（机械制造及其自动化专业论文）基于cad的机器人离线编程与仿真系统设计.pdf

声明 工作及取得的研究成果。 其他人已经发表或撰写过 书而使用过的材料。与我 说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 训彩笔 日期加o , g 。6 基于c a d 的机器人离线编程与仿真系统设计 研究生：卢正君导! j 币：仇晓黎教授 幸研副教授 ( 东南大学) 捅要 随着工业技术的发展，在焊接和切割制造业中，传统的人工示教方法已经不能满足人们 的要求，并已经成为阻碍生产力快速发展的瓶颈。离线编程系统正是加速工业机器人应用的 一剂良方。为把工业机器人离线编程系统应用到企业中去，本文从实用化角度对弧焊机器人 离线编程技术的进行了研究。 本文着眼于实际应用，在c a d 软件s o l i d w o r k s 中进行开发，采用c o m 组件和a t l 技 术，分析了机器人离线编程技术的总体框架，重点研究建模技术、路径生成、自动编程、运 动仿真等离线编程的关键技术。 对比离线编程仿真单元中工件模型与实际单元中工件的标定，提出了工件坐标系的三点 表示法，解决弧焊机器人离线编程系统中工件的模型匹配问题；针对机器人工具坐标系的位 置标定，提出了五点位置快速标定方法，节省手动t c p 校零时间，提高离线编程效率。 完成了变位机和机器人运动算法的求解，该算法可实现变位机和机器人在不同放置的情 况下运动学的求解。并研究了机器人与变位机同步运动时的协调控制策略，使得机器人与变 位机在协同焊接时具有良好的运动学匹配关系，并在s o l i d w o r k s 下实现了运动仿真。 在工程实例中验证本文研究内容的可行性：用马鞍形曲线切割和冲击式水斗叶片的堆焊 任务来验证，证明本机器人离线编程系统的实用性目的已经达到。 关键词：离线编程，运动仿真，运动算法， 焊接， 标定。 t h e d e s i g nf o r r o b o t0l i n ep r o g r a m m i n ga n d s i m u l a t i o ny s t e mb a s e do nc a d s i m u l a t i o ns y s t e ma s e0 n l u z h e n g - j u n s u p e r v i s e db yp r o f q i ux i a o l i a s s o c i a t ep r o f x i n gy a n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lt e a c h i n gm e t h o dc a nn o tm e e tt h en e e do f t h em a n u f a c t u r eo fw e l d i n go rc u t t i n g ，a n dm a yb e c o m et h eb o t t l e n e c kt oh o l d u pt h ed e v e l o p m e n t o fp r o d u c t i o ni ns o m ew a y w h i l e ，t h er o b o to f f i i n ep r o g r a m m i n gs y s t e mm a k et h er o b o ta p p l y w i d e l y a n di no r d e rt oi n t r o d u c et h eo f f i i n ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yt oe n t e r p r i s e ，t h es t u d i e so f u t i l i z a t i o no fr o b o to f f i i n ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya r ec a r r i e do u ti nt h ed i s s e r t a t i o n f r o mt h ev i e wo fp r a c t i c e ，t h er e d e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k sw i t hc o mm o d u l ea n da t l t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e da n dt h ew h o l ef r a m eo fr o b o to f f i i n ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yw h o s e e m p h a s i si sm o d e l i n gt e c h n o l o g y , p a t hg e n e r a t i o n , a u t o m a t i cp r o g r a m m i n ga n ds i m u l a t i o ni s a n a l y z e d c o m p a r i n gt h ed e m a r c a t i o nb e t w e e nr e a lw o r k i n gc e l la n do f f i i n ep r o g r a m m i n gs i m u l a t i o n , t h r e ep o i n t sr e p r e s e n t a t i o nm e t h o di s m e n t i o n e d ，w h i c hc a ns o l v et h e t h em a t c h i n gp r o b l e m b e t w e e nt h e m ；f i v ep o i n t sc a l i b r a t i o nm e t h o d o l o g yo ft c p p o s i t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d ，s e q u e n t i a l l y , m a n u a lt c pz e r o i n gt i m ei sg r e a t l ys a v e da n de f f i c i e n c yo fo f f - l i n e p r o g r a m m i n gi si m p r o v e d e n o r m o u s l y t h em o t i o na r i t h m e t i c so fp o s i t i o n e ra n dr o b o ta r es o l v e d ，w h i c hs a t i s f yd i f f e r e n tp o s i t i o n s o t h e r w i s e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rc o o r d i n a t e dm o v e m e n tb e t w e e np o s i t i o n e ra n dr o b o ti s r e s e a r c h e dw h i c hm a k er o b o tm a t c h 、 ，i t l lp o s i t i o n e rw e l l ，a n dp r o v e di ns o l i d w o r k s i no r d e rt op r o v et h ef e a s i b i l i t yo fr e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o n 。c u t t i n gu s h a p e dc u r v ea n db e a d w e l d i n gw h e e lt u r b i no fa c t i o nt u r b i n ea r ec o m p l e t e dw h i c hv e r i f i e st h a tt h ep u r p o s ef o rp r a c t i c e h a sb e e na c h i e v e d k e y w o r d s ：o f f l i n ep r o g r a m m i n g ，s i m u l a t i o n ，m o t i o na r i t h m e t i c ，w e l d i n g ，d e m a r c a t i o n i i 目录 目录 1 课题背景及意义1 离线编程的现状和发展趋势2 1 2 1 国外离线编程系统的研究现状2 1 2 2 国内离线编程系统的研究现状3 离线编程系统的发展趋势5 课题研究的主要内容6 人焊接离线编程系统框架和关键技术7 总体方案研究7 2 1 1 开发平台和开发方式7 2 1 2s o1 d w o r k sa pi 对象9 系统的主要模块9 2 2 1 姿态定义模块1o 2 2 2 自动编程模块1 3 本章小结17 人工作站的运动规划及仿真研究18 3 1 焊接工作站建模技术和结构分析l8 3 1 1 弧焊机器人工作站概述18 3 1 2 工作站建模及其结构分析19 3 2 仿真的实现技术2 0 3 2 1s olid w o r k s 中零件位置的描述2 0 3 2 2s olid w o r k s 的仿真a p1 支持2 1 3 2 3 仿真的实现2 2 3 3 工具坐标系标定2 3 3 4 本章小结2 5 4 运动学求解2 6 4 1 概述2 6 4 1 1 机器人坐标系的建立及参数定义2 6 4 1 2 建立坐标系间齐次矩阵2 7 4 2k u k ak r l 6 机器人逆解2 7 4 2 1 机器人建模2 7 4 2 2 逆运动学求解2 9 4 2 3 逆运动学解的优化31 4 3l 型变位机逆运动学求解3l 4 3 1 概述31 4 3 2 焊缝数学模型3 2 4 3 3 模型分析3 3 4 3 4 变位机的任务分析3 3 i i i 学位论文 3 4 ：；! ； ：；5 3 6 3 8 3 8 ：；8 38 5 1 3 加工步骤3 9 5 1 4 加工效果与分析4 0 5 2 水斗堆焊4 0 5 2 1 水斗叶片的堆焊快速成型方法4 1 5 2 。2 层面的轨迹规划4 2 5 2 3 堆焊加工过程及其结果4 4 5 3 本章小结4 5 结论与展望4 6 致谢。4 7 参考文献4 8 附录软件著作权5 0 作者简介5 1 i v 1 绪论 1 1 课题背景及意义 1 绪论 随着工业技术的发展，人们对产品制造的生产周期、制造成本提出了更高的要求。在焊 接和切割加工工业中，传统的产品加工、工艺设计方法已不能满足要求，并已经成为阻碍生 产力快速发展的瓶颈。具有柔性优势的机器人离线编程技术正是解决这一问题的最佳选择， 并在推广工业机器人应用、降低焊接成本、提高焊接质量、实现焊接自动化中扮演着重要的 角色【1 训。 机器人焊接成套装备是现代工业的重要基础装备之一，是制造业实现高质量、高效率的 必要保证。目前我国9 0 以上的机器人焊接成套装备依赖进口，在购置焊接设备时都是由机 器人供应商事先根据用户需求将机器人程序交给工厂使用。因此设备在使用初期编程占用机 器人工作时间并不显著。但是，随着近年来我国制造业发展迅速，对机器人焊接装备需求日 益强烈( 以龙工集团为例，仅装载机车生产线就需要机器人焊接成套装备1 0 0 套) ，在工程机 械、煤矿机械、造船、机车、石化等国民经济重要领域广泛应用，显然单一的程序无法满足 这种需求。为适应批量化、多品种的趋势，节省生产成本和时间，提升机器人应用水平，开 发和应用离线编程系统是必然趋势【7 j 。 机器人编程主要分为示教编程和离线编程。国内制造企业目前仍主要采用示教再现的编 程方式。起初，当加工任务不是很复杂或示教所占的工作时间比重不大的情况下，示教编程 在一定时间内发挥了重大作用，但是在面对复杂的焊接或切割任务时，示教编程方式已经不 能满足需求。示教编程主要如下缺点【5 刮： 1 ) 机器人示教时，占用生产时间，降低生产效率，提高生产成本； 2 ) 操作者工作环境和安全性差，工作中无可避免的粉尘、辐射都危害人体健康，甚至还 有一些极限工作环境如深水、核辐射等对人体生命构成威胁； 3 ) 缺乏柔性，在工况相似的情况下，无法利用相似程序，仍需重新编程； 4 ) 示教的精度都依靠操作者的目测，示教编程很难实现令人满意复杂曲线的控制程序和 良好的焊接质量； 5 ) 复杂型面的堆焊任务、船舱格子间示教都难以实现； 离线编程可以克服示教编程的不足，具有显著的优点，为解决上述问题提出了可选方案。 随着工业机器人在我国的推广以及一些领域中离线编程的成功应用，我国企业对工业机器人 离线编程技术的呼声已日益增强。本文在着眼于实际应用，在通用的机器人离线编程技术的 研究基础上，针对弧焊和火焰切割应用的特殊性，总结当前离线系统的不足之处并根据实际 生产需要，探讨了弧焊机器人离线编程关键技术，将弧焊机器人离线编程引入到企业中去， 为中国企业提供专业且廉价的全套技术解决方案。 昆山华恒焊接股份有限公司是1 9 9 5 年由留学生创办的省高新技术企业、省软件企业，仅 2 0 0 5 年销售收入达到1 0 4 亿元，创利税3 6 0 0 万元。华恒工程技术中心和清华大学等著名高 校建有5 个研究室，拥有国内最先进的机器人焊接技术设计、试验、检测设备。公司拥有2 万平方米的现代化的厂房和全套精密机械、电器加工、装配、检测设备，为产业化提供了有 力的保证。 目前，华恒公司在国内和一些第三世界国家的焊接成套设备市场中已经占有了自己的一 席之地，但是在配套的专用程序和售后的软件服务上一直存在困扰。机器人的离线程序如 k u k a s i m p r o 仿真软件虽然可以实现离线的示教仿真，但是仍然没有摆脱示教的束缚，操作 太过繁琐，对路径的规划功能较弱，而且在导入c a d 模型时丢失信息甚至发生错误。这就使 东南大学硕上学位论文 得在配套程序的实现十分被动，尤其在面对堆焊和船舱格子间焊接等十分复杂的任务时，只 能求助于其他解决方法了。本文基于华恒公司的实际需求，以实际应用为目的，在c a d 软件 的基础上开发一个嵌入式的离线系统，以达到直接应用工件c a d 模型、规划轨迹、工艺支持、 自动编程和仿真功能帮助用户快速编制焊接和切割加工程序。至本文截稿时，该系统已经帮 助华恒焊接股份有限公司公司实现了水斗堆焊任务、变坡口管件切割、起重机臂端面切割和 马鞍形焊缝焊接等复杂任务，提高了公司在焊接成套设备中的竞争力。尤其是冲击式水斗的 堆焊工艺，此项技术在国际上处于领先水平，国内仍属首例。 1 2 离线编程的现状和发展趋势 机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓展，它利用计算机图形学的成果，搭建机器 人及其工作环境的模型，再利用规划算法，对工件的轨迹信息进行处理，在不使用实际机器 人的情况下进行任务规划和轨迹规划，并最终生成机器人控制程序，完成加工任务。 1 2 1 国外离线编程系统的研究现状 国外自2 0 世纪7 0 年代便开始了机器人离线编程方面的研究，美、德、法、日等国家的 高校、研究所和企业对机器人离线编程及其系统仿真方面进行了广泛的研究，并已研发出一 些比较成熟的的离线编程系统，其中包括著名的r o b c a d 、r o b w o r k s 、p l a c e 、i g r i p 、 c i m s a t i o n 等离线系统【l o - 1 4 j 。主要的离线程序如表1 1 所示： 目前，国际市场上应用于p c 机上成熟的商用软件有i g r i p 、r o b c a d 和r o b o t w o r k s 等。 i g r i p 是美国d e n e br o b o t i c s 公司推出的交互式机器人图形编程与仿真软件包，主要用于机 器人工作单元布置、仿真及离线编程。以色列t e c n o m a t i x 公司开发的r 0 b c a d 主要应用于白 车身点焊、喷涂和激光切割等，美国福特、德国大众、意大利菲亚特等多家汽车公司都应用 该系统。r o b o t w o r k s 是由以色列c o m p u c r a f t 公司开发的集成到s o l i d w o r k s 中的机器人模拟器， 支持同本f a n u c 、安川电机、川i 崎重工、瑞典a b b 、德国k u k a 及法国s t a u b l i 的机器人的 控制程序，可以完成点焊、弧焊、喷涂等多种功能。但是这些系统大多都价格昂贵，并且缺 乏焊接和切割方面的工艺支持 8 - 9 】。 表1 1 国外商品化的离线编程系统和仿真软件 软件包生成公司或研究机构 g r a s p u n i v e r s i t yo fn o t t i n g h a mu k r o b e x a a c h e n ，g e r m a n y p l a c e m c a u t om a n u f a c t u r i n g ，u s a r o b o t s i mc a l m ac o r p ，u s a r o b o g r a p h i x c o m p u t e rv i s i o nc o r p ，u s a i g r i pd e n e bi n c ，u s a r c o d e s r i - u s a r o b c a d t e c n o m a t i xc o r p ，u s a c i m s a t i o ns i l m ai n c ，u s a w o r k s p a c e r o b o ts i m u l a t i o n sl n c ，u s a s m a r u n i v e r s i t yd ep o i t i e r s ，f r a n c e 2 0 世纪八十年代中期，美国n a s a 和r o c k w e l l 国际科学中心在航天飞机的主发动机焊 接中应用离线编程技术。这项研究在p l a c e 和c o m m a n d 模块的支持下，开发一个了基于 工作站的，为机器人工作单元提供运动和焊接工艺的高效、柔性的离线编程系统。该系统具 有适用于焊接工程师的用户接口、工作单元的几何和工艺命令、焊接数据库系统以及实时数 据存档功能【1 5 】。 为满足小型企业，德国w e m id a i 和m a r k u sk a m p k e r 以提高机器人离线编程效率为目标， 自行研发了应用p c 机的3 d 仿真和离线编程系统一p i n 系统。p i n 系统采用o p e n g l 技术 显示工作站和工件的3 d 模型，并支持人机接口( m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) ，不仅包含了路径规 2 i 绪论 图1 1 宏的使用流程【1 6 1 划、传感器功能，还支持宏编程。这里定义的宏不仅包含了焊接路径的信息，还包括焊接的 参数和逻辑指令等，使得用户可以更快捷的完成相同或相似的编程任务。如图1 1 所示，用 户可以将操作中的路径信息和焊接参数通过宏编辑器存储到宏文件中，并保存到数据库中， 也可以通过加载以往的操作进行编辑后生成控制程序【1 6 1 。 日本丰田汽车公司和丰田株式会社合作开发了一套离线编程系统，可用于不同工况、采 用不同工具、进行任务规划和仿真功能。丰田汽车公司的k a t s u m iy a m a m o t o 等人提出了一种 无需测量的机械误差校正方法。该方法通过分析不同载荷下的偏差值，来分别获取机器人各 个部件的弹性模量，再对数据进行处理来实现无测量的误差校正1 1 7 j 。 日本琦玉大学的前川仁等人研发了一套弧焊机器人离线编程系统。他们将焊接信息分为 任务级、工具级、机器人级和机器代码级，并各自独立保存在外部文件中。其中任务级，包 括解析焊缝的信息，提取焊接部件。工具级，根据工件和焊枪模型来规划焊枪运动轨迹。机 器人级，计算出实现当前焊枪姿态的机器人的各个关节角。机器代码级，将机器人的关节角 和焊接参数转换为机器人代码。该研究还包括针对5 、6 轴机器人的干涉检查与避免碰撞的问 题。但是作者没有检索到其关于机器人和变位机协调方面的研究和实际焊接中的应用【l 引。 挪威纳尔维克工学院的b j o ms o l v a n g 等提出了一种新型的基于机器人的视觉编程方法， 尤其适用与磨削和去毛刺。这种方法集合了理论与实际模型，具有很多优点： 1 ) 允许操作者先在工件上画出磨削轨迹； 2 ) 只需一个摄像头即可生成轨迹； 3 ) 自动计算切深； 4 ) 自动计算6 轴机器人的磨肖0 去毛刺的轨迹。 这种编程方式降低了机器人离线编程对操作者的要求，并加入了专家系统以帮助操作者 更快的完成编程任务。然而，这种新的方法还暂时处于研究阶段，而且该系统目前只支持2 维曲线【1 9 i 。 1 2 2 国内离线编程系统的研究现状 相比于国外离线编程系统的广泛研究，国内在离线编程方面的研究稍显不足，而且起步 较晚。机器人学是个多学科高度发展综合的产物，我国在一些领域中的落后，使得在机器人 技术的发展上遇到了很多障碍。此外，我国的劳动密集型产业状况也是限制机器人广泛应用 的一个重要因素。尽管如此，国内的一些高校也各自对离线编程技术进行了一些研究，其中 包括哈尔滨工业大学、南京理工大学、上海交通大学、北京理工大学、北京工业大学等。 2 0 0 1 年，哈尔滨工业大学提出了由任务级离线编程语言及其编程器为工具的机器人弧焊 东南大学硕士学位论文 任务级编程实现方案，并在焊接工件特征建模、焊接参数规划与路径规划等技术支撑下，采 用a u t o c a d 2 0 0 0 的最新开发工具一o b j e c t a r x ，开发了一个具有任务级编程功能的机器人弧 焊离线编程系统a c a d o l p 。该系统具有建模、运动仿真、路径、执行级编程、图形示教、 程序转换、程序上载、碰撞检测与动画生成功能【2 0 一。 哈尔滨工业大学又在s o l i d w o r k s 平台上进行二次开发，采用c o m 和a t l 编程技术，从实 用化角度出发，开发一个功能较全的机器人弧焊离线编程系统，如图卜2 所示，系统模块包括 设备建模、单元布局、运动仿真、路径模块、编程模块、数据转换、标定模块、辅助木块， 改进了6 r 机器人逆运动学求解的通用算法，解决了在求解过程中的矩阵奇异问题，获得了工 业机器人逆运动学求解的通用解析解，为最终实现机器人柔性工作单元的协调运动问题打下 基础。系统采取基于板特征和接头特征的建模机制，研究了弧焊工作站中机器人放置规划问 题，并且实现远程遥控编程和多机器人的运动与仿真【2 1 - 2 2 。 图1 - 2哈尔滨工业大学的基于s o l i d w o r k s 离线编程系统模块1 南京理工大学首先在a u t o c a d 和m r c w o r d 上进行二次开发，对工件特征提取及几何建模、 空间焊缝姿态规划、焊接参数规划、机器人程序自动生成、机器人图形仿真及通讯进行研究， 开发了弧焊机器人离线编程系统( a w o p s ) 1 2 3 j 。南京理工大学又分析了i g m 弧焊机器人工作 站的结构特点，使用o p e n o l 图形开发工具，开发了通用型i g m 弧焊机器人大型工作站离线 编程系统，实现了三自由度龙门机架、六自由度关节型弧焊机器人和两自由度变位机的三维 造型及焊接过程图形仿真，但是对任务规划技术研究相对较少【2 4 彩】。 上海交通大学开发了基于p c 的交互式三维可视化离线编程和动态仿真系统。系统采用 o p e n g l 三维图形功能实现零件的三维几何建模和动态仿真。并加入宏编程功能，将特定焊 缝轨迹或任务单元，通过宏定义存放在数据库中，以备随时调用，提高了编程效率。对复杂 形状的多层多道焊焊缝通过给定的焊接规范参数进行规划并实现自动编程。系统侧重于建模 的快速性和仿真的准确性，在小范围内实现应用，为机器人在焊接制造业中的应用做出了贡 献【2 6 】。 北京工业大学在v c + + 开发平台上自主开发一套离线编程与仿真系统，应用o p e n g l 图 图卜3 弧焊机器人仿真系统框图 形语言开发几何建模模块，实现从模型中提取焊缝几何信息，人机交互规划焊接任务，从数 据库中提取焊接参数，根据焊缝姿态和焊枪姿态对焊接路径进行优化。系统主要从易用性和 实用性角度出发，但是缺乏对自动规划技术研究，图形建模功能相对较弱。在s o l i d e d g e 平 台上，针对弧焊机器人的实际应用，他们在建立了弧焊机器人本体、变位机和待焊工件实体 模型的基础上，又开发了一套实用的弧焊机器人图形仿真系统( 如图1 4 所示) 。系统不但实现 了三维实体图形的运动仿真、实时碰撞检测、离线示教和程序转换下载功能，而且根据焊缝 4 1 绪论 的不同类型，提供3 种插补方式：直线插补、二次插补和三次样条插补【2 7 - 2 8 。 1 3 离线编程系统的发展趋势 从总体上看，工业机器人离线编程技术尚不成熟，国内外大都仍处于研究阶段，只有其 中的一些模块已经或正在走向成熟。在国内，熊有伦院士主持的科研项目“基于微机的机 器人离线编程系统h o l p s 及其应用”，对该项技术进行了深入研究，已取得阶段性成果。近 年来，国内外许多大中型企业都装备了自动化加工设备和计算机辅助设备与系统。同时，成 熟的c a d c a m 技术以其高效便捷的建模手段和集成技术，使之成为工业机器人编程中的 有力工具。这些设备和系统为工业机器人的离线编程技术的研究和推广提供了基本的软件和 硬件条件，使离线编程的实用化通用化成为可能。机器人离线编程系统正朝着c a d 、c a m 、 c a p p 和r o b o t i c s 大集成的方向前进，其中包含了多个领域中的多个学科，为推动这项技 术的进一步发展，以下几个方面的研究工作是必不可少的： 1 ) 多传感器融合技术的建模与仿真。随着机器人智能化的提高，传感器技术在机器人系 统中的应用越来越重要。因而需要在离线编程系统中对多传感器进行建模，实现多传感器的 通讯，执行基于多传感器的操作。 2 ) 错误检测和修复技术。系统执行过程中发生错误是难免的应对系统的运行状态进行 检测以监视错误的发生，并采用相应的修复技术。 3 ) 各种规划算法的进一步研究，其包括路径规划、放置规划和微动规划等。规划一方面 要考虑到环境的复杂性、连续和不确定性，另一方面又要充分注意计算的复杂性。 4 ) 通用有效的误差标定技术，以应用于各种实际应用场合的机器人的标定。 5 ) 具体应用的工艺支持。如弧焊，作为离线编程应用比较困难的领域，不止是姿态、轨 图1 - 4 阀i j 内壁堆焊 从发展上来看，离线编程系统正朝着智能化、专用化的方向发展，用户操作越来越简单 方便，并且快速生成控制程序。在某些具体的应用领域甚至可以实现参数化，极大地简化用 户的操作。 图1 4 为昆山工研院为美钻采公司编制的阀门内壁的堆焊自动编程系统，该系统实现了 系列化专用的离线编程系统，可帮助用户快速编制程序，完成焊接任务。图1 4 左侧为工件 的几何参数，右侧上方为平面模型图，右侧下方位工艺步骤，用户可以通过输入模型参数直 接生成离线程序，但是此类系统适用于工艺成熟的系列化焊接任务，并且对编程人员要求较 气 东南大学硕士学位论文 尚。 1 4 课题研究的主要内容 本论文结合江苏省自然科学基金，东南大学自然科学基金预研项目，并与昆山工研院工 业机器人研究所合作，主要以k u k ak r l 6 机器人和r e i s 机器人为研究对象，对机器人的离 线编程系统在工程上应用进行了研究，主要包含以下工作内容： 1 系统开发 在c a d 平台上，完成工件坐标系位置标定、工作轨迹信息获取、曲线离散、姿态定义、 和自动编程功能的开发。 2 运动学算法 研究用于离线编程的k u k ak r l 6 机器人的逆运动学算法，以及研究适用于不同位置放 置和不同结构的l 型变位机的通用逆运动学算法。并实现机器人与变位机的协调运动，在c a d 软件中进行验证。 3 快速标定 对比离线编程仿真单元中工件模型与实际单元中实际工件的标定，提出了五点位置快速 标定方法，提高离线编程效率。 4 仿真与实例应用 通过c a d 中的模型驱动功能，实现了加工过程的运动仿真，并通过工程中实际应用来验 证本文研究的离线系统在工程应用上的可行性，针对k u k ak r l 6 机器人本文选用变坡口马 鞍形主管切割、起重机臂六角形端面切割和水轮机水斗堆焊进行验证。 6 2 机器人焊接离线编程系统框架和关键技术 2 机器人焊接离线编程系统框架和关键技术 目前许多的商品化得离线系统都采用独立的c a d 内核，用户可以根据其提供的建模功能 建立工件模型，但是对于复杂模型一般都采用中性文件导入的方式。这样就导致几何的拓扑 信息的丢失，难以精确获取工件焊点的信息，而且这样的系统多采用离线示教的方式编程， 工作量大。为摆脱示教的束缚和精确获取焊点信息，本文对离线编程技术进行了系统性的研 究。 2 1 总体方案研究 2 1 1 开发平台和开发方式 本文借鉴了r o b o t w o r k s 的开发平台，选择在c a d 软件s o l i d w o r k s 平台上进行二次开发。 选择在c a d 软件上开发不仅可以直接采用工件的三维模型为轨迹规划提供精确地几何信息， 而且c a d 软件的三维图形支持节省了开发时间和经费，而选择s o l i d w o r k s 的主要原因有以 下3 点： 1 ) 建模功能 s o l i d w o r k s 具有强大的零件设计、钣金设计、管理设计、绘制二维工程图、支持异地协 同工作等功能，同时s o l i d w o r k s 具有良好的开放性和兼容性。它不仅可以为离线系统提供强 大的三维图形显示和仿真功能，还可以帮助操作者完成各种焊接和切割任务中的工件建模。 2 ) 广泛的用户 近几年来，s o l i d w o r k s 在亚太区和中国的增长率都在6 0 至7 0 ，s o l i d w o r k s 以其强大 的功能和简单易用的操作赢得了越来越多的认可，华恒焊接股份有限公司就是其中一员，广 泛的用户为离线系统的推广提供了保证。 3 ) 开发支持 当前主流的三维造型软件，如s o l i d w o r k s 、u g 、p r o e 等，都为用户提供了二次开发的 接e i ( a p i ) ，用户可以在软件本身的功能基础上开发出新的功能模块，来满足用户特定的需求。 s o l i d w o r k s 对二次开发的支持更胜于其他三维软件，它具有强大的a p i 查询功能和宏录制功 能，为二次开发提供了强大的后盾。 至于在s o l i d w o r k s 上的开发方式，可以分为两种：一种是基于o l e 技术的，另一种是基 于c o m 组件技术的i j 引。 o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 且l j 对象的链接与嵌入，是m i c r o s o f t 公司与计算机界 合作开发的产品规范，对于开发人员来讲，o l e 是能使他们共享不同应用程序信息资源的技 术。利用o l e 技术，用户可以同时使用来自两个或多个w i n d o w s 应用程序的资源来解决复 杂的应用课题，它使应用程序之间能够通过数据嵌入或链接的方式来共享数据。通过o l e 控 件，能够构造声音、图像和文字等集于一体的复合文档，可以轻易地集成应用系统。a c t i v e x 控件就是在o l e 控件技术上发展起来的。但是对于s o l i d w o r k s 二次开发来说，此种技术只能 开发e x e 形式的程序，所开发的c a d 系统不能直接嵌入到s o l i d w o r k s 系统界面下，无法实 现与s o l i d w o r k s 系统的完美集成。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 虽l j 组件对象模型，是一种以组件为发布单元的对象模型。 这种模型使各软件组件可以用一种统一的方式进行交互。c o m 既提供了组件之间进行交互的 规范，也提供了实现交互的环境，因为组件对象之间交互的规范不依赖于任何特定的语言， 所以c o m 也可以是不同语言协作开发的一种标准【2 9 】。它可以建立了个c a d 模块与开发软 东南大学硕士学位论文 件模块的连接，当这种连接建立成功之后，两个模块之间就可以通过接口来进行通讯，实现 两者完美的集成。 c o m 对象就是以对象的形式封装的一个实体，其中包含接口、属性和时间。每个c o m 对象都有唯一的标志c l s i d ，它是一个1 2 8 位的全局唯一标示符。实际上，c o m 对象是一 个c + + 中定义的类，而接口是纯虚类，对象是从接口派生而来的。 在进行s o l i d w o r k s 二次开发时，也是首先得到s o l i d w o r k s a p i 对象的接口，并使用接口 提供的方法，从而实现用户所需要的功能。一个c o m 对象可以有一个或多个c o m 接口。 a t l ( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y ) 且p 活动模板库，是一个基于c + + 的框架，他主要用于c o m 的软件开发上，它可以大大简化组件的开发过程并提高代码的效率。a t l 同m i c r o s o f t 的基础 类m f c 库有异曲同工之处，后者是在w i n d o w s 平台下最常用的基于c + + 的框架，并已经占 据w i n d o w s 应用程序框架开发的主导地位 3 0 - 3 1 j 。然而在很多情况下，a t l 显然已经有后来居 上的趋势。本文之所以采用s o l i d w o r k s 提供的a t l 模板，主要是考虑到a t l 开发插件有许 多优点，具体可以参考文献3 2 3 4 。 图2 - 1s o l i d w o r k s a p i 接口对象 兰：盟墨堡堡曼垡麴壁叠丝堑銎塑苤堡垫查一 一 2 1 2s o i d w o r k sa p i 对象 s o l i d w o r k sa p i 即为s o l i d w o r k s 应用程序开发接口，也是s o l i d w o r k s 程序提供给开发人 员接口。开发人员可以通过a p i 实现s o l i d w o r k s 软件本身的功能，如生成拉伸特征、绘制草 图等，也可以再这些接口基础上开发所需功能。 s o l i d w o r k sa p i 是由组成s o l i d w o r k s 软件的c o m 组件提供，每一个a p i 对象都是采用 c o m 技术构造的，因此有着同一般c o m 对象同样的性质，都是由接口、属性、事件组成的。 s o l i d w o r k s a p i 通过面向对象思想组织所有的接口对象，包括应用程序对象、配置文件对 象、事件对象、注解对象和模型对象等，具体如图2 1 所示。 s o l i d w o r k s 为用户提供s l d w o r k s 对象，它是所有对象的父类，用户可以根据实际需求直 接或间接地通过它访问其他所有a p i 接口。s l d w o r k s 位于s o l i d w o r k s a p i 关系图的最顶端， 是所有a p i 接口的基类，通过它可以访问到所有从它继承的接口，主要包括：程序操作、文 档操作、交互界面管理、程序窗口管理、自定义属性等。 2 2 系统的主要模块 通常，离线编程系统都是在建模、编程和运动仿真的基础上发展而来的，各系统功能 机器人离线编程系统 姿态定义模块i自动编程模块仿真模块 焊 接 姿 态 定 义 切 割 姿 态 定 义 基 坐 标 系 标 定 欧 拉 角 变 换 控 制 程 序 生 成 犟| i 动 非 千 涉 检 测 图2 - 2 系统的功能模块 模块通常包括设备建模、工作单元布局、运动仿真、程序转换、编程、碰撞检测等模块。而 本文考虑实际应用，开发的机器人弧焊离线编程系统较一般的离线编程系统，增加了弧焊和 切割方面的功能。因此本文所开发的系统从功能上不但涵盖了一般离线编程系统的功能，而 且还突出了对弧焊和火焰切割的支持。本文研究离线系统的具体模块如图2 2 所示，包括姿 态定模块、自动编程模块和仿真模块。 本系统是采用在s o l i d w o r k s 平台上开发的插件式设计，这样用户就可以直接使用工件的 c a d 模型，或使用强大的c a d 软件完成系统的建模任务。 1 ) 姿态定义模块 该模块是离线编程区别于在线示教编程的最大特点。根据三维模型中的数据定义焊枪店0 枪的姿态，规划轨迹等。 2 ) 自动编程模块 该模块是将用户定义的姿态，路径信息自动转化为机器人可以识别的控制程序，并分别 添加了弧焊和火焰切割的工艺支持。 3 1 仿真模块 该模块目前可以提供以下功能：焊接任务动态仿真、干涉检测、工具坐标系标定以及 k u k a k r 6 机器人和l 型变位机协同仿真。 9 东南大学硕士学位论文 系统的操作流程如图2 3 所示，用户首先需 要在s o l i d w o r k s 中建立相应的工件三维模型图， 在考虑实际工况以及合理操作的情况下选取并 定义工件坐标系；其次，定义焊枪的姿态，即在 模型中通过人机交互的方式获取每条任务曲线 的几何信息，定义机器人工具坐标系在工件坐标 系下的姿态；完成姿态定义后加载焊接工作站模 型进行仿真；仿真效果无误后生成机器人控制程 序( s r c 和d a t 文件) ；最后，将控制程序导入 机器人控制柜中，根据工件坐标系的建立特征在 实际模型中标定工件坐标系，启动该控制程序， 机器人可自动完成该焊接或切割加工任务。 说明：对于工件建模，如果任务为焊接那么 用户需要创建破口面；而对于切割则要在造型中 做出切割的成型面。 2 2 1 姿态定义模块 本离线系统为推广工业机器人在工程中的 应用，并响应合作企业的业务要求，将姿态定义 从焊接扩展到火焰切割。 1 ) 焊接姿态定义 焊缝几何特征信息就是描述空间焊缝( 空间 直线和任意曲线) 焊接位置