焊接機器人自動化模擬技術
摘要：機器人自動化解決方案已被引入各種製造過程和生產線，以應對勞動力短缺的問題，在採用機器人解決方案時，基本問題是如何進行具有可接受精度的路徑規劃，以滿足製造要求，因此，機器人的精度要求以及模擬生成路徑技術在加工應用上相當重要，機器人端點的校準成為後續準確的路徑模擬生成和軌跡運動的基礎，本文討論了機器人焊接應用所採取的路徑生成策略與校準，採用了具有創新機械測量設計的十字雷射裝置來校準焊接噴嘴端點，並開發了輕量高效整合的機器人路徑生成模擬軟體，並且還將追踪傳感器集成到機器人中，以生成準確的焊接路徑，進而能協助解決焊接自動化的相關問題與挑戰。
Abstract：Robotics automation solutions have been introduced into various manufacturing processes and production lines to address labor shortages. When adopting robotics solutions, the fundamental challenge lies in achieving path planning with acceptable precision to meet manufacturing requirements. Therefore, the accuracy requirements of robots and the simulation-based path generation technique are crucial in machining applications. Calibration of the robot's end effector becomes the foundation for subsequent accurate path simulation generation and trajectory movement. This article discusses the path generation strategy and calibration adopted in robotic welding applications. A cross laser device with innovative mechanical measurement design is used to calibrate the endpoint of the welding torch. Additionally, a lightweight and efficient integrated robot path generation and simulation software is developed. A tracking sensor is also integrated into the robot to generate precise welding paths, thereby assisting in addressing challenges and issues in welding automation.
關鍵詞：機器人、焊接自動化、模擬
Keywords：Robot, Welding Automation, Simulation
前言
機器人因具備可大量被生產及高度靈活之特性，被認為可用於許多重複過程，如鑽孔、焊接、噴漆、研磨等，尤其機器人應用於焊接產業相當廣泛，產業機器人周邊相關設備的發展也越來越蓬勃，而應用在焊接時，實際施工過程中仍會遭遇各種現場條件的限制，導致焊接品質受到影響，比如精度問題以及路徑教導問題等等，因此本文介紹工研院所開發之自動化焊接技術，能夠有效確保焊接品質，並透過自行研發的模擬軟體自動生成焊接路徑，藉由這些技術來達到品質較佳的焊接結果，而由於機器人在焊接作業過程中，所要求的加工精度往往跟加工端點的精度有關，因此如何滿足工件輪廓精度，提升加工表面精度，在焊接系統上的相關要求是十分重要的[1][2]，而本文也會說明透過十字雷射來進行焊槍端點的工具中心點的校準，以求提升整體作業的精度，使機器人的運動軌跡可以符合焊接的需要，降低在作業端可能發生的瑕疵，進而提升整體產能與效率。
如何提高機器人的焊接生產效率是製造商最關注的議題，系統整合公司提供的一種常見做法是在機器人法蘭端安裝雷射掃描傳感器，並結合焊接噴嘴，通過自動跟蹤焊道來生成焊接路徑。然而，對於自行車行業來說，這種方法會受到小管道的大曲率和固定模具結構的干擾等因素的影響，進而影響雷射掃描路徑的準確性，因此，大多數自行車製造商仍然通過手動操作教導器來生成教導點，以生成連續的焊接路徑[3]，然而這種做法對於工件外型複雜的加工作業，教導點的數量將會非常多，整體教導完會相當費時，若在教導過程中不慎發生碰撞或工件移位等等情形，整個長時間的教導作業就要重來，因此，工程師在進行此加工教導時，需要十分專心，以避免發生不必要的失誤，也因此，整體作業變得相當費時費力。
工研院所自行研發的焊接機器人自動化模擬軟體，則是針對這些問題來開發相關的解決方案，以3D模擬方式帶入加工工件以及機器人，在模擬環境中進行教導與路徑生成，可避免在操作過程中發生的失誤，並且模擬軟體可針對3D曲面進行分析，自動生成對應焊接作業的加工路徑，能大幅縮小工程師操作的負擔，在實際使用上僅需要針對特定點進行微調教導，有效降低整體作業耗時，並且透過軟體整合之雷射校正技術，針對機器人加工端點進行精準校正，提高焊接加工精度，更進一步減少微調作業的點數，並且，即使在發生機器人末端點偏移現象時，亦能有效透過校正系統將端點精度找回，為焊接自動化帶來更方便的操作，也替整體產業產生更大的影響力。
機器人加工端點精度校正
在機器人焊接應用中，通常使用十字雷射感測器來校正焊接噴槍末端焊接杆的工具中心點坐標，市場上使用十字雷射感測器的校準解決方案的常規實現方法基本相同，通常，機器人使用十字雷射感測器抓取工具，進行圓周運動和上下平移，而不同的是，不同品牌的機器人具有不同的通信設置，即使是同一品牌的機器人，也可能遇到舊控制器不支援的情況，因此涉及機器人通信設置會增加使用的複雜性，中型機器人的絕對定位精度至少存在0.5mm以上的誤差，運行中型尺寸的機器人進行圓周運動和上下平移，這對加工端點的校正精確度影響很大。
基於上述原因，我們開發了新的十字雷射校正的設計，並整合至焊接模擬軟體中，用以解決這些缺點，在這套校正設備中，並不需要與機器人的控制器進行任何有線連接或通信設置，這樣可以避免整體設置的複雜性，並能應用於各種品牌的機器人中，即使是同一品牌的新舊型號機器人亦可適用，此校正設備的控制架構如圖1所示，而校準過程中的圓周運動和上下平移不由機器人運動，而由模擬軟體整合之校正設備進行驅動，這不僅降低了過程的複雜性，還提高了校正的精確度。透過機器人焊接自動化模擬軟體進行校正的過程描述如下步驟：
- 移動機器人加工端點位置，使工具尖端位於十字雷射感測器的感測範圍內，如圖2所示。
- 校正設備順逆時針各旋轉一圈，並且上下移動，計算機器人加工端點的坐標，如圖3所示。
- 從加工端點的坐標和機器人的初始位置計算機器人初始座標參數。
- 操作機器人，改變加工端點的姿態，然後將端點移動到雷射中心點，如圖4所示。
- 校正設備上下移動，感測十字雷射的中心點信號，獲取z軸方向的平移量，如圖5所示。
- 最終獲取校準後的坐標參數。
接下來，可透過模擬軟體確認校正後的誤差，模擬生成一組機器人端點位置，並透過通訊連線來實際運行機器人至該位置，並以十字雷射感測器獲取數值，即可獲取誤差值，假使校正誤差過大，可能是作業過程中的步驟失誤或不確實，可重新在進行一次校正，以確保焊接品質，實際的校正系統硬體設備如圖6所示。
圖1 校正設備的控制架構圖
圖2 機器人加工端點置於感測範圍內示意圖
圖3 校正設備旋轉移動式意圖
圖4 加工端點移至雷射中心點示意圖
圖5 設備向下移動至加工端點示意圖
圖6 校正系統硬體設備圖
機器人模擬與路徑生成
為了生成機器人軌跡，模擬軟體必須包括了許多演算法，包含有連接點生成路徑、尋邊路徑、切面覆蓋路徑、樣條線路徑以及配合外部教導裝置的平滑曲線路徑等等的算法等，利用這些功能可以生成各種不同的路徑，而在焊接系統中，
本技術開發以下兩種方法作為焊接教導輔助的工具：
- 基於工件特徵點進行連接點生成路徑，如圖7所示，特徵點的產生方式分為自動偵測以及手動3D介面點選兩種方式。基於點方式是最單純的方法，手動方式為在3D環境中讓使用者依自己的需求進行頂點選擇，如同現實世界中指揮每一個到達位置，並要求機器人或控制件依該方式進行運動；自動方式為利用如影像感測等裝置找尋出焊接的特徵點，再透過軟體將特徵點進行連結平滑化處理，最後無論手動或自動方式，軟體皆能夠將平滑處理後的路徑轉換成對應廠牌的機器人語言，並輸出到機器人上，進行運行，如圖8所示。
圖7 基於工件特徵點進行連接點生成路徑示意圖
圖8 特徵點平滑處理後輸出給機器人運行模擬示意圖
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