基于焊件三维装配体的机器人焊接离线编程

[暑假装配工专业简历]目前所在：白云区年龄： 21 户口所在：梅州国籍：中国婚姻状况：未婚民族：汉族诚信徽章：未申请身高： 160 cm 人才测评：未测评体重： 65 kg 人才类型：在校学生应聘职位：...+阅读

摘要：机器人离线编程焊接成为焊接自动化技术现代化的主要标志。基f'robotstudio焊接机器人工作站，通过导入s0lidworks软件创建

的焊件三维装配体．可实现三维装配体复杂空间曲线焊缝程序的自动创建，并对程序进行解析、测试和模拟。该离线编程系统以及生

成的焊缝程序可加载至车闭的生产机器人真实控制器内。提高焊接

质量和降低生产成本。

关键词：焊接；机器人；离线编程；robotstudio

中图分类号： tg444．73 文献标识码： b

焊接机器人在现代生产中已得到广泛应用．而我国目前应

用的焊接机器人主要依靠在线示教的工作方式。进行在线示教

编程时必须停止生产作业．而且在没有视觉传感器跟踪的情况

下．机器人运动轨迹的精度主要依赖于操作者的耐心、细致程

度及其目测精度。随着焊接机器人在中小批量生产企业中应用

的不断扩大，以及焊接作业的复杂程度不断增加，传统的示教

编程方式已经很难适应现代焊接生产发展的要求。解决问题的

有效途径之一，就是采用离线编程技术，把操作者从在线示教

编程中解放出来．并充分发挥焊接机器人的使用效率，进一步

提高生产过程的自动化，降低生产成本，提高焊接精度。

在锅炉、化工容器、自行车车架、大型储油罐等生产制造

中，以多个支管和主管形成的接头焊缝均为复杂的空间曲

线— — 马鞍形焊缝。而马鞍形焊缝采用人工焊接劳动强度大、

生产效率和焊接质量低．因此采用高自动化和柔性化的弧焊机

器人进行焊接非常必要。采用在线示教机器人进行焊接，即使

熟练的示教人员要示教好一条马鞍形焊缝也往往也需花费半个

工作et。而锅炉、化工容器等焊接件的主管和支管直径种类繁

多，需要示教的马鞍形焊缝多达上百个，生产效率明显降低。

因此，在这些复杂马鞍形焊缝零部件的焊接中，更加迫切需要

采用离线编程技术，提高企业生产的自动化和柔性化 ]。

笔者通过利用solidworks进行三维建模，结合abb

robotstudio v5．07的离线编程和机器人仿真功能。探讨对这种

复杂马鞍形焊缝零部件的机器人焊接离线编程技术，并对程序

进行测试、解析和模拟。

1 创建焊接路径程序流程

离线编程流程方框图如图1所示。

收稿日期：2007—04—02：修回日期：2007—07—25

创建机器人系统h 创建目标和路径添加控制h 检查目标方位

检查伸展极度h 将程序与虚拟控制器同步h 测试程序

圈1 离线编程流程方框图

2 创建焊接路径和路径程序分析

abb robotstudio v5．07是abb公司最新发行的机器人模拟

与离线编程工业工具。它以abb virtualcontroller为基础，与机

器人在实际生产中运行的软件完全一致。因此，借助abb模拟

与离线编程软件robotstudio，可在家或办公室完成机器人编

程，再将程序加载至车间的真实irc5控制器内，从而提高整

体生产效率和焊接质量。

2．1 创建焊接路径

依据图1的离线编程流程方框图．打开已创建的6关节机器

人焊接工作站，如图2所示。

0 ≮ 淤 00 —一— ——～ &&emsp8943; 一——耋糍 0 《

图2 机器人焊接工作站

从图2中可见，焊接工件的焊缝为管与管形成的复杂马鞍

形空间曲线，该空间曲线是化工容器、大型储油罐、锅炉等机

械构件的典型焊接作业路径。由于robotstudio软件的三维造型

功能弱，因此在solidworks软件中创建焊件的三维装配体cad

图形，再利用robotstudio的cad 图形转换功能转换成

44 ·焊接设备与材料· 焊接技术第36卷第5期2007年1o月

robotstudio的后缀名为．sat的格式文件。将被焊工件装配几何

体导入已创建的robotstudio焊接机器人工作站中，以便为

robotstudio在创建焊接作业路径曲线时提供基于精确cad的管

与管马鞍形三维空间曲线。

图3为robotstudio选择基于焊件cad模型物体间边界的管

与管三维马鞍形焊接作业路径。图3中左边黄色警告符号和

圈表示该robotstudio机器人不具备有效轴配置的目标点，因此

机器人不能到达三维马鞍形焊缝。右键单击路径并选择自动配

置．机器人依次到达路径内的每个目标并添加控制以便设置配

置。随后通过检查目标方位，调整焊枪tcp的姿态，以便机器

人的焊枪tcp点到达整个空间焊缝12全文查看和电弧产生的热量沿焊缝均

匀分布．保证焊缝的力学性能。最后检查工作站的伸展极度，

使机器人能够到达所创建的整个焊接路径，图3中的黄色警告

符号消除变成④和园，完成机器人可达的焊接路径，见图4的

左边。

》欺任莽

j墓itj喇i

醒工翼数据

毋工忭对象与匿标

· 麓

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图3 无轴配置的无效目标点和路径

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巍毋工传埘量龟目标

《 ---jo

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图4 轴配置的可达目标点和路径

在图4中依次用鼠标右击目标点，可查看机器人可达作业

目标点相对于控制器的坐标数据，3个焊枪tcp的，y，：相对

坐标、3个焊枪tcp的横滚、俯仰、偏转姿态角度。

2．2 机器人路径程序的自动生成与解析

robotstudio软件的机器人运动轨迹是采用逐点编程方式．

主程序结构为：

module mainmodule／／主程序模块

proc main 0 ／／主程序

path_ 10；／／作业路径

endproc ／／结束主程序

endm0dule ，／结束主程序模块

图3中自动创建的路径，由于没有动作指令，不能模拟真

实的焊接作业，因此必须添／m2条动作指令：第1条为启动机器

人的内置原点到焊接作业的编程原点的动作指令，位于路径程

序的始端：第2条为焊接路径结束目标点到编程原点的动作指

令，位于路径程序的末端。添加动作指令之前必须在图4中设

置编号为130的编程原点，机器人编程原点位置一般选在2个工

位之间以及离工件稍远的地方。动作指令位于路径开头和在另

一路径后，因此将以下编号为130的编程原点动作指令插入程

序的开头和结束位置。

导出添加编号130的编程原点后．可达的机器人语言程序

的解析如下：

％％％

vers10n：1

language：english

％％％

m0dule module1

constrobtargettarget_ 1 30： = [[650， -100， 400]，

_m30526192220051，5．27143236184999e-17j口9914448613738l1，

5．27143236184997e一17]， f一1， o，一1， o]， [9e9，

9e9，9e9，9e9，9e9，9e9]]；／／编程原点130在工作站中的

位姿表示

perstooldataaw_ gun：= [true， [[119．5，0， 352]，

『0．890213945465332，0，0．455542677802034，0]]， [1，

[0，0，100]， [1，0，0，0]，0，0，0]]；／／焊枪位姿表示

constrobtargettarget_ 1(k=[[591585l35748463， --60．672

8563980876，279．266555638475]， [o．158945970512255，一

ql23364488083367，．095547294l879245，021584447844331 8]，

[0，一1，0，0]， [9e9，9e9，9e9，9e9，9e9， 9e9]]；／／

作业目标点10位姿表示

constrobtargettarget_ 120：=【[591．585135748463，

瑚．害砒砒吼吼札．妻吼吼

■一 ¨ 皇盂l苫王窨 j昌王窨 j蠡

h酪融躲黪艇躲懋黪酗躲魁

welding technology vo1．36 no．5 oct．2007 ·焊接设备与材料· 45

— 60．6728563980875，279．266555638475】，【0．00132587439576

09．一0．158145079051738，一0．971892480498043， 0．17439433

0126202】，【0，一1， 0， 0】，【9e9， 9e9， 9e9， 9e9，

9e9，9e91】；

proc path一 10 0

movej target_130，vl0，z0，aw_gun＼wobj：=wobj0；

movel target_ 10，vl000，zlo0，aw— gun＼wobj：=wobj0；

movel target_ 120，vl0，z0，aw— gun＼wobj：=wobj0；

movej target_130，vlo00，zlo0，aw_ gun＼wobj：=wobj0；

endproc

endm0dule

，／符号表示对于基于位姿表示各机器人焊枪末端点tcp的

机器人程序的解读分析。

movejtarget_130，vl0，z0，aw_gun＼wobj：=wobj0语句表示动

作指令，当运行完整的焊接程序时，机器人运行到在编程原点

130处，控制器启动焊接参数(包括焊接电流、电弧电压、焊

接速度、提前送气时间等)。

moveltarget_ 20，vl0，z0，aw_ gun＼wobj：=wobj0语句表示基

于焊接构件装配体空间曲线自动创建的移动指令．movel移动

指令用于指定机器人移动至目标的速度和准确性的语句，l表

示该点与前一点之间是连成一条直线．采用直线插补方法控制

机器人的运动，属连续路径控制。v10表示焊枪工具中心点

tcp、工具重新定位和外轴的速度为10 mm／s。焊枪移到该语

句时，被焊接装配体起焊，焊丝的端头对准接缝，以图4中调

好的焊枪姿态进行焊接作业。

3 模拟作业路径

鼠标右点击图4中的虚拟控制器，选择与虚拟控制器同步

并进行设置，选择模拟添加图4仓u建的路径。再启动模拟监控命

令，可在模拟期间通过画一条跟踪tcp的蓝色彩线而目测机器

人的关键运动。点击播放，完成焊接路径仿真，如图5所示。

图5 焊接路径模拟仿真

图5中路径开始点为机器人的内置原点，机器人以1 000

mm／s的速度快速运行到编程原点130后，焊枪工具中心点tcp

再以10 mm／s完成目标点130到10到20&&emsp8943; 到120到130．最后快

速返回到机器人的内置原点。

焊接路径模拟仿真的同时启动过程计时器．可测量机器

人运行模拟或沿路径移动所需时间为480 8。焊接路径模拟

仿真。

4 模拟程序部署与发行

robotstudio编制的焊缝路径rapid 程序和模块存储在

robotware系统内。可将以上的程序保存至pc上的文件内，

加载至车间的真实irc5控制器内。极大地提高了焊接生产率

和质量。

5 结论

(1)将三维solidworks软件创建的管与管形成的复杂马鞍

形空间曲线焊件装配体导入到机器人离线编程软件robotstudio

中， robotstudio提取装配体的三维空间曲线．自动生成复杂

空间曲线焊缝的路径。

(2)分析了abb机器人程序的语言格式，进行了离线仿真

试验。

(3)将创建的焊缝路径程序通过虚拟控制器，装载到车间

生产机器人实施焊接作业。实现了焊接自动化的cad／cam生

产，保证了焊接生产过程的高效率和高质量。

参考文献：

[1]田劲松．机器人弧焊任务级离线编程技术的研究[d]．黑龙江哈尔

滨：**工业大学．2001．

[2]刘永．机器人离线编程系统研究[d]．江苏南京：南京理工大

学．2000．

[3]王克鸿，刘永，徐越兰，等．弧焊机器人离线编程系统[j]．焊接

学报，2001，22(4)：84—86．

[4]吴林，陈善本．智能化焊接技术[m]．北京：国防工业出版社，

2000．

[5]legof o，hascoet j y．from cad to puter aided welding[j]_

int．j．prod．res，1998，36(2)：417—436．

[6]shah j j．assessment of features technology[j]．cad，1991，23

(5)：331-343．

[7]trmlen manufacturer depends on robotic welding to boast production

[j]．welding joumal， 1995，74(7)：49—5．12全文查看摘要：机器人离线编程焊接成为焊接自动化技术现代化的主要标志。

基f'robosudio焊接机器人工作站，通过导入s0lidworks软件创建

的焊件三维装配体．可实现三维装配体复杂空间曲线焊缝程序的自动创建，并对程序进行解析、测试和模拟。该离线编程系统以及生

成的焊缝程序可加载至车闭的生产机器人真实控制器内。提高焊接

质量和降低生产成本。

关键词：焊接；机器人；离线编程；robosudio

中图分类号： 444．73 文献标识码： b

焊接机器人在现代生产中已得到广泛应用．而我国目前应

用的焊接机器人主要依靠在线示教的工作方式。进行在线示教

编程时必须停止生产作业．而且在没有视觉传感器跟踪的情况

下．机器人运动轨迹的精度主要依赖于操作者的耐心、细致程

度及其目测精度。随着焊接机器人在中小批量生产企业中应用

的不断扩大，以及焊接作业的复杂程度不断增加，传统的示教

编程方式已经很难适应现代焊接生产发展的要求。解决问题的

有效途径之一，就是采用离线编程技术，把操作者从在线示教

编程中解放出来．并充分发挥焊接机器人的使用效率，进一步

提高生产过程的自动化，降低生产成本，提高焊接精度。

在锅炉、化工容器、自行车车架、大型储油罐等生产制造

中，以多个支管和主管形成的接头焊缝均为复杂的空间曲

线— — 马鞍形焊缝。而马鞍形焊缝采用人工焊接劳动强度大、

生产效率和焊接质量低．因此采用高自动化和柔性化的弧焊机

器人进行焊接非常必要。采用在线示教机器人进行焊接，即使

熟练的示教人员要示教好一条马鞍形焊缝也往往也需花费半个

工作。而锅炉、化工容器等焊接件的主管和支管直径种类繁

多，需要示教的马鞍形焊缝多达上百个，生产效率明显降低。

因此，在这些复杂马鞍形焊缝零部件的焊接中，更加迫切需要

采用离线编程技术，提高企业生产的自动化和柔性化 ]。

笔者通过利用solidworks进行三维建模，结合bb

robosudio v5．07的离线编程和机器人仿真功能。探讨对这种

复杂马鞍形焊缝零部件的机器人焊接离线编程技术，并对程序

进行测试、解析和模拟。

1 创建焊接路径程序流程

离线编程流程方框图如图1所示。

收稿日期：2007—04—02：修回日期：2007—07—25

创建机器人系统h 创建目标和路径添加控制h 检查目标方位

检查伸展极度h 将程序与虚拟控制器同步h 测试程序

圈1 离线编程流程方框图

2 创建焊接路径和路径程序分析

bb robosudio v5．07是bb公司最新发行的机器人模拟

与离线编程工业工具。它以bb virulconrollr为基础，与机

器人在实际生产中运行的软件完全一致。因此，借助bb模拟

与离线编程软件robosudio，可在家或办公室完成机器人编

程，再将程序加载至车间的真实irc5控制器内，从而提高整

体生产效率和焊接质量。

2．1 创建焊接路径

依据图1的离线编程流程方框图．打开已创建的6关节机器

人焊接工作站，如图2所示。

0 ≮ 淤 00 —一— ——～ &&emsp8943; 一——耋糍 0 《

图2 机器人焊接工作站

从图2中可见，焊接工件的焊缝为管与管形成的复杂马鞍

形空间曲线，该空间曲线是化工容器、大型储油罐、锅炉等机

械构件的典型焊接作业路径。由于robosudio软件的三维造型

功能弱，因此在solidworks软件中创建焊件的三维装配体cd

图形，再利用robosudio的cd 图形转换功能转换成

44 ·焊接设备与材料· 焊接技术第36卷第5期2007年1o月

robosudio的后缀名为．s的格式文件。将被焊工件装配几何

体导入已创建的robosudio焊接机器人工作站中，以便为

robosudio在创建焊接作业路径曲线时提供基于精确cd的管

与管马鞍形三维空间曲线。

图3为robosudio选择基于焊件cd模型物体间边界的管

与管三维马鞍形焊接作业路径。图3中左边黄色警告符号和

圈表示该robosudio机器人不具备有效轴配置的目标点，因此

机器人不能到达三维马鞍形焊缝。右键单击路径并选择自动配

置．机器人依次到达路径内的每个目标并添加控制以便设置配

置。随后通过检查目标方位，调整焊枪cp的姿态，以便机器

人的焊枪cp点到达整个空间焊缝[]和电弧产生的热量沿焊缝均

匀分布．保证焊缝的力学性能。最后检查工作站的伸展极度，

使机器人能够到达所创建的整个焊接路径，图3中的黄色警告

符号消除变成④和园，完成机器人可达的焊接路径，见图4的

左边。

》欺任莽

j墓ij喇i

醒工翼数据

毋工忭对象与匿标

· 麓

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图3 无轴配置的无效目标点和路径

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图4 轴配置的可达目标点和路径

在图4中依次用鼠标右击目标点，可查看机器人可达作业

目标点相对于控制器的坐标数据，3个焊枪cp的，y，：相对

坐标、3个焊枪cp的横滚、俯仰、偏转姿态角度。

2．2 机器人路径程序的自动生成与解析

robosudio软件的机器人运动轨迹是采用逐点编程方式．

主程序结构为：

modul minmodul／／主程序模块

proc min 0 ／／主程序

&l;sm&;

ph_ 10；／／作业路径

ndproc ／／结束主程序

ndm0dul ，／结束主程序模块

图3中自动创建的路径，由于没有动作指令，不能模拟真

实的焊接作业，因此必须添／m2条动作指令：第1条为启动机器

人的内置原点到焊接作业的编程原点的动作指令，位于路径程

序的始端：第2条为焊接路径结束目标点到编程原点的动作指

令，位于路径程序的末端。添加动作指令之前必须在图4中设

置编号为130的编程原点，机器人编程原点位置一般选在2个工

位之间以及离工件稍远的地方。动作指令位于路径开头和在另

一路径后，因此将以下编号为130的编程原点动作指令插入程

序的开头和结束位置。

导出添加编号130的编程原点后．可达的机器人语言程序

的解析如下：

％％％

vrs10n：1

lnu：nlish

％％％

m0dul modul1

consrobrr_ 1 30： = [[650， -100， 400]，

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5．27143236184997一17]， f一1， o，一1， o]， [99，

99，99，99，99，99]]；／／编程原点130在工作站中的

位姿表示

prsooldw_ un：= [ru， [[119．5，0， 352]，

『0．890213945465332，0，0．455542677802034，0]]， [1，

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consrobrr_ 1(k=[[591585l35748463， --60．672

8563980876，279．266555638475]， [o．158945970512255，一

ql23364488083367，．095547294l879245，021584447844331 8]，

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作业目标点10位姿表示

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瑚．害砒砒吼吼札．妻吼吼

■一 ¨ 皇盂l苫王窨 j昌王窨 j蠡

h酪融躲黪艇躲懋黪酗躲魁

wldin chnoloy vo1．36 no．5 oc．2007 ·焊接设备与材料· 45

— 60．6728563980875，279．266555638475】，【0．00132587439576

09．一0．158145079051738，一0．971892480498043， 0．17439433

0126202】，【0，一1， 0， 0】，【99， 99， 99， 99，

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proc ph一 10 0

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ndm0dul

，／符号表示对于基于位姿表示各机器人焊枪末端点cp的

机器人程序的解读分析。

movjr_130，vl0，z0，w_un＼wobj：=wobj0语句表示动

作指令，当运行完整的焊接程序时，机器人运行到在编程原点

130处，控制器启动焊接参数(包括焊接电流、电弧电压、焊

接速度、提前送气时间等)。

movlr_ 20，vl0，z0，w_ un＼wobj：=wobj0语句表示基

于焊接构件装配体空间曲线自动创建的移动指令．movl移动

指令用于指定机器人移动至目标的速度和准确性的语句，l表

示该点与前一点之间是连成一条直线．采用直线插补方法控制

机器人的运动，属连续路径控制。v10表示焊枪工具中心点

cp、工具重新定位和外轴的速度为10 mm／s。焊枪移到该语

句时，被焊接装配体起焊，焊丝的端头对准接缝，以图4中调

好的焊枪姿态进行焊接作业。

3 模拟作业路径

鼠标右点击图4中的虚拟控制器，选择与虚拟控制器同步

并进行设置，选择模拟添加图4仓u建的路径。再启动模拟监控命

令，可在模拟期间通过画一条跟踪cp的蓝色彩线而目测机器

人的关键运动。点击播放，完成焊接路径仿真，如图5所示。

图5 焊接路径模拟仿真

图5中路径开始点为机器人的内置原点，机器人以1 000

mm／s的速度快速运行到编程原点130后，焊枪工具中心点cp

再以10 mm／s完成目标点130到10到20&&emsp8943; 到120到130．最后快

速返回到机器人的内置原点。

焊接路径模拟仿真的同时启动过程计时器．可测量机器

人运行模拟或沿路径移动所需时间为480 8。焊接路径模拟

仿真。

4 模拟程序部署与发行

robosudio编制的焊缝路径rpid 程序和模块存储在

robowr系统内。可将以上的程序保存至pc上的文件内，

加载至车间的真实irc5控制器内。极大地提高了焊接生产率

和质量。

5 结论

(1)将三维solidworks软件创建的管与管形成的复杂马鞍

形空间曲线焊件装配体导入到机器人离线编程软件robosudio

中， robosudio提取装配体的三维空间曲线．自动生成复杂

空间曲线焊缝的路径。

(2)分析了bb机器人程序的语言格式，进行了离线仿真

试验。

(3)将创建的焊缝路径程序通过虚拟控制器，装载到车间

生产机器人实施焊接作业。实现了焊接自动化的cd／cm生

产，保证了焊接生产过程的高效率和高质量。

参考文献：

[1]田劲松．机器人弧焊任务级离线编程技术的研究[d]．黑龙江哈尔

滨：**工业大学．2001．

[2]刘永．机器人离线编程系统研究[d]．江苏南京：南京理工大

学．2000．

[3]王克鸿，刘永，徐越兰，等．弧焊机器人离线编程系统[j]．焊接

学报，2001，22(4)：84—86．

[4]吴林，陈善本．智能化焊接技术[m]．北京：国防工业出版社，

2000．

[5]lof o，hsco j y．from cd o pur idd wldin[j]_

in．j．prod．rs，1998，36(2)：417—436．

[6]shh j j．ssssmn of furs chnoloy[j]．cd，1991，23

(5)：331-343．

[7]rmln mnufcurr dpnds on roboic wldin o bos producion

[j]．wldin jouml， 1995，74(7)：49—5．