3. 焊接机器人系统建模
在 ROBOGUIDE 中搭建一个可用的焊接工作站，第一步不是急着编轨迹，而是把“机器人本体 + 焊枪/电极 + 外部轴/变位机 + 焊丝与送丝机构”这一整套运动学与工艺对象在仿真环境里如实还原。模型建得准不准，直接决定后续离线程序的 TCP 姿态、可达性判断和碰撞检测是否可信。本节按选型、工具安装、外部轴配置、送丝建模四个环节展开，并给出可复用的建模要点。
一、弧焊与点焊机器人的选型依据
选型要同时满足“工艺能力”和“运动学可达”两条线。弧焊以连续填充、焊缝成形为核心，通常选 6 轴关节机器人，重点关注额定负载、重复定位精度、臂展和手腕是否支持中空走丝。以常见的 20 kg 级弧焊机器人为例，负载 20 kg、重复定位精度约 ±0.08 mm、臂展约 1.7 m，可覆盖中小型结构件；若焊枪带防碰撞传感器和清枪剪丝机构，工具质量会明显增加，选型时要把焊枪、线缆包、传感器的总质量计入负载，并留出约 20% 余量。
点焊以加压、通电、保压的循环动作为核心，焊钳质量大、惯量大，且需要大电流变压器随钳移动。选型时优先看额定负载和手腕允许扭矩，常见 165 kg 级点焊机器人可挂载约 60～90 kg 的 C 型或 X 型焊钳。点焊对绝对精度要求低于弧焊，但对节拍和加速度敏感，因此要核对机器人在实际姿态下的速度倍率与伺服能力。
在 ROBOGUIDE 中选型，本质是选择正确的机器人模型文件（含本体几何、关节限位、质量与惯量参数）。若模型负载与实际工具不匹配，仿真中不会报错，但节拍和可达性结论会失真，这是最常见的隐性错误。
二、焊枪与工具的安装建模
工具建模的关键是建立准确的工具坐标系（TCP）。弧焊的 TCP 通常定义在焊丝伸出端（导电嘴前方焊丝干伸长末端），点焊的 TCP 定义在两电极帽接触面中心。安装时先在机器人法兰上建立法兰坐标系，再通过平移和旋转把工具坐标系挂到法兰上，形成工具中心点。
实操中常用“四点法”或“六点法”标定 TCP：让焊丝尖端以不同姿态触碰同一固定参考点，由控制器反算 TCP 相对法兰的位置。仿真建模时可直接输入标定结果，例如某弧焊枪 TCP 相对法兰的偏移为 X=120 mm、Y=0 mm、Z=380 mm，绕 Y 轴旋转 -45°，使焊枪轴线与焊缝方向匹配。工具质量、质心位置和转动惯量也要一并填写，否则外部轴联动时的动力学结果不可信。
焊枪姿态还决定可达性。对于角焊缝，焊枪通常保持 45° 工作角、10°～15° 行走角；在仿真中应把这些姿态约束体现在工具坐标系定义和后续轨迹的姿态设置里，而不是靠后期手动微调。
三、外部轴与变位机配置
外部轴分直线滑台（机器人行走轴）和旋转变位机（单轴、双轴、三轴翻转台）。配置的核心是建立外部轴与机器人之间的协调运动关系，即“协调运动组”。在 ROBOGUIDE 中，需要为每个外部轴定义运动类型、行程范围、减速比、最大速度和耦合关系，并把工件装夹坐标系绑定到变位机回转中心。
以双轴 L 型变位机为例：回转轴（R 轴）绕竖直方向旋转，翻转轴（T 轴）绕水平方向倾斜。建模时要明确回转中心与翻转中心的交点位置，工件坐标系应建立在该交点或装夹基准面上。若把工件坐标系随意放在工件表面，变位机旋转后焊缝位置会整体偏移，导致离线程序在实机上无法复现。
协调运动配置完成后，机器人可在变位机旋转的同时保持焊枪相对焊缝的姿态，实现“船形焊”位置。判断配置是否正确的依据是：让变位机旋转 90°、180°，观察焊枪 TCP 是否始终贴合焊缝且不超出关节限位；若出现姿态跳变，通常是外部轴耦合方向或旋转正负号定义反了。
四、焊丝盘与送丝机构建模要点
弧焊仿真中，焊丝盘和送丝机构虽不直接参与运动学，但影响干伸长、焊枪可达性和碰撞判断。建模要点有三：一是焊丝盘几何，按实际盘径（常见 200 mm、300 mm）和盘宽建立圆柱体，标注丝径（1.0 mm、1.2 mm）和盘重；二是送丝路径，用软管或样条曲线表示从送丝机到焊枪的走线，重点检查机器人做大范围姿态变化时软管是否与本体、夹具干涉；三是干伸长，即导电嘴到焊丝末端的距离，通常取 10～15 mm，它直接决定 TCP 位置，必须在工具坐标系中体现。
点焊没有焊丝，但需要建模电极帽磨损补偿和焊钳开合行程。电极帽直径、端面形状会影响焊点位置，仿真中可用简化圆柱表示，并在焊钳闭合状态下校核两电极是否对中。
五、建模完成后的自检清单
完成上述建模后，建议按以下顺序自检，避免把错误带入轨迹编程阶段：
- 机器人负载是否包含焊枪、线缆、传感器总质量，并留有余量；
- TCP 是否用标定数据填写，而非目测估计；
- 外部轴回转中心与工件坐标系是否重合或按装夹基准偏移；
- 变位机旋转 90°、180° 时焊枪姿态是否连续、关节是否超限；
- 送丝软管在极限姿态下是否与本体或夹具干涉；
- 焊丝干伸长是否与工具坐标系定义一致。
把机器人、工具、外部轴、送丝四类对象按真实参数建好并建立正确的坐标系关系，是后续焊缝轨迹规划、节拍估算和离线程序导出的基础。下一阶段即可在此基础上进行焊接工艺参数与轨迹的仿真验证。