焊接机器人离线编程应用技术

焊接机器人离线编程应用技术

一、引述

随着国内外机械装备制造事业飞速发展，对各种机械设备的生产周期、产品质量、制造

成本，提出了更高的要求。为了适应这种形势，设法提高及保证焊接接头质量的稳定性，机

器人的柔性优势正是解决这一问题的的良好方案。

二、机器人系统简介

通用工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统（即示教盒）。机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机

器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成，它的任务是精确地保证末端操作器所

要求的位置，姿态和实现其运动；控制器是机器人的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一

些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、自保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部

信息和控制其全部动作；示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人

的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。三、机器人编程的类型与应用方法

目前的机器人编程可以分为示教编程与离线编程两种方式。示教编程是指操作人员利用

示教盒控制机器人运动，使焊枪到达完成焊接作业所需位姿，并记录下各个示教点的位姿数据，随后机器人便可以在“再现”状态完成这条焊缝的焊接。离线编程是利用三维图形学的

成果，在计算机的专业软件中建立起机器人及其工作环境的模型，通过软件功能对图形的控

制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行编程，进而自动计算出符合机器人语言的文本

程序，再通过计算机的仿真模拟运行后将最终的数据程序传至机器人控制系统直接使用。示

教编程与离线各有特点。在示教过程中，编程效果受操作人员水平及状态的影响较大，示教时，为了保证轨迹的精度，通常在一段较短（如100mm）的样条曲线焊缝上需要示教数十

个数据点，以保证焊接机器人运行平滑及收弧点位置的一致。每段在线示教编程都需要花很

长的时间。因要尽量保证示教点在焊缝轨迹上，并且要让焊枪姿态的连续变化，对操作人员

的水平要求很高。另外，示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂路径难以保证

示教点的精确结果。而离线编程是将机器人所有编程的工作内容在计算机软件在完成，过程

一般包括：机器人及设备的作业任务描述、建立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态仿真的结果，对程序做适当的修正，以达到满意效果，最后

在线控制机器人运动以完成作业。节省了在机器人上编程的时间、离线编程的程序易于修改、通过仿真模拟后，防止昂贵的设备发生碰撞而损坏、结合CAD软件系统和其它人工智能技

术与机器人系统一体化，来提高工作效率和焊接质量。由此看来当焊缝是直线或者简单曲线，

焊缝上方没有干涉物且焊缝的精度要求不太高的情况下，采用在线示教的编程方式是非常理

想的，但在许多复杂的作业应用中不是那么令人满意了。

因此，机器人离线编程及仿真是提高机器人焊接系统柔性化的一项关键技术，是现代机

器人焊接制造业的一个重要方法。一般工业机器人焊接时，机器人对焊接过程动态变化、焊件变形和随机因素干扰等不具有自适应能力。随着焊接产品的高质量、多品种、小批量等要

求增加，又对机器人焊接技术提出了更高要求。这就需要对本体机器人焊接系统进行二次开发，包括给焊接机器人配置适当的传感器，柔性周边设备以及相应软件功能，如焊缝跟踪传感、焊接过程传感与实时控制、焊接变位机构。这些功能大大扩展了基本的焊接机器人的功能，这样的焊接机器人系统智能程度的高低由所配置的传感器、控制系统以及软硬件所决定。根据目前的整体技术还不太容易满足机器人焊接的所有智能要求，但这是个重要的发展趋势。

针对一些特定类型的零部件的机器人焊接，就像水力发电设备的混流水轮机的转轮体，

叶片与上冠、下环之间的焊缝曲率变化连续而剧烈、宽窄不一，焊接区域厚薄不均、而且焊

缝上面的空间极小，焊缝上部空间大多都有干涉物，要成熟的实现机器人焊接智能技术是有

相当难度的。使用一款合适的此类焊件的离线编程软件是十分必要的。

四、焊接机器人离线编程软件概述

机器人离线编程软件也有两大类：一种是市场上主流机器人厂家的离线模拟仿真软件，这类软件只适用于本厂系列的机器人，不能通用于其它厂家的机器人，因为这些软件使用过程

和方法是调出指定型号的机器人、工具和焊接工件、工装的模型图，通过虚拟示教盒控制机

器人进行示教编程，相当于是将机器人工具系统和工件、工装等整体作业环境搬进了计算机，在计算机里进行示教编程，最后将软件模拟示教得到的程序进行仿真运行后放到机器人系统

上正式使用。另一种是当前市场大多机器人可以通用的智能化离线编程的专业软件，这类软

件通常都有三维画图、离线编程和模拟仿真等功能的自动化集成技术，这种软件的编程过程

是通过自身功能命令画好或导入其它CAD软件设计的机器人系统工具设备和工件工装等作

业现场的所有物体的模型，使用软件中的编程模块，指定工件焊缝以及设置工艺参数自动生

成焊接机器人的作业数据，通过模拟仿真后将源程序处理成机器人控制系统能够识别的目标

程序，传入机器人控制柜。由于机器人控制柜的多样性，要设计通用的通信模块比较困难，

因此一般采用后置处理将离线编程的最终结果翻译成目标机器人控制柜可以接受的代码形式，然后实现加工文件的上传及下载。

当前市场上主流机器人厂商的离线模拟仿真软件有德国KUKA（库卡）公司的KUKA.Sim pro、瑞典ABB公司的Robot studio、日本安川（motoman）的motosim-EG、日本发那科公司的Roboguide以及日本OTC公司使用的离线模拟仿真软件就叫OTC。国内机器人厂家暂时还没有完全自主知识产权的模拟仿真软件。因为这些机器人公司业务主体是机器人与控制