际生产的应用中，经常需要焊接一些复杂的曲线。在这个时候，如果仍要满足工艺精度的要求，描点法

29、去示教目标点的方法就显得效率很低，轨迹的精度也很差。机器人本身具有自动生成功能，即图形自动生成程序。所以，机器人是懂得根据其曲线特征自动将三维模型转换成轨道的，所以直接使用自动生成命令会优于描点法。 4.1机器人运动指令机器人手臂的空间运动方式有四种， MOVEABSJ（绝对位置运动）， MOVEJ（关节运动）， MOVEL（线性运动），以及MOVEC（圆弧运动）用于不同的图形环境中。绝对位置运动指令MOVEABSJ例MoveAbsJ *NoEOffs，v5000，z20，tool5tghj:=wobj1;其中*代表位置数据，速度v5000，转弯区半径为20，使用工具tool5，工件坐标tgh

30、j。这像指令的意思是将机器人移动到六个关节轴零度的位置，具体操作就是选择指令中的位置数据，查看值就能够看到到机器人六个关节轴的位置的值，让后将这些值设为坐标原点，然后机器人会按照此原点进行增量运动。关节运动指令MOVEJ例MoveJ p15，v2000，z60，tool5tghj:=wobj1；MoveJ p25，v5000，z20，tool5tghj:=wobj1； 关节运动指示，就是指对关节运动坐标的指示，这个指令对路线精度较低，适合快速指令。机器人的TCP工具的中心点不一定是直线，也可以是一条不规则曲线。 如图4.1所示：这样机器人活动的范围就会变大，灵活度也会提高，而且用MOVEJ指令

31、机器人可以避免走到机器人的极限位置或者死点上面导致卡死现象的发生。线性运动指令MOVEL例MoveL p15，v3000，z20，tool5tghj:=wobj1；MoveL p25，v5000，z40，tool5tghj:=wobj1；线性运动中，在移动指令部分代码的最后一句指令中，必须将转弯区半径的“z40”代码改为fine。线形运动是指TCP机器人在开始和结束之间的运动轨迹是一条直线，如图所示，当焊接路径要求较高时，通常使用该命令来保证较高的精确值。 但用该指令时两点之间不能离得太远，距离太远的话，机器人容易走到死点上去，造成卡死现象，给生产造成损失。圆弧运动指令MOVEC例MoveC p15，v4000，fine，tool5tghj:=wobj1;MoveC p35，p45，v3000，z2，tool5tghj:=wobj1; 圆弧的路径是机器人工作范围内定义三个位置点，p15是起弧点，p35是圆弧的曲率，p40是圆弧的终点，如图4.3。4.2示教点法创建轨迹示教点法适合简单的焊接路径。本次创建的规则焊件的外边轨迹时，就可以采用该方法，只需示教若干点。首先建立一个新的路径，设定对应的工件坐标以及对应的工具。在编程开始前，要对运动指令以及参数进行初步的设定。首先要选择“手动关节”，需要手动将机器人拖动到适合工件坐标系合适的位置点，作为机器人轨迹的起始点。同时写入示教指