机器人离线编程技术的研究进展1Word文档格式.docx
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早期主要是以在线示教方式编制任务程序,这种方式在实际生产应用中存在的主要技术问题有,机器人的在线示教编程过程繁琐、效率低;
示教精度完全靠示教者的经验目测决定,对于复杂路径难以取得令人满意的示教效果;
对于一些需要根据外部信息进行实时决策的应用无能为力。
而与在线示教相对应的离线编程系统可以简化机器人编程进程,提高编程效率,是实现系统集成的必要的软件支撑系统。
借助离线编程技术,技术人员可以在软件环境中合理分配工艺,模拟焊钳选型和站内布局,优化焊接顺序和干涉区设置,预测生产节拍等,通过离线编程技术将技术难题解决在现场调试之前,使整个项目的各个环节得以并行开展。
现场工程师只需将离线程序进行微调和再现验证便可投入使用。
克服了现场示教编程大量占用调试时间的不足,使程序得以规范化,提高了现场的调试速度和针对客户需求的响应速度,提高了项目质量。
1.机器人离线编程技术的应用特点
与示教编程相比,离线编程系统具有如下优点:
1.减少机器人停机的时间,当对下一个任务进行编程时,机器人可仍在生产线上工作;
2.使编程者远离危险的工作环境,改善了编程环境;
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;
3.便于和CAD/CAM系统结合,做到CAD/CAM/ROBOTICS一体化;
4.可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程;
5.便于修改机器人程序;
因此,离线编程引起了人们的广泛重视,并成为机器人学中一个十分活跃的研究方向。
2.机器人离线编程技术研究现状
传统机器人示教编程方式不适应当今小批量、多品种的柔性生产的需要;
复杂的机器人作业,如弧焊、装配任务很难用示教方式完成,运动规划容易导致机器人间及机器人与固定物的相撞,破坏生产;
编程者安全性差,不适合太空、深水、核设施维修等极限环境下的焊接工作。
为克服这此不足,各国对机器人离线编程系统进行广泛研究,也推了许多商品化的系统[2]。
2.1机器人离线编程的发展历史与研究领域
国外机器人离线编程的研究从20世纪70年代开始,并在80年代中期到90年代中期推出商品化离线编程系统,但都是通用离线编程系统,没有针对弧焊提供方便、有效的编程方法。
从20世纪90年代中期,国外一些大学、研究所针对弧焊参数制定、机器人与变位机协调焊接等问题对弧焊离线编程与仿真技术进行研究,并开发出原型系统[3]。
随着制造业对柔性要求的进一步提高,产生了对高效和简单编程方法的需
要[1]。
根据编程人员定义工具运动的控制级别,可将离线编程分为四个级别:
关节级、执行级、对象级和任务级[4,5]。
目前,商品化离线编程系统处在执行
级编程阶段。
如IGRIP、Workspace等,它们都具有较强的图形功能,并且有很
好执行级编程功能,但是它们都不具有任务级编程功能。
任务级在于将一个用
户任务说明转化成清楚的机器人级程序。
在弧焊系统中,任务规划器要负责以
下任务:
选择一个焊接次序,以便减小在不同焊缝之间的运动时间,定义焊缝
间的运动路径,以及产生机器人程序,以便确定焊枪运动所要求的轨迹。
由于任务级离线编程的显著优点,它正引起广泛的研究[3]。
图2-1基于离线编程机器人焊接
近年来,随着现代工业的迅猛发展,工业机器人进入了高速发展时期。
机
器人大量应用于弧焊、点焊、物流搬运、喷漆、打磨等领域,机器人任务内容
的复杂程度不断增加;
同时用户对产品不断的更新和改造使机器人的交货周期
缩短。
在这种形势下,机器人离线编程技术引起了广泛的重视。
机器人离线编
程在弧焊方面的应用,如图2-1所示。
在南京长安福特马自达的项目中,每个站内机器人较多,离线编程时可以规划好站内机器人的打点顺序,使机器人以
最佳路径进行工作,减少节拍。
同时,在离线环境中对机器人程序进行演示,
可以对各个机器人之间的干涉有一个初步的了解,以确定机器人之间的干涉区。
即首先通过调整机器人的姿态,最大限度的减少干涉,然后添加输入输出信号,
避免机器人之间的干涉[6]。
机器人在搬运方面的应用,如图2-2所示。
哈尔滨
工业大学研究了四自由度搬运机器人的结构特点,然后针对普通示教再现作业
方式,提出了码垛机器人离线编程方法。
重点对搬运机器人离线码垛过程进行
了研究,通过码垛关键参数的输入和码垛空间判断,建立离线编程的基础,给
出了机器人码垛的路径规划,最后进行了计算机图形仿真。
验证了码垛机器人
离线编程方法[7]。
图2-2基于离线编程机器人搬运
机器人公司开发的离线编程系统具有量身定制的特点,编程语言采用机器
人自身的编程语言,好处是可以保证运动学控制算法和实际机器人的控制算法,
缺点是机器人模型只限各公司所产机器人模型。
2.2机器人离线编程系统
目前市场上已经出现了很多弧焊机器人离线编程软件,这些商品化的离线
编程软件主要来自国外机器人生产厂商及大型软件公司。
国内对于离线编程系
统的研究主要停留在研究阶段,没有一款真正意义上的商品化软件。
PLACE(PositionLayoutandCellEvaluator)是由McAuto公司开发的机器人
软件的模块之一。
该软件是早期比较著名的的软件之一,可用于设计、评价机
器人制造单元和机器人离线编程[8]。
Workspace是RobotSimulations公司开发的,是第一个商品化的基于微机的
机器人仿真与离线编程软件[9]。
该软件最新版本采用了ACIS作为建模核心,与一些基于微机的CAD系统如AutoCAD做到了很好的数据交换。
ROBCAD是Tecnomatix公司八十年代推出的、运行在SGI工作站、UNIX操作系统下的大型机器人设计、仿真和离线编程系统[10]。
IGRIP(InteractiveGraphicsRobotInstructionProgram)是美国Deneb公司推
出的交互式机器人图形编程与仿真软件,为工作单元的设计、运行、分析等提
供一种互动的、三维图形仿真工具,并可对工作单元进行生产周期分析、碰撞
检验等[11]。
RobotStudio是ABB机器人公司基于Windows操作系统的,用户操作方便。
系统中控制机器人动作的运动模块和算法采用了实际机器人控制器中的控制算
法,所以图形仿真结果和实际机器人运行结果完全一致,离线编程器中采用了
ABB机器人的RAPID语言,所以系统可作为机器人操作人员的训练平台,提高
操作人员编程水平。
系统为了实现高质量的图形效果,可以导入Catia文件格式
的模型[12]。
FunacWorks离线编程软件是FUNAC欧洲机器人公司和以色列的CompuCraft合作开发,基于SolidWorks开发平台,利用了CompuCraft公司的RobotWorks产品技术[13]。
3机器人型钢切割的离线编程技术研究
3.3.1造船行业型钢切割
手工切割是指切割工人使用火焰或等离子直接在钢板上切割零件。
由于操作简便,劳动成本低,又不受场地和条件的限制,可以切割任意形状的零件。
但是在手工切割的前道工序钣金气割下料却需要依靠熟练的放样工人和放样经验,采用纸板、油毡、木型等放样工具,进行人工放样和手工切割。
由于手工放样效率低、准确性差[14],或因缺乏熟练的放样工人,经常发生放样错误,导致返工或窝工,甚至延误工期,同时由于手工气割效率低,钢材套料利用率更低,从而导致钢材浪费严重,严重制约企业发展,成为企业生产中的瓶颈。
机械切割是指使用小车切割机、直条机、剪板机和锯床等自动和半自动的
机械切割设备进行切割[15]。
图2-3所示小车切割,其操作简单,劳动成本低,劳动强度相对手工切割而言大幅降低,机械切割质量和切割效率相对手工切割而言大幅提高。
机械切割目前在我国切割焊接行业占主导地位,设备保有量大,
应用非常普遍。
但目前我国生产的小型切割机械产品,从通用的半自动气割机、
仿形气割机到专用的型钢气割机、马鞍形气割机约20多个种类[16],虽然可以大大提高下料工件的质量,但其必须事先加工与工件相适应的靠模切割范围受到限制[17],一般仅限于切割规则的矩形件和一维的型材和棒材等,不能切割异形
件。
机械切割,虽然切割质量和切割效率相对手工切割而言都有大幅提高,但
是切割方式并没有改变和提高,仍然与手工切割一样按照传统的零件顺序依次
进行切割下料。
数控切割是指数控火焰、等离子、激光和水射流等切割机,如图2-4所示
数控等离子切割。
根据数控切割套料软件提供的优化套料切割程序进行实时、
自动、高效、高质量、高利用率的数控切割。
数控切割目前在我国正处在迅速
发展的上升阶段,将逐步取代手工切割和机械切割的主导地位。
数控切割的切
割质量和切割效率相对手工切割和机械切割有了大幅提高,特别是取代手工切
割用来切割各种不规则的异形件。
提高钢材利用率、提高切割效率、真正使切
图2-3小车切割
图2-4数控激光切割
割机“切得快,切得好,切得省”。
国外发达国家切割行业90%为数控切割机下
料,仅10%为手工下料,而我国用数控切割机下料仅占下料总量的10%以下,
其中数控等离子切割比例更小。
绝大多数仍采用手工或半自动切割,笨重落后,
劳动强度大,生产效率低,而且材料浪费严重[18]。
套料的前提是绘图,绘图软
件与套料软件的匹配相当重要[19]。
数控套料软件通过计算机绘图、零件优化套
料和数控编程,有效提高了钢材利用率,提高了切割生产准备的工作效率。
数
控切割机则通过数控系统即控制器提供的切割技术、切割工艺和自动控制技术,
有效控制和提高切割质量和切割效率。
但是数控切割由于切割效率更高,套料
编程更加复杂,如果没有使用或是没有使用好优化套料编程软件,钢材浪费就
会更加严重,导致切得越快,切得越多,浪费越多。
3.3.2机器人型钢切割的研究与应用
目前,国外有几家公司的机器人型钢切割生产线已经实用化,而国内在这
方面的研究仅仅停留在方案阶段或实验室阶段,尚未实际的生产应用。
韩国利用VisualC++开发了基于IGRIP的自动生成标签点的程序模块。
IGRIP可以处理各种各样的机器人模型和与CAD交互数据生成模型的能力。
但是在机器人型钢切割过程,IGRIP并没有那么便利,它只能手工输入各种标签点。
此程序可以读取和分析包含型钢切割数据的信息,并且自动生成数据模型和标签点[20]。
德国ISU公司机器人型钢切割生产采用机器人吊装和等离子切割。
挪威的TTS机器人切割全自动生产线可以完成造船厂,钢铁厂,和许多海外产业的型钢的切割。
其可以切割角钢,工字钢,扁钢等。
该系统提供了计算机辅助设计接口,可以图形显示,并形成功能强大的报告显示,提高了效率。
荷兰HGG相贯线及型钢切割生产线,通过夹具将工件固定,然后通过让机器人运行代码来完成加工。
实际上是应用计算机图形学的知识将加工任务转变成实际执行的机器人的运动轨迹规划,并在其中加入工艺参数方面的控制量(速度,姿态等)。
就形成了机器人加工系统,这些系统在执行加工的过程中,实际执行的代码基本上不会改变[20]。
但是在建造切割路径时采用复杂的编程参数,编程过程复杂,不适宜工人操作,并切割坡口角度在一侧型钢表面上只能设定固定的坡口值,不能进行变坡口切割,在两个型面相交棱角处出现了明显的棱角,需要工人打磨。
哈尔滨飞洋工业自动化技术有限公司为了解决型钢加工生产自动化的问题,设计了型钢3D切割生产线。
该设备可以用于型钢的全方位加工。
可以完成根据用户的需求进行编程切割。
但是,目前还只是停留在实验阶段,没有形成生产线,并且补偿技术不完善造成切割精度较低,没有进行路径规划。
3.结束语
机器人的高效安全作业替代了繁重的体力劳动,提高了自动化水平和作业质量,机器人作业将会越来越广泛地应用于各个生产领域。
机器人系统的编程能力决定了机器人的实用功能和作业质量。
机器人离线编程技术则是保证作业质量的关键。
对于复杂的作业路径编程则可通过对离线编程软件的二次开发来实现。
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