快速应用FANUC机器人焊接轨迹示教技巧

1、科协论坛 2007年第5期 （下） 快速应用 FANUC 机器人焊接轨迹示教技巧 钟辉 （广州珠江电厂广东广州510231） 摘要本文论述了怎样快速掌握FANUC机器人的轨迹示教方法， 对焊接速度的影响和机器人焊接轨迹对CO2 保护焊的质量缺陷的解决方法。 关键词示教轨迹速度工具座标系的设定 中图分类号： TH16文献标识码： A文章编号： 1007-3973(2007)05-003-04 随着工业现代化进程的加快， 我们需要把人从恶劣复杂 的工作环境中解放出来， 最大化企业的经济效益。智能机器 人在工业生产中体现了它的可靠性、 稳定性及快速性。智能 机器人在我国工业生产中特别是汽车行业中快速

2、普及。 由于 机器人在生产中使用时间较短及使用面不广， 对许多人来说 充满着神秘感， 如何快速地掌握机器人的运用成为操作者、 维 修者的首要目标。 虽然机器人是一个高科技的产品， 但只要在掌握了它的 一些特点之后，学习使用起来是非常方便的。对于 FANUC 弧焊机器人来说， 操作者只要掌握坐标的使用、 一些安全外围 条件的限制、 轨迹示教的方法、 焊接参数的设定， 这样就基本 掌握了弧焊机器人的使用方法。 FANUC弧焊机器人系统中机器人本体有 6 根轴， 2 根附 加轴。机器人本体 6 根轴被定义为 Group1， 2 个工作台的轴 被分别定义为 Group2 和 Group3，附加轴分别在

3、安装焊接夹 具的工作台旋转驱动， 可作 360 度旋转， 使机器人可以舒适地 焊接工件的任何一个地方。 1 关于座标系 FANUC 机器人有 4 个坐标分类： （1） World Frame (通用坐标系)， 是一个不可设置的缺省 坐标系。其原点位于机器人的第一轴与第二轴的空间交点。 （2） Tool Frame （工具坐标系） ， 是直角坐标系， TCP (Tool Center Point)位于其原点。 （3） User Frame （用户坐标系） ， 是程序中记录的所有位置 的参考坐标系， 使用者可于任何地方定义该坐标系。 （4） Jog Frame （点动坐标系） ， 是为控制点动控制

4、而设的 坐标系。 在弧焊的示教程序中只用到 World Frame 和 Tool Frame 两种坐标系。 WorldFrame 是不可设置的， 而 ToolFrame 则要 将它位于机器人第 6 轴法兰中心， 根据弧焊的需要再把它移 到焊枪的焊丝干伸长的顶点上，该位置叫工具中心点 (Tool Center Point)。这样工具坐标系的所有测量都是相对于 TCP 的。 一台机器人最多可以设置 10 个工具坐标系， 但在使用中 只需要建立 1 个工具坐标系就可以了。 工具坐标系创建的精 确程度对焊接轨迹的准确性有直接的影响， 从而影响焊接质 量。 TCP （工具中心点） 的设置方法： TCP

5、的设置有三点法、 六点法、 直接输入法三种。 三点法 因取样少， 精度低一般不采用； 直接输入法在设备初始无数值 时不能使用， 只能在设置以后把它的数值记录下来， 待以后需 要时可以直接输入 X、 Y、 Z、 W、 P、 R 的参数。因此 TCP 在初 始时都是采用六点法设置。 （1） 在示教器中按键 MENU SETUP F1 （TYPE） Frame F3 (OTHER)选择 Tool Frame 后显示如图 1 画面。 图 1 （2） 在图 1 画面中把光标移动到想要设置的 TCP 处， 比 如选择第一行。机器人根据不同的工作需要最多可设 10 个 TCP， 但在弧焊中设置 1 个就可以

6、了。 （3） 选择 F2 （DETAIL） F2(METHOD)选择 SIX Piont 后 显示如图 2 六点法设置 TCP 画面。 图 2 （4） 为了设置TCP， 首先要记录 3 个接近点用于计算TCP 的位置。如图 3 示， 把焊丝的干伸长保留 10mm （干伸长一般 术技 与应用 科协论坛2007年第5期 （下） 等于焊丝直径的 10 倍） ， 示教机器人焊枪到TCP设置的示教 顶点。第一点设置，在图 2 中把光标移到 Approach point 1: UNINT 处，示教机器人让焊丝干伸长顶点与 TCP 示教基准 顶点相重合， 并成一直线。 如图 3 示， 在示教时把机器人的示

7、教速度由开始的 50%在接近基准点时把它降为 1%3%避免 撞到焊枪， 然后按住 SHIFT 键的同时， 按下 F5 （RECORD） 记 录住第一点， 记录完成后， UNINIT 变为 RECORD。 这样完成 第一点的位置确定工作； 第二、 三点(Approach point2,Approc- achpoint3)设置方法与第一点相同， 但焊枪的位置必须与第一 点时焊枪位置的夹角大于 45 度。 图 3 （5） Orient Origin point 与 Approach point 1 位置相同， 只 要在记录第一点时顺便记录它就可以了。 （6） 在示教器在坐标键中， 选择通用坐标系 （

8、JGFRM） 确 定 X、 Z 方向， 把光标移动到 X Direction point: UNINT 行， 在 Approach point 1 点，示教机器人沿+X 轴方向最少移动 250mm， 按SHIFT键的同时按下F5(RECORRD)记录该点， 记 录完成后 UNINT 变为 RECORD，移动光标到 Orient Origin poin行， 按SHIF键同时按下F4 （MOVETO） 使机器人回到Ap- proach point 1 点；示教机器人沿轴的方向最少移动 250mm， 按 SHIFT 的同时按下 F5(RECORD)记录， 记录完成 后 UNINT 变为 RECORD

9、， 移动光标到 OrientOriginpoin 行， 按 SHIF 键同时按下 F4 （MOVETO） 使机器人回到 Approach point 1 点。 （7） 当 6 个点记录完成后， 新的工具坐标系被自动计算， 按 PREV 键返回图 1 画面， 按 F5 （SETIND） 激活刚设置的工 具坐标系。 TCP 的设置精度非常关键， 它对焊接的轨迹的精度有直 接的影响， 所以在激活 TCP 后， 应检验它的运动精度。方法 如下： 把机器人移动到 Approach point 1 位置， 机器人切换成 JGFRM 坐标， 示教机器人在 TCPR 的示教基准点绕 X、 Y、 Z 轴旋转，

10、如果焊丝干伸长顶点在运动时偏离TCP示教基准点 在 2mm 之内， 则表明工具中心点的位置设置符合要求， 否则 必须重新设置。 在设置完 TCP 后，必须确定机器人的要使用的坐标系， 给机器人辨别方向， 否则它还是不能使用。在按住 SHIFT 的 同时按下COORDkey， 这时在示教器的右上方显示座标选择 栏， 要按如下方式选择： Tool （， =10）1 Jog1 User0 Group1 或 2 或 31 是代表机器人本体， 2、 3 表 示附加轴 这样确定了机器人的坐标， 让机器人长了眼睛。 2 焊接轨迹的示教 2.1 下面的一些主要的示教器程序(TP)在系统操作过程中是 必需的 H

11、OME机器人的安全点 START需要加在每个PNS的开始位置， 以初始化PMC 程序。 END需要加在每个PNS的结束位置， 以复位PMC程序。 PNSxxxx运行一个PNS程序， 必须是四位数字代码， 例 如程序 1 必须是 PNS0001。 HOME程序是一个单行程序， 在空间中创建了一个点， 这个点使机器人不会对工作台的旋转造成任何阻碍， 只有机 器人在这个点时， 工作台可以旋转。 START程序是一个单行程序， 通过将一个数字输入设定 为 ON， 来通知 PMC 焊接程序已经运行。 END程序是一个单行程序， 通过将一个数字输入设定为 OFF， 来通知 PMC 焊接程序已经执行完成。

12、PNS 号是用于机器人移动和焊接的程序。 这些程序可以 在触摸屏上手工选择， 也可以通过焊接夹具上的 DIP 拨码开 关选择。 2.2 运动轨迹的示教方式 一个运动的指令包含如下的格式： 1JP （1.2.3） i%CNTi （1）“1” 代表程序号， 表示第几段程序， 为默认值， 自然数 按顺序自动排列。 （2） “J”代表运动的类型，把光标移动到此后，按 F3 （CHOICE） 有三种运动类型可选：“Jiont” 关节运动， 机器人在 两指定的点之间任意运动； 能减少运动时间， 比直线运动的速 度要快。“Linear” 直线运动， 机器人在两个指定的点之间沿直 线运动。 “Circular

13、” 圆弧运动， 机器人在三个指定的点之间作 圆弧运动。 （3）“P （1.2.3 ） ” 代表机器人的位置，“P” 表示一般位 置，“1.2.3 ” 自然数表示机器人轨迹的点数。它可以通过 输入数值改变， 但机器人会按新的位置点移动。 （4）“i%” 代表速度单位， 速度单位随运动类型而改变。把 光标移动到此后，按 F3（CHOICE）有四种运动类型可选： 1100%， 12000mm/sec， 112000/min， 0.14724 inch/ min， 把光标移动到数字可修改速度参数。 （5） “CNTi”代表终止类型，把光标移动到此后，按 F3 术技 与应用 科协论坛 2007年第5期

14、（下） （CHOICE） 有二种终止类型可选：“FINE” 被选择后， 机器人的 运动轨迹要到达 “P” 点的位置。“CNTi” 被选择后， 如果 i=0,那 么 CNT0=FINE，即机器人运动轨迹与“FINE”一样；如果 i=100， 那么机器的运动轨迹在三点之间运动比 “FINE” 平滑， 呈圆弧状轨迹运行， 使机器人的运动看上去更连贯。 如图4示。 运动指令的编制具有一定的规则： 机器人空间姿态变化的运动指令采用“Joint” ，速度为 100%， 用 CNT100 作为运动终止， 用最快的速度完成机器人 焊枪姿态的变化， 提高生产效率。 图 4 J ： P1 100%CNT100 在

15、示教时姿态变化 “P” 点的取舍应考虑夹具或零件对焊 枪的干涉， 在复杂的地方应多取几点或降低终止指令 “CNTi” 中 “i” 的数值， 使机器人趋向于直线运动， 避免机器人在自动 运行时撞枪。 机器人起弧点前一段的运动指令采用 “Line” ， 用 “FINE” 结束， 它的前点 “P” 至起弧点距离一般设定在 1015mm， 速度 为 100mm/sec， 这样可使机器人由空间高速运动到起弧点时 有一个减速的过程。如 L： P2 100mm/secFINE 3 焊接命令的编制方式 Arc start 1 “1” 是焊接电压、 送丝速度的序号。 它是在 DATA 里面的 焊接电压、 送丝速

16、度的参数序号。 对于焊缝较宽的或立焊还可以插入摆动焊指令 Weave sine1 “1” 是摆动参数的系列号， sine 表示正弦摆动。 机器人在直线焊接时采用“Line”指令， 圆弧焊接时采用 “Circular” 指令。 速度根据焊接工艺而设定， 必须用 “FINE” 终止。 直线焊接轨迹指令L ： P3 10mm/secFINE 圆弧焊接轨迹指令C ： P18 ： P19 10mm/secFINE 在焊接行程结束后用收弧命令停止电压、 送丝输出。 Arc end2 “2” 是焊接电压、 送丝速度的序号工。 如果前面有摆焊指令的还要插入摆焊结束指令 Weave end 机器人收弧点后一段运

17、动的指令采用“Line” ，但用 “CNT30”结束，它的位置点“P”与收弧点距离一般设定在 1015mm， 速度为 300mm/sec， 这样可使机器人从收弧点精确 运动到下一点并保证收弧质量， 降低速度使机器人运动稳定。 如 L： P4 300mm/secCNT30 此后是机器人的位置及姿态的变化， 运动指令的形式与 a 点相同。 4 完整的示教指令模式编制 创建 PNSxxxx 焊接程序 按 SELECT 按钮， 选择 GREATE 键， 显示屏上出现一个 创建示教程序画面：GreateTeachPendantProgram Program Name【】 end 根据夹具的号码在 Pro

18、gram Name 的括号中输入相应的 号码， 不够 4 位数在前面用 0 补足， 然后按 ENTER 键确认后 显示如下程序编辑画面： Program Detail 1 Program Name 2 Sub Type 【】 3 Comment 【】 Group ark 【1 1 1 * *】 4 Write ProtectOFF 5 Lgnore PauseOFF 在此画面中一定要在GroupMark中， 屏蔽不在编辑程序 中的附加轴， 比如要屏蔽第二组， 把光标移动到第 2 个 “1” 处， 选择在显示屏下方的 “*”（F4） ， 让 GroupMark 变成1*1* 。 如 果不屏蔽它，

19、 当此程序在使用的时候另一附加轴有可能会转 动， 产生不安全的因素。 其它的内容是缺省值， 写不写对机器 人的使用没有影响，最后按 ENTER 键确认。所创建的程序 在 SELECT 画面中将以 “PNS ”的形式出现。然后 再按下SELECT键， 在此画面中选择刚才创建的PNS ， 它显示出一个空白的等待编辑的画面， 在画面的最下层包 含 7 个功能菜单： （1） POINT （F1） 在示教点时， 按下此键里面有4个运动状 态供选择确认。 （2） ARCSTRT （F2） 在示教时按下选择起弧指令里面有 4 个状态供选择确定。它包括起弧前的运动距离。 （3） WELDPT （F3） 。 （

20、4） ARCEND （F4） 在示教时按下选择收弧指令里面有 4 个状态供选择确定。它包括起收弧前的运动距离。 （5） TOUCHUP （F5） 在示教时与 SHIFT 键同时按下确认 机器人现在所在的位置点， 或在修改机器人轨迹时与 SHIFT 同时按下确认新位置。 按下 NEXT 键 （6） INST （F1） 插入指令按钮， 里面包含机器人的功能指 令， 如 ARC 等。 （7） EDCMD （F5） 功能指令按钮， 里面包含 INSERT、 DE- LETE、 COPY、 FIND、 REPLACE、 RENUMBER、 COMMENT、 UNDO 八个功能指令。 这样在空白的屏幕上就

21、可以编辑机器人的轨迹了， 双击 F1 （point） 键， 将出现 4 句指令， 把它修改成： 1： J ： P1 100%CNT100 2： L：P2 100mm/secFINE 3： L ： P3 10mm/secFINE 4： L：P4 300mm/secCNT30 这样在示教记录步骤时按下F1 “point” 键后， 通过选择所 需的指令后按 “enter” 键给予记录， 节省修正参数时间。因为 一个 20 条焊缝的程序有近 200 条指令， 如果没有简便的参数 术技 与应用 科协论坛2007年第5期 （下） 记录方式则浪费在修改上的时间约占整个示教时间的 1/3。 在 ARCSTRT

22、 （F2） 、 ARCEND （F4） 中双击它也可分别编辑 4 条起弧和收弧指令。 在示教运动轨迹时， 同时按下SHIFT+COORDKey， 在右 上方弹出一个 Group 选项框，如果是示教机器人本体，那么 Group=1， 如果要转动机器人的附加轴， 根据示教时工作面是 A 或 B 面， 改变 Group=2 或 3。 通过轴的选择使用， 让机器人 的焊接枪可以伸到所需要焊接的地方。 在机器人的运动轨迹示教程序过程中， 须要在第 1 行插 入 “call start” 指令， 通过将一个数字输入设定为 ON， 来通知 PMC 焊接程序已经运行。在最后一行插入 “end” 指令， 通过

23、将一个数字输入设定为 OFF，来通知 PMC 焊接程序已经执 行完成。在 “End” 前插入 “call home” 令机器人回到设定的安 全点 “home” 点。这样一个基本的焊接示教程序如下： 1： call start通知 PMC 运行 2： call home机器人在安全点 3： J ：P1100% CNT100机器人在空间的一个 示教轨迹点， 由 2 到 3 的运动速度轨迹 4： L： P2100mm/sec FINE起弧前减速行程由 3 点到起弧点 5： Arc start 1 起弧命令启用 1#电流电压参数 6： Weave sine1 正弦摆焊指令启用 1#摆动参数 7： L

24、： P3 10mm/secFINE焊接运动轨迹及速度， 起弧点至收弧点的距离 8： Arc end2 收弧命令焊接结束， 收弧启用 2#电流电压参数 9： Weave end摆动结束指令 10： L： P4 300mm/secCNT30 收弧后离开焊接位 置的距离 11： J ： P5 100% CNT100机器人在空间的一个 示教轨迹点， 由 10 到 13 的运动速度及轨迹 100： call home机器人在安全点 End结束程序， 通知 PMC 停止运行 在轨迹设计过程中， 焊枪姿态变换的地点应该远离工件 和工装， 因为机器人在自动运行变换姿态时需要一定的舒展 空间， 防止撞到焊枪或碰

25、撞焊丝造成设备损坏和焊接轨迹的 不稳定。在焊接轨迹程序编制完成后一般都先用 80%后用 100%的速度连续空运行， 检查所编轨迹与零件、 工装有无干 涉。如果在演示时发觉某条指令动作生硬或碰丝， 把光标移 到该指令的序号， 重新示教新的坐标轨迹后按住 “SHIFT” 的 同时按 F5（touch）键重新记录，或按“NEXT”键后选择 F5 （EDCMD） 键进入子菜单可进行删除指令、 插入空行再示教轨 迹指令给予记录， 改善运行轨迹的柔性。 5 焊接的姿态和机器人焊接参数的设计 5.1 机器人在焊接状态时的姿态设置 焊接运动方向的设置：CO2焊接时焊枪的移动方向一般 采用 “前进法” 。这是为了避免将空气卷入保护气中， 从而得 到稳定的电弧。 焊丝的干