ABB弧焊机器人系统焊接路径规划模拟研究
ABB弧焊机器人系统焊接路径规划模拟研究
周龙桂1 陆云2
（泰州职业技术学院1 北京华晟经世信息技术股份有限公司2，江苏泰州，225300）
摘要：为了改善ABB弧焊机器人焊接质量，本文以焊接路径规划作为切入点，建立在工件焊接基础上，构建路径规划模型。该模型的信息来自手动示教方式应用，根据起始点和终点创建向量，并计算焊缝离散点坐标，采取投影、坐标转化等一系列处理，结合离散编程，形成路径规划模型。模拟结果表明，该算法能够实现角焊接路径的高效高精准规划。
关键词：路径规划；离散化；机器人
经济迅速发展时代背景下，自动化制造产业逐渐向工业机器人作业方向转变，并且在多个工厂推行，成为现阶段工业发展不可缺少的工具之一[1]。焊接路径规划作为机器人技术的核心，在很大程度上决定了作业质量，如何准确规划焊接路径成为了当前重点研究内容[2]。目前，国内已经提出了一些路径规划策略，但是大部分未能通过验证。为了加深对此方面内容的探究，本文选择比较常见的直线焊缝作为研究对象，探究其轨迹规划策略。
一、ABB弧焊机器人焊缝离散化处理
按照手动示教方式，获取与焊缝相关信息。信息中，起始位置记为，终止位置记为。假设机器人作业焊接速度为，在对焊缝曲线采取离散化处理时，产生的插补周期记为T。
从焊缝的起始端开始计算，沿着焊缝处理方向，连接起点和终点，形成有向向量，记为，该向量的计算公式如下：
（1）
根据向量，可以计算焊缝离散点坐标，公式如下：
（2）
焊接过程中，期望速度为，按照匀速作业模式完成焊缝焊接。为了获取更为精准地焊接路径，以离散点为依据，判断终点位置。假如存在关系成立，则认为当前机器人已经到达焊接终点，对应的终止点为。
二、ABB弧焊机器人系统焊接路径规划辅助坐标系
通过示教获取焊缝相关信息后，将方向向量采取投影处理，在平面形成的投影如下：
（3）
根据公式（3），计算焊缝离散点坐标，公式如下：
（4）
根据公式（4），可以推理出离散点对应的辅助坐标部署情况，构建坐标系，沿着3轴的坐标系如下：
（5）
公式（5）的计算，建立在工件坐标系基础上，为了得到独立辅助坐标系，本研究对此坐标系采取转化处理，通过离线编程，创建辅助坐标系与机器人基坐标系之间的关联关系，即各个向量坐标系的关系图，见图1。
图1 焊接路径规划辅助坐标系
图1中，代表工件坐标系，代表机器人的基坐标系。两个坐标系存在的位姿关系记为。引入三点标定法，分别对焊接工件采取标定处理。其中，点位于X方向，在该方向取任意一点，原点标记为，平面XOY上任取一点，记为。示教器显示屏作为信息展示工具，可以直接为用户提供各点坐标信息。基于工件坐标系，构建辅助坐标系，可以得到关系矩阵，记为。通过上述分析，得到基于机器人的基坐标矩阵如下：
（6）
三、焊接路径规划模拟实验
1、确定焊缝点位置
本次模拟试验中，选取角焊接工艺作为机器人焊接方式[3]。其中，焊接对象为两块平面钢板组成的工件。其中，工件焊接起点坐标为，工件焊接终点为。设定插补周期T=5s，机器人的焊接作业速度。
第一步：对机器人焊缝采取离散化处理，生成焊缝点坐标。其中，，，…，。
第二步：将焊缝点坐标组成空间直线，根据直线关系，构建离散点辅助坐标系[4]。
第三步：将示教三点带入辅助坐标系中，采用三点标定方法，得到关系矩阵，即机器人与工件之间的关系，得到如下矩阵：
（7）
以机器人基坐标系为参照，根据公式（7）计算各个焊缝离散点，生成位姿矩阵。
2、模拟效果分析
本次模拟实验选取Robotstudio作为模拟工具，对ABB机器人的焊接作业进行模拟，主要包括机器人的六个关节。以下为模拟步骤：
第一步：将角焊接缝模型导入其中，在软件中创建角焊缝模型，实施格式为.stl，而后将此模型导入工作站中。
第二步：在工作站中调用焊接辅助模型，开启软件数据库后查询即可获取，对ABB机器人下达焊接操作命令。
第三步：设置角焊接路径，借助可视化系统，控制机器人焊接路径。
按照上述操作的同时，计算各个离散点的位姿，并将计算结果输入Bobotstudio当中，形成路径规划方案。为了提高机器人焊接精准度，对焊枪的姿态进行调整，校正后开始焊接。如图2所示为焊缝离散化处理及编程检验现场。
图2焊缝离散化处理及编程检验现场
焊接实验结果表明，本焊接路径规划模型能够准确找到焊缝位置，形成较为合理的焊接路径，不仅提高了焊接效率，而且焊接质量也得到了保障。
总结
本文引入焊缝离散化技术，探究ABB机器人焊接路径规划方法。通过离线编程，对工件坐标采取转化处理，创建辅助坐标系与机器人基坐标系之间的关联关系，形成焊接路径规划矩阵。模拟结果显示，本文提出的离线编程路径规划方案，符合焊接技术应用要求，对焊接效率提升有所帮助。
参考文献
[1]张瑞星,李秀娟,高唤.双焊接机器人协同路径规划研究[J].组合机床与自动化加工技术,2019(6):81-85.
[2]金嘉琦,曲晟,王靖远.基于改进ACO的机器人路径规划与仿真研究[J].机床与液压, 2019,47(9):72-75.
[3]王威,许勇,吕叶萍,等.双机器人协调点焊路径优化算法研究[J].组合机床与自动化加工技术,2020(6):88-93.
[4]高飞,马骏,邹家生,等.基于C++二次开发的弧焊机器人离线编程3D打印制字研究[J]. 江苏科技大学学报（自然科学版）,2020,34(3):18-21.
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