3. 焊接工件与夹具建模

焊接工作站的仿真精度，首先取决于工件与夹具的几何模型是否真实、装配关系是否正确、坐标系是否与现场一致。如果工件模型尺寸偏差 2 mm，或者夹具定位面与工件之间留有 1 mm 的穿透，后续生成的焊缝轨迹、TCP 姿态和碰撞检测结果都会失去参考价值。本节围绕“几何来源—夹具约束—装配关系—工件坐标系”四条主线，说明如何在 RobotStudio 中建立可用于焊接仿真的工件与夹具模型。

一、工件几何的三种来源与选择依据

RobotStudio 中工件几何通常有三种来源：直接使用软件自带的基本体（Box、Cylinder、Extrude 等）搭建、导入外部 CAD 模型（STEP、IGES、SAT、JT、ACIS 等格式）、以及通过 Station 中的“Import Geometry”将现场扫描或设计模型引入。选择依据不是“哪个方便”，而是“哪个能保证焊接特征真实”。

• 基本体搭建：适合教学演示或简单板件，例如 200 mm × 100 mm × 6 mm 的平板。优点是轻量、可参数化；缺点是圆角、坡口、装配间隙无法真实表达。
• CAD 导入：适合真实产品，如汽车副车架、电池托盘、管板接头。导入时需注意单位（mm 与 m 混用是常见错误）、坐标系原点位置、以及是否包含装配体层级。
• 扫描/逆向模型：适合修配场景，但面片数量大，需在导入前做简化，否则会显著拖慢仿真帧率。

导入后建议先做一次“几何体检”：用 Measure 工具核对关键尺寸（如板厚 6 mm、孔径 12 mm、坡口角度 60°），确认模型单位与设计一致。若发现模型原点不在工件角点，可在 Modeling 选项卡中用“Set Local Origin”把原点移到便于定位的角点或定位孔中心，这一步会直接影响后续工件坐标系的建立效率。

二、夹具约束：定位、夹紧与自由度限制

夹具在仿真中不是“装饰件”，它承担两个作用：一是把工件固定在正确位置，二是限制工件在焊接热变形或机器人接触力下的位移。RobotStudio 中常用“约束（Constraint）”或“机械装置（Mechanism）”来表达夹具，核心是限制工件的 6 个自由度（3 个平移 + 3 个旋转）。

以一块 300 mm × 150 mm × 6 mm 的平板焊接为例，典型定位方案是“3-2-1”原则：底面 3 个支撑点限制 Z 向平移与绕 X、Y 的旋转；侧面 2 个定位销限制 Y 向平移与绕 Z 的旋转；端面 1 个挡块限制 X 向平移。夹紧则用压板或气缸在支撑点附近施加法向力，避免工件翘起。

在 RobotStudio 中实现时，可对工件添加“Position Constraint”或使用“Attach”把工件固定到夹具的定位面上。需要注意：约束应加在定位面/定位孔上，而不是随意选一个面；夹紧力方向应与支撑反力方向共线，否则仿真中工件会出现“虚拟滑移”。如果夹具本身是运动机构（如翻转台、变位机），应把夹具建成 Mechanism，并为其定义关节类型（Revolute 或 Prismatic）和行程范围。

三、装配关系：从“放在一起”到“装在一起”

装配关系决定工件、夹具、变位机、机器人之间的相对位置是否可复现。RobotStudio 中常用“Parent/Child”层级和“Attach/Detach”来表达装配。例如，把工件 Attach 到夹具的定位面上，再把夹具 Attach 到变位机的法兰上，这样变位机旋转时，夹具和工件会一起运动，而机器人 TCP 仍能通过工件坐标系找到焊缝。

装配时容易忽略的是“装配基准”。建议在建模阶段就为每个零件定义清晰的装配基准：夹具的定位面、工件的定位孔、变位机的法兰中心。装配关系应基于这些基准建立，而不是基于视觉上的“看起来对齐”。如果工件与夹具之间存在 0.5 mm 的装配间隙，应在模型中如实保留，因为焊接仿真中的间隙会直接影响焊缝截面和热输入分布。

四、工件坐标系：焊接轨迹的“锚点”

工件坐标系（Work Object）是焊接轨迹的参考基准。RobotStudio 中每个 Work Object 包含用户坐标系（User Frame）和对象坐标系（Object Frame）。用户坐标系定义工件在 station 中的位置，对象坐标系定义工件自身的原点。焊接指令中的目标点通常以工件坐标系为参考，这样即使工件被重新装夹或变位机翻转，只要工件坐标系跟随更新，轨迹仍能保持正确。

建立工件坐标系的推荐做法：

1. 在工件上选择 3 个可复现的特征点，例如两个定位孔中心和一个角点。
2. 用“Define Work Object”三点法建立用户坐标系：第一点定原点，第二点定 X 轴方向，第三点定 Y 轴方向。
3. 对象坐标系一般与用户坐标系重合，或按工件设计原点单独设定。
4. 建立后用“Verify”检查坐标系方向：X 轴应指向焊缝起始方向，Z 轴应指向工件表面法向。

坐标系方向约定必须全文一致。本节约定：X 轴沿焊缝方向，Y 轴在工件平面内垂直于焊缝，Z 轴为工件表面外法向。若后续章节切换参照系，会明确说明。

五、建模完成后的自检清单

工件与夹具建模完成后，建议按以下顺序自检，避免把几何问题带入轨迹规划阶段：