（材料加工工程专业论文）基于rotsy的弧焊机器人离线编程.pdf

摘要 葛i i i i h i l l l l l l 赠鼍曼曼囊鼍曼曼曼嫩皇曼舅舅嬲鼍 基于r o t s y 的弧焊机器人离线编程 摘要 机器入焊接是现代化焊接自动化技术的主要标志。从2 0 世纪6 0 年代诞生和发 展到现在，焊接机器人的研究和开发经历了3 个阶段，即示教在线编稷、离线编 程和自主编程。目前，国内大量弧焊机器人系统从整体上看基本上都属于第l 代， 其轨迹、姿态和焊接工艺参数需在线示教，不仅占用大量生产时间，而且示教质 量取决于操作者的经验在当今产品的批量越来越少，丽品种越来越多的形势下， 示教在线编程已成为新的生产模式的一大障碍。离线编程可以克服以上不足，具 有开放性好、集成度高、对复杂任务编程快速精确等优点。为满足小批量、多品 种、成本低、时闻短及焊接质量高等簧求，研究和开发弧焊机器入离线编程系统 具有重要的工程实用价值。 本文以m o t o m a n 公司的u p 6 弧焊机器人和s g m d h 1 2 a 2 a y r b 变位机为 试验平台，将离线编程软件r o t s y 、计算机与机器入通信软件m o t o c o m 3 2 和 校正软件m o t o c a l v 3 2 组成一个弧焊机器人离线编程系统，实现了机器人和变 位机的联动离线编程。对于复杂焊缝( 如两管正交的马鞍型焊缝) ，能使尽可能多 的点接近或处于船型焊域平焊的位置，为保证焊接质量打下了基础。 通过c a d 建模、标定及校正建立了一个开放的图形示教平台，可以添加茅爨修 正m o t o m a n 公司的各种机器人、变位机和焊枪工具模型，可以转化各种c a d 软 件的工件模型导入系统。 建立了图形示教及编程模块，系统透过焊接路径规划和机器人姿态规划对任 务进行三维图形动画仿真，利用图形示教方式抓取工作点，设定焊接参数及插补 方式；模拟整个作业的完成情况，图形显示运行轨迹，检查发生碰撞的可能性及 机器入的运动轨迹是否合理，并计算机器人的每个工步的操彳乍时闽和整个工作过 程的循环时间。程序的每一个程序步可以方便的复制、修改和删除。 离线示教程序编制好以后，可以利用通信软件m o t o c o m 通过r s 2 3 2 c 通信 接隧进行控制桓和计算机之闻的文件传输。保存在计算机中的程序，在传输模块 中可以以文本格式打开，在计算机上进行编辑和修改十分方便。实际运行中发现 程序与实际运行过程中存在误差时，可以回到系统编制调试程序模块，完善离线 山东大学硕十学何论文 编制程序的合理性。 通过复杂的马鞍形焊缝编程对所建立离线编程系统进行了验证。在实际运行 过程中，焊枪运行平滑，始终对准焊缝，焊枪的姿态也始终符合实际焊接的要求。 证明了本离线编程系统达到了设计要求。 关键词：离线编程弧焊机器人焊接路径规划机器人姿态规划 v a b s t r a c t 皇i i i i i i i ii i l l1 1 1 i i i i i l l 目! lq ! , , i 鼍曼曼量燃篁曼曼笪燃鼍 r o t s y - b a s e do f f i i n ep r o g r a m m i n go fa r cw e l d i n gr o b o t a b s t r a c t r o b o tw e l d i n gi st h ep r i m a r ys y m b o lo f m o d e mw e l d i n ga u t o m a t i o nt e c h n o l o g y s i n c e1 9 6 0 ，t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fw e l d i n gr o b o th a v eg o n et h r o u g ht h r e e p h a s e s ：l e a c h i n go n l i n ep r o g r a m m i n go f f - l i n ep r o g r a m m i n ga n di n d e p e n d e n c e p r o g r a m m i n g a tp r e s e n t ，m a j o r i t yo fw e l d i n gr o b o ts y s t e m si n c h i n ai s i nt h e c a t e g o r yo fl e a c h i n go n l i n ep r o g r a m m i n g , a n dt h eo n l i n et e a c h i n go fw e l ds e a m l o c u sa n d w e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，r e q u i r e sn o to n l ym u c hm a n u f a c t u r et i m e , b u t a l s ot h eo p e r a t o r s e x p e r i e n c ea n ds k i l l s n o wp r o d u c t s b a t c h e sa les h o r t e ra n d s h o r t e r , b u tk i n d sa r em o r ea n dm o r e , t e a c h i n go n l i n ep r o g r a m m i n gh a sb e c o m ea g r e a tb a r r i e ro fn e wm a n u f a c t u r em o d e l o f f - l i n ep r o g r a m m i n gc a no v e r c o m es u c h d e f i c i e n c i e s ，w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fg o o do p e n n e s s ，h i g hi n t e g r a t i o n , f a s ta n d p r e c i s ep r o g r a m m i n ga i m e da tc o m p l e xt a s k a n ds oo n i no r d e rt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fl i t t l eb a t c h , m o r ek i n d s ，l o wc o s t , l i t t l et i m ea n dh i 曲q u a l i t y , d e v e l o p m e n to fw e l d i n gr o b o to f f l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e mi so fg r e a te n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e i nt h i s p a p e r , b a s e do nm o t o m a nu p 6 w e l d i n g r o b o ta n d s g m d h 12 a 2 a - y r b p o s i t i o n e r , o f f l i n ep r o g r a m m i n g s o f t w a r e r o t s y , c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eb e t w e e nc o m p u t e ra n dr o b o tm o t o c o m 3 2a n da d j u s t i n g s o f t w a r em o t o c a l v 3 2a l ei n t e g r a t e di n t oaw e l d i n gr o b o to f f i i n ep r o g r a m m i n g s y s t e m ，w h i c hr e a l i z e s t h es i m u l t a n e o u sm o v i n go fr o b o ta n dp o s i t i o n e r f o r c o m p l e xw e l d i n gl i n e ( e g s a d d l ew e l d i n gl i n ef o r m e db yt w op i p e si n t e r s e c t ，i tc a n m a k em o r ea n dm o r ew e l d i n gp o i n t st ot h es h i pp o s i t i o no rt h eh o r i z o np o s i t i o n ， w h i c ha s s u r et h ew e l dq u a l i t y a no p e ng r a p ht e a c h i n gm o d u l ei ss e tu p ，w h i c hc a nb eu s e df o rm o t o m a n c o m p a n y sm a n y k i n d sr o b o t s ，p o s i t i o n e ra n dt o o lm o d e l s i tc a nc o n v e r tm a n yk i n d s o fc a ds o f l w a r e s m o d e l st oa p p r o p r i a t ef o r m a t ，a n dt h e nt r a n s f e rt os y s t e m t h eg r a p ht e a c h i n ga n dp r o g r a m m i n gm o d u l ei ss e tu p i th a st h ef o l l o w i n g v l 山东大学硕l ：学位论文 f u n c t i o n s ：c a l t yo nt h r e e d i m e n s i o n a lg r a p hc a r t o o ns i m u l a t i o na p p l y i n gw e l d i n g l o c u sl a y o u ta n dr o b o tg e s t u r el a y o u tu s eg r a p ht e a c h i n gt oc a t c hw o r k i n gp o i n t s ，s e t w e l d i n gp a r a m e t e r sa n di n t e r p o l a t i o nm o d e ，s i m u l a t et h ew h o l ew o r k sc o u r s e ， d i s p l a yw o r k i n gt r a c e , i n s p e c tt h ep o s s i b i l i t yo fc o l l i s i o na n ds u i t a b i l i t yo ft h e w o r k i n gl o c u s ，c a l c u l a t ee v e r ys t e p st i m ea n dt h ew h o l ew o r k sc i r c u l a t i n gt i m e t h ep r o g r a m se v e r ys t e pc a r lb ec o p i e d , m o d i f i e da n dd e l e t e d v 汛q l e nt h eo f f l i n ep r o g r a mh a sc o m p l e t e d ，i tc a nb et r a n s f e r r e db e t w e e nr o b o t c o n 仃o l l e ra n dc o m p u t e rw i t hr s 2 3 2 c t h ep r o g r a mk e p ti nc o m p u t e rc a n b eo p e n e d a n de d i t e di nt e x tf o r m a t t i n g w h e ns o m ee r r o r sb e t w e e no f f l i n ep r o g r a m m i n ga n d a c t u a lw o r ka r ef o u n d ，t h ep r o g r a mm u s tb et r a n s f e r r e dt op r o g r a m m i n gw o r k o u ta n d d e b u gm o d e lt oi m p r o v et h ep r o g r a m sr a t i o n a l i t y t h es y s t e mh a sb e e nv a l i d a t e db yw o r k i n go u tp r o g r a mt os a d d l ew e l d i n gl i n e i n t h ep r o c e s so fa c t u a lw o r k ，w e l d i n gt o r c hm o v e ss m o o t h l ya n da i m sa tw e l d i n gl i n e ， w h o s eg e s t u r ei sa l w a y si na g r e e m e n tw i t hr e q u i r e m e n t i ts h o w st h a tt h ed e v e l o p e d s y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：o f f l i n ep r o g r a m m i n g , w e l d i n gr o b o t ，w e l d i n gl o c u sl a y o u hr o b o t g e s t u r el a y o u t v l l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主葺盏 日期：壁墨! 三! 兰墨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：i 垒l 导师签名： 山东人学硕f j 学位论文 皇曼曼量皇曼曼曼曼鼍曼曼鼍- ；ii i ；_ i 曼曼曼曼鼍曼 1 1 选题意义 第1 章前言 在现代制造业尤其汽车制造业中，焊接技术作为重要的加工手段，占有非 常重要的地位【l 】。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化与智 能化已成为必然趋势【2 - 9 1 。目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术的主要 标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的 重视。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定 和保证焊接质量、实现大批量产品的焊接自动化【l o l 。 机器人是一个可编程的机械装置，其功能的灵活性和智能素性很大程度上决 定于机器人的编程能力。由于机器人应用范围的扩大和所完成任务复杂程度不断 增加，机器人工作任务的编制已经成为一个重要问题。通常，如图1 - 1 所示，机器 人编程方式可分为示教再现编程和离线编程【l l 】。 图卜1 机器人编程方式 目前，在国内外生产中应用的机器人系统大多为示教再现型。示教再现型机 器人在实际生产应用中存在的主要技术问题有【1 2 1 ： 1 )机器人的在线示教编程过程繁琐、效率低： 2 )示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂路径难以取得令人 满意的示教效果： 第l 章前言 曼i i i i i i i i mi i i i i i i i i i i i 嬲曼曼曼蔓嬲鼍曼曼笪燃兰曼 3 )对于一些需要根据外部信息进行实时决策的应用无能为力。 而离线编程系统可以简化机器人编程进程，提高编程效率，是实现系统集成 的必要的软件支撑系统。与示教编程相比，离线编程系统具有如下优点： 1 )减少机器人停机的时间，当对下一个任务进行编程时，机器人可仍在生产 线上工作： 2 )使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境： 3 )离线编程系统使用范围广，可以对各种机器人进行编程，并能方便地实现 优化编程： 4 ) 便于和c a d c a m 系统结合，做至i c a d c a m r o b o t i c s 一体化： 5 )可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程： 6 ) 便于修改机器人程序。 目前，焊接机器入在国内工厂生产线上大量应用，并快速发展，对焊接机器 人的离线编程与仿真技术的要求越来越迫切。工业雾希望焊接机器人既能僳证 工作时间，又能适应柔性化生产的需要。解决这种生产与编程的矛盾，需要对焊 接机器人离线编程技术进行深入的研究与开发【1 3 4 1 。因此，本文选题具有重要的 工程实用价毽。 1 2 机器人离线编程系统概述 1 2 1 机器人离线编程的概念和技术内容 机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环 境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下 进行轨迹规划 1 5 】。例如，弧焊机器人的离线编程，就是通过对焊接路径进行三维 图形动画仿真，配合工艺参数规划进行编程，最后将生成代码传到机器人控制柜， 以控制机器入运动，完成焊接任务。机器人离线编程系统已被证明是一个有力的 工具，可以增加安全性，减少机器人不工作时阕和降低成本。机器入离线编程系统 是机器人编程语言的拓广，通过该系统可以建立机器人和c a d c a m 之间的联系。 设计一个离线编程系统应具备以下几点： 1 ) 所编程的工作过程的知识： 2 出东大学硕l j 学位论文 i l l l l i l l l l l l l li l l l l li i illl,i l l l l l , , , 纂皇曼曼曼篡燃量皇曼曼鼍囊鼍曼薹 2 ) 机器人和工作环境三维实体模型： 3 ) 机器人几何学、运动学和动力学的知识； 4 ) 基于图形显示的软件系统、可进行机器入运动的图形仿真： 5 ) 轨迹规划和检查算法，如检查枫器入关节焦超限、检测碰撞以及规划机器 人在工作空间的运动轨迹等： 6 ) 传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划： ? ) 通信功能，以完成离线编程系统所生成的运动代码到冬种机器人控制柜 的通信： 8 ) 用户接口，以提供有效的人机界面，便于人工干预和进行系统的操作。 此外，由子离线编程系统是基于机器人系统的图形模型来模拟机器人在实际 环境中的工作进行编程的，因此为了使编程结果能很好地符合于实际情况，系统 应能够计算仿真模型和实际模型之间的误差，并尽量减少二者间的误差旧。 1 2 2 弧焊机器人离线编程的组成 弧焊机器人离线编程系统不仅要在计算机上建立起机器人系统的物理模型， 而且要对其进行编程和动画仿真，以及对编程结栗后置处理f 溺。一般说来，弧焊机 器人离线编程系统包括以下些主要模块：传感器、机器入系统c a d 建模、离线 编程、图形仿真、人机界面、后置处理等【19 1 。 1 ) c a d 建模 c a d 建模需要完成以下任务： 1 ) 零件建模； 2 ) 设备建模： 3 ) 系统设计和布置： 4 ) 几何模型图形处理。 因为利用现有i 戆c a d 数据及机器入理论结构参数所构建的机器入模型与实 际模型之间存在着误差，所以必须对机器人进行标定，对其误差进行测量、分析及 不断校正所建模型【2 0 1 。随着机器人应用领域的不断扩大，机器人作业环境的不确 定性对机器入作韭任务有着十分重要的影响，固定不变的环境模型是不够的，极 3 第1 章前言 可能导致机器人作业的失败。因此，如何对环境的不确定性进行抽取，并以此动态 修改环境模型，是机器人离线编程系统实用化的一个重要问题【2 1 1 。 2 ) 图形仿真 离线编程系统的一个重要作用是离线调试程序，而离线调试最直观有效的方 法是在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，利用图形仿真技术模拟机器入 的作业过程，提供一个与机器入进行交互作用的虚拟环境 2 2 1 。计算机图形仿真是 机器人离线编程系统的重要组成部分，它将机器人仿真的结果以图形的形式显示 出来，直观地显示出机器人的运动状况，从而可以得到从数据曲线或数据本身难 以分析出来的许多重要信息，离线编程的效果正是通过这个模块来验证的。隧着 计算机技术的发展，在p c 的w i n d o w s 平台上可以方便地进行三维图形处理，并以 此为基础完成c a d 、机器入任务规划和动态模拟图形仿真( 2 3 】。一般情况下，用户在 离线编程模块中为作业单元编制任务程序，经编译连接薏生成仿真文件。在仿真 模块中，系统解释控制执行仿真文件的代码，对任务规划和路径规划的结果进行 三维图形动画仿真，模拟整个作业的宪成情况，检查发生碰撞的可能性及机器人 的运动轨迹是否合理，并计算机器入的每个工步的搡俸时闻和整个工作过程的循 环时间，为离线编程结果的可行性提供参考。 3 ) 编程 编程模块一般包括：机器人及设备的作业任务描述( 包括路径点的设定) 、建 立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态 仿真的结栗，对程序做适当的修正，以达到满意效采，最后在线控制机器入运动以 完成作业。 在机器人技术发展初期，较多采用特定的机器人语言进行编程。一般的机器 人语言采用了计算机高级程序语言中的程序控制结构，并根据机器人编程的特点， 通过设计专用的机器人控制语句及外部信号交互语句来控制机器人的运动，从两 增强了机器人作业描述的灵活性【2 4 1 。 面向任务的机器人编程是高度智能化的机器人编程技术的理想目标f 2 5 】 一使用最合适于用户的类自然语言形式描述机器人作业，通过机器人装备的智毙 4 i jj 东大学硕f 学位论文 设施实时获取环境的信息，并进行任务规划和运动规划，最后实现机器人作业的 自动控制【2 6 】。面向对象机器人离线编程系统所定义的机器人编程语言把机器人几 何特性和运动特性封装在一块，并为之提供了通用的接口。基于这种接口，可方便 地与各种对象，包括传感器对象打交道。由于语言能对几何信息直接进行操作且 具有空间推理功能，因此它能方便地实现自动规划和编程。此外，还可以进一步实 现对象化任务级编程语言，这是机器人离线编程技术的又一大提高鲫。 钔传感器 近年来，随着机器人技术的发展，传感器在机器人作业中起着越来越重要的 作用，对传感器的仿真已成为机器人离线编程系统中必不可少的一部分，并且也 是离线编程能够实用化的关键。利用传感器的信息能够减少仿真模型与实际模型 之间的误差，增加系统操作和程序的可靠性，提高编程效率【2 引。对于有传感器驱动 的机器人系统，由于传感器产生的信号会受到多方面因素的干扰( 如光线条件、物 理反射率、物体几何形状以及运动过程的不平衡性等) ，使得基于传感器的运动 不可预测。传感器技术的应用使机器人系统的智能性大大提高，机器人作业任务 已离不开传感器的引导。因此，离线编程系统应能对传感器进行建模，生成传感器 的控制策略，对基于传感器的作业任务进行仿真【2 9 】。 5 ) 后置处理 后置处理的主要任务是把离线编程的源程序编译为机器人控制系统能够识 别的目标程序。即当作业程序的仿真结果完全达到作业的要求后，将该作业程序 转换成目标机器人的控制程序和数据，并通过通信接口下装到目标机器人控制柜， 驱动机器人去完成指定的任务。由于机器人控制柜的多样性，要设计通用的通信 模块比较困难，因此一般采用后置处理将离线编程的最终结果翻译成目标机器人 控制柜可以接受的代码形式，然后实现加工文件的上传及下载【3 0 】。机器人离线编 程中，仿真所需数据与机器人控制柜中的数据是有些不同的。所以离线编程系统 中生成的数据有两套：一套供仿真用：一套供控制柜使用，这些都是由后置处理进 行操作的【3 。 第l 章前胄 曼量曼舅i i i i i ii i i , , i i i i i i i i i i i ii i ii i i i ii i i i i i i i i i i i i 葛量曼曼曼舅爆曼量 l 。3 弧焊机器人离线编程系统研究与应用现状 国外机器人离线编程嚣研究从2 0 世纪7 0 年代开始，并在8 0 年代中期到9 0 年代 中期推出商品化离线编程系统。但都是通用离线编程系统，没有针对弧焊提供方 便、有效的编程方法 3 2 】。从2 0 世纪9 0 年代中期，国外一些大学、研究所针对弧焊 参数制定、机器入与交位视协调焊接等问题对弧焊离线编程与仿真技术进行研 究，并开发出原型系统。随着p c 机c a d 软件的发展，出现了集成在功能强大的 c a d 软件上的离线编程系统，真正做到了c a d c a m 体化。商品化离线编程 系统在弧焊方面进步很大，实现了无碰焊接路径的自动生成、焊缝的自动编程等 功能f 3 3 1 。 1 3 。薹藿井研发的离线编程系统 2 0 世纪8 0 年代中裳，美国n a s a 和r o c k w e l l 国际科学中心合作开发了一套智 能化、自适应的焊接系统，离线编程技术作为系统重要组成部分，用于航天飞机 主发动机的机器人弧焊中。其核心购买了m c a u t o 公司开发图形仿真系统中的 p l a c e 和c o m m a n d 模块。系统的焊接参数保存在数据库中浏。 美国s i m a 公司在仿真与离线编程软件包c i m s t a t i o n 基础上开发扩展版本，用 来进行机器人程序自动优化和机器人与变位机之间的协调运动。系统通过输入焊 接速度、焊条倾角等参数自动规划焊接路径i 3 5 1 。 英 虱l o u g u b o r o u g h 大学g o h 和m i d d l e 开发出枧器人弧焊离线编程工具和焊接 工艺专家系统。w a a p s 主要包括建模、编程、在线编辑和专家数据库管理等四 个模块。该系统的图形功能有限，无碰撞检测功能，无焊接路径规划功能，焊接 参数专家系统开发还不完善阴。 r u b i n o v i t z 和w y s k 提出了机器人弧焊任务级离线编程的思想。通过任务规划 将用户任务转化成机器人级程序。任务规划可以解决：一是焊接顺序的问题，焊 接顺序规划的量标是使焊缝之阆的焊枪移动时间最短，放焉使焊接生产率最大化 并控制热变形；二是从当前焊缝移到下条焊缝的过程中焊枪应走什么样的路径， 考虑如何避免碰撞【3 7 1 。 嚣本大阪大学前嬲仁等人研究了锰务级弧焊机器人嵩线编程系统。研究针对 6 山东大学硕f 学位论文 曼曼曼邑曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼鼍曼曼曼ii i 皇曼曼曼曼皇一 五或六自由度弧焊机器人，解决干涉检查与避免碰撞的问题。还没有研究机器人 和变位机协调情况，也没有在实际焊接中应用 3 8 1 。 加拿大西安大略大学的b u c h a l 等人开发了用于机器人焊接工作站自动编程 系统- a u t o w e l d 。主要研究了工作站的建模、干涉的计算、运动学、自动焊接 参数选择和轨迹规划等技术。但在建模、焊接参数规划上有待改进。并提出配备 实时焊缝跟踪传感系统在实焊中是必需的【3 9 1 。 法国i n s t i t u td es o u d u r e 等单位联合开发机器人焊接( 弧焊) 的离线编程软件 - a c tw e l d 。系统提供人机接口，可从焊接角度完成工件的设计；a c tw e l d 通过自动编程能力产生机器人程序。系统支持典型的参数化装配定义，可结合焊 缝跟踪和自适应传感器，并集成焊接数据库或专家系统。中欧和东欧国家科学与 技术合作计划开发出离线编程项目p r o a r c ，项目旨在为中小企业提供廉价且专 业的离线编程系统。系统采用在a u t o c a d 平台上，基于二次开发工具a r x 开发【柏】， 系统框架如图1 2 所示。系统实现基本的建模和仿真功能，针对焊接应用研究了 焊缝的宏定义、焊接起始点寻找、焊接顺序的柔性改变和焊接工艺数据库等技术。 但工件模型不能过于复杂，模型粗糙，图形功能较差。 国外对焊接离线编程与仿真技术的研究主要体现在智能性和自动化上。 图1 - 2p r o a r c 系统框架4 0 1 7 第l 章前言 1 3 2 国内对离线编程系统的研究现状 南京理工大学首先对m o t o m a ns k 6 单机器人的离线编程与仿真进行了研究， 并对a u t o c a d 和日本软件m r c w o r d 进行二次开发，构建s k 6 机器人模型，实现 机器人本体仿真。二次开发基于a u t o c a d ，研究焊缝几何信息的提取，焊接工艺 参数规划基予知识的推理机制，研究了焊枪姿态规划潍】，离线编程系统总体结构 如图卜3 所示。当时虽然没有形成自主的离线编程系统，但随后便自主开发了i g m 弧焊机器人大型工作站仿真系统，系统基于c s 结构包含o l e 项，通过c o m 接 叠实现焊接工件三维图形及几何拓扑信息的无缝集成。基于面蠢对象的编程自主 开发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系统【4 2 】。但对自动规划技术研究较少，尤其机器人与机 架的协调运动规划技术。 图1 - 3 离线编程系统总体结构图f 4 2 j 北京工业大学在v c 开发平台上皇主开发一套离线编程与仿真系统，应用 o p g l 图形语言开发几何建模模块，实现从c a d 模型中提取焊缝几何信息；焊接 任务规划通过人机交互的方式进行；焊接参数由焊接参数数据库提供；焊接路径 优化考虑到焊缝姿态和焊枪姿态，及对焊缝过渡段姿态和速度圆滑处理 4 3 1 。系统 主要从易用性和实用性角度出发，缺乏对自动规划技术研究，图形建模功能仍较 弱。然后该校又在s o l i d e d g e 平台上，进行二次开发，研究图形仿真、碰撞检测、 图形示教、程序下载等技术，但系统还很篙单 4 4 1 。 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。 系统三维几何建模基于o p e n g l - - 维图形功能，研究了机器人运动轨迹的自动规 山东人学硕f 学位论文 划和编程并实现了图形化动态仿真。对单道焊采用交互式三维虚拟示教，对多层 多道焊提出“宏 编程技术。系统侧重于建模、仿真、规划方面的研究【4 5 1 。 哈尔滨工业大学综合应用焊接结构特征建模、焊接工艺规划和运动规划技 术，在高性能p c 机和a u t o c a d 2 0 0 0 平台上，运用开发工具o b j e c t a r x 进行二次开 发实现机器人弧焊任务级离线编程。从功能角度提出机器人弧焊执行级离线编程 系统的总体结构，包括建模、路径、编程、程序转换与碰撞检测等功能闱。当时 系统任务级的功能较弱，适用的工作单元比较少，算法只适用某九自由度弧焊机 器人系统。任务级语言转换为执行级程序才能进行编辑，使用不方便。目前该校 又选择s o l i d w o r k s 作为新运行平台，在高档p c 机上，采用其二次开发工具以及 c o m 和a t l 等编程技术，从实用化角度出发，研制成功了一个功能较全的机器 人弧焊离线编程系统。系统组成逻辑框图如图卜4 所示。提出了既可以描述焊接 路径又具有机器人运动学意义上的性质的双义标签点的概念，采取基于板特征和 接头特征的建模机制，研究了弧焊中机器人放置规划，并且实现多机器人的运动 与仿真。但在实用化方面研究较少 4 7 1 。 图1 4 系统组成逻辑框刚4 7 】 9 第1 章前言 1 3 3 国外商品化的离线编程系统 国外商燕化离线编程软件都是朝着智能化方向发展。表l 。l 为匡矮主要的商 品化机器人离线编程与仿真系统【4 8 l 。国外商品化离线编程系统都提供了如下基本 功能：几何建模功能、基本模型库、运动学建模功能、工作单元布局功能、路径 功能、自动编程功能、多视协调编程与仿真功能。两科研所开发的系统一般都不 具备多机协调编程与仿真功能。 表卜1 为国外主要的商品化机器人离线编程与仿真系统 软侔包开发公司或研究机构 r o b e x 德国弧琛工业大学 p l a c e美国m c a u t o 公司 r o b o t - s m美国c a l m a 公司 r o b o g r a p h i x 美 c o m p u t e rv i s i o n 公司 i g r 美国d e n e b 公司 r o b c a d c i m s t a t i o n美国s l 璩俄公司 w o r k s p a c e 美 r o b o ts i m u l a t i o n s 公司 从应用看，商品化的离线编程系统都有较强的图形功能，并且有很好编程功 能，针对焊接有专门的点焊、弧焊模块。机器入和变位机具有协调运动功能，并 针对弧焊特点，系统可以快捷地生成焊接路径，并可自动计算船形焊等不同焊接 姿态时变位机的关节角大小，对于焊接参数一般采取用户编辑文件的方式，焊接 参数保存在文件中，用户可以查看、修改，但也有的系统实现了焊接参数的自动 规划，如w o r k s p a c e ，并具有和商用机器人的专用接墨。 目前商品化的离线编程软件都采用提供机器人库的方式建立仿真工作单元， 机器人模型的杆件参数都是由机器入厂商提供，同实际的机器人模型也不匹配。 而现有的离线编程系统的c a d 模型采用c s g 和b r e p ，作为实体的两种主要表达 方法，数据结构则大都采用以翼边结构为主的表示方法。这两种方法生成的图形 都是由若干三角面片构成，这种图形对于运动仿真来说没有问题，但如果实际工 件是蠢复杂越面构成，雳这种简单豹图形编稷结构可链会存在闻题。针对复杂模 l o 山东大学硕l j 学化论文 型问题，离线编程系统提供了图形接口，用户可以导入f l j c a t i a 或p r o e 等生成的模 型。 针对仿真模型与实际工件不匹配问题，商品化离线编程系统都提供标定模 块：p l a c e 、w o r k s p a c e 、i g r i p 、r o b c a d ，尽管这些软件中的标定功能模块 叫法不同，有的q c a l i b r a t i o n ，有的i 】q a d j u s t ，但都能完成标定和误差补偿功能， 用户把用各种测量手段得到的数据按照不同软件要求的格式输入到离线编程系 统中，标定算法由系统提供。 目前流行的商品化离线编程软件大都采取自主开发底层建模模块和在现有 建模核- l , a c i s 上开发的方式。目前的c a d 软件已将c 删a p p c 僦a m p d m 等功能集成于一身，用户可以从焊接角度完成产品的设计，这样为离线编程系统 提供了必要的焊缝信息、工艺信息等。因此基于c a d 平台的离线编程系统比较符 合c a d c a m 系统发展方向。 1 3 4 机器人公司开发的离线编程系统及其应用 a b b 机器人公司开发的r o b o t s t u d i o 系统是基于w i n d o w s 操作系统的，用户操 作方便。系统中控制图形机器人动作的运动模块和算法采用了实际机器人控制器 中的控制算法，所以图形仿真结果和实际机器人运行结果完全一致，离线编程器 中采用了a b b 机器人的r a p i d 语言，所以系统可作为机器人操作人员的训练平 台，提高操作人员编程水平。系统为了实现高质量的图形效果，可以导入c a t i a 文件格式的模型。深圳富士康公司购买了a b b 离线编程软件，离线编程结果和实 际焊缝的偏差通过示教盒实时调整。 m o t o m a n 机器人公司提供的m o t o s i m 离线编程系统也是基于w i n d o w s 操作系 统，用户操作方便。系统集成了所有型号的m o t o m a n 机器人、变位机和各种周边 辅助设备的图形模型。m o t o s i m 本身没有标定模块，如果离线编程的程序想下载 给机器人执行，则必须安装另一个m o t o c a l 软件，软件提供了标定m o t o m a n 机器 人的方法，如图1 5 所示，离线编程的程序通过软件m o t o f i l i t e r 模块的“过滤”之 后，就相当于修正了杆件参数造成的误差，但软件中没有解决工具标定、零位标 定、工件标定等实际应用中需要标定的标定问题。 第1 章前蒡 图1 5 软件包使用的视器人秆件标定方法秘玎 m o t o m a n 公司的这套离线编程系统主要在日本等国家应用予喷漆和点焊。日 本丰田汽车公司用其离线编程弧焊功能，因为整个生产线不允许在上新品时停下 来很长时间用于机器入示教编程，所| 以离线编程可能起个预编程作用，编制好程 序恁，在实际焊接时，部分点的焊接姿态和焊接参数进行局部调整，缩短编程时 间。 f u n a c 欧洲机器人公司和以色列的c o m p u c r a t t 合作开发 j f u n a e w o r k s 离线 编程软彳牛，在s o l i d w o r k s ：i z 台上开发，利用t c o m p u c r a i l 公司的r o b o t w o r k s 产 品技术。 德国c l o o s 机器入提供的离线编程系统在使用时，不需要标定机器人的杆 件参数，由机器入的绝对位置精度来保证，每台概器人绝对位置精度都可达到 l m m 左右，所以仿真环境下机器人模型和实际机器人模型误差可以忽略不计，机 器人和变位机模型由仿真系统提供，这样保证设备的公称尺寸一致。但是系统即 使对工件搽定惹在承瓢z 三个方向上仍存在位置偏差，敏提供相应补偿手段。 c l o o s 机器人附加接触觉传感器，可以在编程中通过碰撞路径“摸出工件在瓢 y 、压个方向实际位置，但是对ky 、z - - 个方向的姿态偏差无能为力。c l o o s 机器入还提供了三种焊缝跟踪传感器供用户选择同离线编程系统结合使用：电弧 跟踪传感器、气嘴传感器、激光跟踪传感器。沈阳鼓风机厂应用了该离线编程系 统。 机器入公司开发的离线编程系统具有量身定制的特点，机器入模型只限所产 1 2 山东人学硕l j 学位论文 机器人模型，编程语言也是采用所产机器人的编程语言，好处是可以保证运动学 控制算法和实际机器人的控制算法相同。机器人公司开发的离线编程系统主要从 焊接路径角度考虑，从工艺角度讲，焊接过程复杂，影响因素多，离线编程生成 参数不大可用，对于焊接参数设置没有离线编程系统能给出好的解决措施，离线 编程系统应用中只能通过焊接工艺试验获取实际焊接工件所需要的焊接参数。 1 4 弧焊离线编程与仿真核心技术 1 4 1 支持c a m 的c a d 技术 在传统的c a d 系统中，几何模型主要用来显示图形。而对于c a d c a m 集成 化系统，几何模型更要为后续的加工生产提供信息，支持c a m 。对于弧焊离线 编程系统，不仅要得到工件的几何模型，还要得到工件的加工制造信息( 如焊缝 位姿、形态、板厚、坡口等) 。通过实体模型只能得到工件的几何要素，不能得 到加工信息，而从实体几何信息中往往不能正确或根本无法提取加工信息，因此 无法实现离线编程对焊接工艺和焊接机器人路径的推理和求解。这同其它 c a d c a m 系统面临的问题是一样的，因此必须从工件设计上进行特征建模。焊 接特征为后续的规划、编程提供了必要的信息，如果没有焊接特征建模技术支持， 后续的规划、编程就失去了根基，另外焊接特征建模的实现是同实体建模平台紧 密联系在一起的。目前在c a d c a m 领域，为解决c a d c a m 信息集成的问题， 对特征建模技术的研究主要包括以下两类：自动特征识别及基于特征的设计。在 弧焊离线编程系统中，焊接工件的特征模型需要为后续的焊接参数规划、焊接路 径规划等提供充分的设计数据和加工信息，所以特征是否全面准确地定义与组 织，就成了直接影响后继程序使用的重要问题。国内对焊接工件特征建模技术的 研究主要应用装配建模的理论，通过装配关系组建焊接结构。哈尔滨工业大学以 s o l i d w o r k s 为平台开发了焊接特征建模系统，具有操作简单、功能强大、开放性 好的特点。并根据焊接接头设计要求及离线编程系统的需要，对焊接特征重新分 类，采用特征方法对焊接接头特征进行组织，并给出了焊接特征建模系统的系统 结构。系统实现了焊缝的几何造型，有效地提取了焊接特征，为后面焊接无碰路 径规划及焊接参数规划提供了丰富的信息【4 9 1 。 第1 章前言 蔓。i i , , i i i i i i , =i = ! , ,iiiiiiiiii,iiiiii,!i,i,ii , i ii ! ! , , i ! , , s 鼍量 1 4 。2 自动编程技术 自动编程技术，就是弧焊离线编程系统采雳锰务级语言编程，鞠允许使用者 对工作任务要求到达的目标直接下命令，不需要规定机器人所做的每个动作的 细节。编程者只需告诉编程器“焊什么( 任务) ，而自动编程