（机械工程专业论文）三维模型驱动的机器人离线自动编程型材切割系统.pdf

摘要 型材在大型桁架结构中得到广泛应用，本文结合型材加工设备的现有形式特 点以及机器人编程的发展方向，以标准a b b 工业机器人与图形化离线编程技术 为基础，开发了一种新型型材加工系统，对其中的关键问题进行了研究，取得成 果如下： 1 为便于切割轨迹的提取，对型材构件三维设计制订了约束规则，同时对三维 模型i g e s 数据文件格式进行了分析，并对i g e s 文件中的直线、转换矩阵 和圆弧信息进行提取，根据所提取实体信息、构件三维模型特征以及型材构 件切割工艺，最终完成切割路径生成。 2 对型材切割系统进行总体设计，包括机械结构与控制系统组成，详细阐述控 制系统所具备功能、组成部分及软件开发流程，并设计控制系统操作界面， 同时对控制系统中结构光检测部分的测量原理及误差补偿方式进行了说明。 3 对控制软件中程序自动生成部分进行结构设计，并对机器人r a p i d 语言中 有关数据类型与函数及路径程序整体结构进行简答介绍，以路径程序结构与 程序加载特点为基础，提出了所需路径程序最终程序样式。对模型空问设计 坐标系与加工工件坐标系之间转换、机器人目标点参数计算及运动指令参数 确定进行研究，最终实现r a p i d 程序自动生成。 4 在软件r o b o t s t u d i o 中创建仿真环境，对所生成的程序进行加载测试，通过 对程序路径进行规划调整，最终生成实际加工中合理的路径运行程序，验证 了所生成程序的有效性。 关键词：型材切割，三维模型驱动，机器人离线编程，切割路径 a bs t r a c t p r o f i l ei sp o p u l a r l yu s e di nt h eb u i l d i n go fl a r g e - s i z e df r a m es t r u c t u r e s w i t ht h e c h a r a c t e r so fp r o f i l e s c u t t i n gs y s t e m a n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fr o b o t p r o g r a m m i n g ，w ed e s i g nan e w k i n do fc u t t i n gs y s t e mw i t hs t a n d a r di n d u s t r i a la b b r o b o ta n dg r a p h i c a lo f f - l i n ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g ya st h ef o u n d a t i o n t h ek e yt o t h es y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da s f o l l o w ： 1 w i t ht h ep u r p o s eo fc u t t i n gp a t he x t r a i o n ，w em a k ec o n s t r a i n tr u l e sf o r3 - d d e s i g no fc o m p o n e n t s m o r e o v e r ，t h ee x t r a c t i o np r o c e s so fl i n e ，a n dt r a n s i t i o n m a t r i x ，a n dc i r c u l a ra r ci sr e s e a r c h e db a s e do nt h ea n a l y s i so fi g e sf i l ef o r m a t a c c o r d i n gt ot h ee x t r a c t e de n t r i t ya n df e a t u r e so fc o m p o n t e n t3 - dm o d e la n d ： c u t t i n g p r o c e s s ，c u t t i n gp a t hi sg e n e r a t e da n dp l a n n e d 2 w ec a r r yo ne n t i r ed e s i g no fc u t t i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n d c o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mf u n c t i o n sa n de l e m e n t ，a n d c o n t r o ls o f t w a r e d e v e l o p m e n tp r o c e s sa r ee x p l i c i t l ys t a t e d ，a n dt h eh m ii sd e s i g n e d m o r e o v e r ， t h es t r u c t u r e dl i g h tt e s t i n ga n de r r o r sc o m p e n s a t i n gi si n t r o d u c e d 3 t h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i cp r o g r a m m i n gi sd e s i g n e d ，a n dd a t at y p ea n df u n c t i o n s o fr o b o tr a p i dl a n g u a g ea r eb r i f e l yi n t r o d u c e d w i t ht h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r s o fr o b o tp r o g r a ms t r u c t u r ea n dl o a d i n ga sf o u n d a t i o n ，t h es t y l eo fc u t t i n gp a t h p r o g r a mi sp r e s e n t e d t h et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nd e s i g nc o o r d i n a t es y s t e ma n d r o b o t w o r k p i e c e c o o r d i n a t es y s t e m ，a n dc a l c u l a t i o no fr o b o tt a r g e tp o i m p a r a m e t e r ，a n dd e t e r m i n a t i o no fm o t i o ni n s t r u c t i o n sp a r a m e t e r i sr e s e a r c h e d 4 w ec r e a ts i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti nr o b o t s t u d i oi no r d e rt ol o a da n dt e s tt h e p r o g r a ma u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e d t h r o u g ht h ep l a n n i n ga n da d j u s t i n g ，t h ec u t t i n g p a t hp r o g r a mc a n b eu s e di nt h ep r a c t i a ls e c t i o n - b a rc u t t i n g ，a n dt h ee f f e c t i v e n e s s o fp r o g r a ma u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e di sv e r i f i e d k e yw o r d s ：p r o f i l ec u t t i n g ，3 - dm o d e l sd r i v i n g ，r o b o to f f - l i n ep r o g r a m i n g ， c u t t i n gp a t h i i 第一章绪 论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 自从1 9 6 2 年美国研制出第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品快速 发展，已经成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统等现代化制造 系统的主要组成部分【1 1 。工业机器人广泛应用于机械、汽车、航天、造船等行业， 机器人的应用和研究水平已经成为一个国家工业自动化水平的重要标志。 工业机器人是一种可编程装置，必须对其编程才可完成作业任务，机器人编 程技术的高低很大程度上决定了其功能实现的灵活性与智能性。随着机器人的广 泛应用，对机器人编程技术研究也在不断发展，特别是工业机器人编程研究。 工业机器人使用范围不断扩大，其所要完成任务的复杂程度也在不断增加，在 实际应用中对机器人工作效率和精度要求也在不断提高，因此工业机器人编程 技术已经成为机器人在实际应用中的关键问题【2 j 。 在工业机器人使用中，主要的编程方式为示教编程和离线编程。示教编程 在机器人编程历史上占有非常重要的地位，是机器人发展初期主要编程方式。 随着计算机图形技术的发展，示教编程也在不断进步，除了传统的在线示教编 程方式外，还出现了离线示教编程和虚拟示教编型孓4 】。示教编程实现简单易于 操作，但有其显而易见的缺点，对于复杂的编程任务，特别是对于不规则曲线 路径或者生产任务简单但经常改变，这种作业任务用示教编程实现较繁琐，甚 至于不可能用示教编程方式实现。与示教编程相比，离线编程可以简化机器人编 程进程，提高编程效率，可方便实现机器人程序修改和优化，使机器人灵活性 更加明显，当工件加工类型较多且经常改变时，可轻易实现机器人任务转换。 基于图形的机器人离线自动编程作为当今机器人编程技术研究中非常活跃 的一个方向，受到越来越多的关注。图形驱动自动编程的核心部分为根据构件 的设计模型数据和构件加工工艺，自动生成机器人加工程序。这种新型技术不 再把计算机辅助设计和制造严格地集成在一起，而在设计软件和离线程序生成 系统之间采用一种中间的数据文件，即设计完成后由设计软件自动生成一种数 据文件，再由机器人离线编程系统软件进行读取，进而可生成机器人可执行程 序。采取这种方式，即可实现c a d c a p p c a m 的融合，又将设计和加工工作 进行了区分，设计人员只需关注设计并了解其加工基本方式，不必考虑其具体 第一章绪论 加工步骤。这种系统一般较小，开发周期短，根据加工工艺或机器人使用类型， 可进行灵活调整与维护。 型材被广泛的应用于各种建筑领域，特别是大型桁架结构建造中，如石油钻 井平台、桥梁、大型体育及娱乐设施等，如图1 1 所示。在搭建桁架结构之前， 须将型材切割出合适的拼接端头，如焊接坡口、工艺孔等。在实际建造中，型材 的切割效率与加工精度直接影响工程的进展及最终性能。有关型材的切割装备， 国内外很多都有较多研究。目前切割装备，就切割方式而言，依然以火焰切割 为主t 5 1 ，利用割炬的作业运动切割出所需端头。现在市场上型材切割装备存在 的问题主要包括：型材自动加工程度较低，复杂坡口与形状依然依靠划线标记 与人工切割的方式；型材端头设计与切割加工之间连接度较差，难以实现计算 机辅助设计与辅助加工之间的融合：自动化程度较高的切割系统，开发与维护 困难。 图1 1 型材在大型桁架结构中应用 如何实现型材端头设计、切割工艺、实际切割过程之间的衔接，即实现 c a d c a p p c a m 在型材加工中的融合，是提高型材自动化加工程度的关键技 术。本文结合工业机器人离线编程技术发展与型材切割设备的功能要求，提出 一种以成熟工业机器人为基础的新型切割系统。本系统以a b b 公司i r b l 4 1 0 型 机器人作为切割设备主体部分，自主研发型材上料、下料、定位夹紧等外围设 备，且系统采用构件三维模型驱动的方式进行程序生成，即由构件三维模型数 据文件可直接生成机器人运行程序。为提高系统对三维模型识别能力，在系统 中添加了结构光检测机构。开发本系统主要研究内容为型材切割系统的整体结 构，三维模型数据文件存储及分析，基于三维模型的程序切割路径提取程序实 现，误差矫正，程序自动生成与机器人加工程序仿真运行等。 此型材切割系统的研发，提高了型材加工的自动化水平，增强了大型钢结 构在c a d c a p p c a m 集成程度。利用机器人柔性特点，可自由出入切割区域， 能够高效率、高质量完成型材较复杂坡口的切割，解决了型材切割系统中存在 2 第一章绪 论 的效率较低、稳定性差或参数设置与操作较繁琐等问题。所添加的结构光检测 设备与误差补偿功能，大大提高了型材切割设备的加工精度。 现有的读取图形文件设计信息进行机器人自动编程，只是针对基于一个二 维平面进行的加工，无法实现三维模型各平面中的加工。此系统通过读取三维 模型数据文件，根据工件的类型和加工特征，提取工件的加工轨迹，自动生成 机器人加工程序。解决了机器人基于三维空问的图形化编程，即设计人员在设 计时可直接设计三维构件模型，不必拘泥于二维设计或进行再次转化。 本系统开发方式，为设计与制造集成类软件系统开发提供了一种新的思路 和开发模式。如今市场主流的计算机辅助设计软件种类虽然不多，但其各有其 特点，使用方法也不尽相同。作为自动化加工的终端，其设备各种各样，包括 各种g 代码编程的数控机床，各种类型的加工机器人以及一些企业和研究院所 自主开发的自动化编程设备。如何连接各种设计软件与加工制造设备，如何实 现不同设计软件，不同加工设备之间的集成，对此本文提出了一种新的设计与 制造集成系统开发思想。如图1 2 所示，在不同设计软件完成设计后，统一的存 储为同一种数据格式，自动编程软件系统读取数据文件，并在文件中提取加工 所需的数据信息。按照数据信息及所设计零件加工工艺，结合设备的编程语言 及编程方式，即可自动生成零件在此设备的加工程序。这种开发模式，开发周 期短，系统简单，并且便于二次开发，只需改变软件系统中加工工艺及数据提 取部分，即可添加新的设计种类。 图1 - 2 不同设计软件与不同加工设备间信息连接 第一章绪论 系统以构件设计三维模型的数据文件为输入，机器人加工程序为输出，并 以加工程序控制机器人最终完成加工过程。对此系统的研究具有很高的理论意 义与工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 型材切割加工设备 对于型材切割设备，国内外均有研究。美国f m c 公司的b b s w 系列型材加 工设备，如图1 3 左图所示，采用机械切割方式，运用p l c 控制锯条的上下与 倾斜运动。同时其具有锯条保护装置，激光定位装置。能够切割坡口和一定类型 的端头构件，但对圆弧和较复杂构件形状，无法进行切割，型材加工灵活性与开 放性不够。美国a m t e k 公司设计的型材加工设备也能切割数种端头类型。 图1 - 3 美国f m c 公司与a m t e k 公司型材加工设备 日本大东精机株式会社公司生产的型材切割机c s d d n f 系列，如图1 4 所 示，可实现对型材的切割与钻孔同时加工，且自动化程度较高，只需一人即可实 现全部操作。 上海建设焊割机具厂自主研发的c g l 2 型材切割机，如图1 5 左图所示，它 专用于切割h 型钢、槽钢等，可进行斜线切割、开坡口等加工，其结构紧凑、 装拆方便，同样是不便于圆弧与较复杂轨迹切割。2 0 0 9 年，天津大学为青岛海 洋石油工程公司开发一种h 型材自动切割设备1 6 】，如图1 4 右图所示，此设备采 用多关节式结构，可实现三把割炬对型材端头同时切割，且能够在翼板和腹板上 切割任意角度坡口，效率与精度均较高，但控制系统过于庞大，系统开发与维护 较困难。广东海洋大学对于h 型材切割设备，也做过类似研究 7 - 8 1 。 4 第一章绪论 图1 4 日本大东精机株式会社c s d d n f 系列 图1 - 5c g l 2 型材切割机与天津大学三割炬h 型材自动切割设备 1 2 2 机器人编程技术及发展方向 经过多年研究，离线编程方面取得了一些成果，出现了一些非常优秀的离线 编程软件，如美国t e c n o m a t i x 公司的r o b c a d 9 。1 u j ，r o b o t s i m u l a t i o n 公司的 w 6 r k s p a c e 1 1 1 2 】，d e n e br o b o t i c s 公司的i g r i p 软件【1 3 - m 】以及a b b 公司最近推出 的r o b o ts t u d i o 1 5 】，这些软件均可实现机器人建模与离线编程程序仿真，但缺乏 对工件加工工艺的支持，对设计模型自动识别能力较差，自动能力编程能力不足。 近年来，在离线编程方向研究中，除了对离线编程环境的开发，在程序生成 方式上也有了较大进步，特别是在自动编程的能力上有较大提高，如基于图形的 机器人离线编程出现。上海自动化研究所开发出一种图形化编程双臂移动机器人 【1 6 】，用户通过图形编程界面对机器人编程和任务规划，在三维仿真环境中预览和 第一章绪论 分析规划结果，最后将优化程序下载到真实机器人中进行控制。通过构建图形化 语言分析器及翻译器，以事件驱动为基础的机器人图形化编程方式【1 ，这种编程 方式较好的解释了机器人实现图形化编程系统的基本原理，能够做到对外部事件 的实时响应。 对于图形驱动自动编程系统，国内外也有较多的研究，通过读取设计文件， 结合加工工艺直接生成加工程序，实现c a d c a p p c a m 的结合，但大部分研究 只是针对于二维设计与数控加工机床而言，通过提取二维设计中图形信息，实现 平面内数控加工程序生成i l8 。2 2 j 。 为提高机器人离线编程能力，同时也为了使机器人的加工作业与构件的设 计、加工工艺结合起来，对图形驱动机器人离线编程与图形驱动自动编程技术进 行交叉研究，出现了一种以图形驱动为基础的机器人离线自动编程技术。 对于这种新型的机器人离线编程方式，已经有一些研究机构在做，并且已经 有一定成果。浙江大学机械工程学院对工业机器人切削加工离线编程做过一些研 究，在了解机器人机构运动学特性与离线自动编程原理基础上提出一种机器人切 削作业离线编程方法 2 3 - 2 4 】。该方法以c a d c a m 系统生成的刀位源文件为媒介 实现与机器人程序的衔接。通过对刀位文件信息进行分析和处理，获得机器人工 具运动路径，进而自动生成机器人路径控制程序。 对于某些机器人广泛使用的行业，如型材切割，成型焊接等，在现有的 c a d c a m 软件中不能通过加工工艺及刀具设置生成所需要的刀位文件，有些即 使可以生成所需文件，也需要很多繁琐和复杂的设置，因此很难实现零件或构件 模型设计与机器人加工之间的衔接。 首钢莫托曼机器人有限公司为一种离线机器人程序生成方法申请专利【25 1 。这 种方法主要是利用配套开发的离线编程软件，读取待加工工件的图形文件，自动 编程直接生成机器人控制程序。技术方案是利用已有的成熟的三维制图软件构造 工件的几何模型，并在图形中用加工线着色的方式标记m - r 部位，运行离线编程 软件读取图形i g e s 文件生成机器人的控制程序。这种方法最大的特点在于读取 含有加工信息的工件三维图形来直接生成完整的可用于生产加工的机器人作业 程序，但采取这种方式，要求设计人员必须了解工件的具体加工工艺，并在零件 上标记加工路径。 美国德克萨斯州大学h e p i n gc h e n 等人设计了一种根据构件模型与程序数据 库的离线编程方式 2 6 】。根据构件c a d 模型，在程序数据库中查询与之相似的加 工路径点。这种编程方式不仅融合了机器人路径程序、过程参数，还包括了编程 人员的编程经验，所生成程序实用性强。 6 第一章绪论 1 3 课题研究内容 本课题以型材切割加工设备中存在的问题为契机，设计了一种新的型材切割 系统。在图形驱动与自动编程的基础上设计了一种机器人离线自动编程方式，并 在此型材切割系统中进行了运用。 全文内容编排如下： 第一章阐述机器人编程领域与型材切割领域的研究背景，综述国内外在这 两个领域的研究成果以及存在的问题，提出课题研究意义及内容。 第二章为实现图形驱动机器人程序生成，制订三维模型构件设计规则与标 准，简单分析i g e s 三维数据文件的格式与实体信息提取，进而对型材切割过程 中的路径点提取方式及程序实现做详细介绍。 第三章结合型材的加工特点，设计型材自动切割系统整体结构组成，包括 生产线大体机械结构与控制系统组成。利用结构光检测对型材加工时误差进行补 偿，并提出具体补偿方式。 第四章分析机器人编程语言及机器人的实际切割加工程序，提出机器人程 序自动生成具体流程，着重解决程序生成过程中机器人坐标标定，目标点参数计 算，程序自动生成的程序实现等关键问题。 第五章简单介绍机器人仿真软件r o b o t s t u d i o ，在软件中建立虚拟生产线， 对生成程序进行仿真运行，并利用软件中优化工具对路径点进行修正，生成最终 运行程序，验证所生成程序的可行性，阐述了p c 机与机器人控制器通信方式与 具体设置，为机器人实际运行基础。 第六章课题的结论与展望。 7 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 2 1 引言 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 通过对设计行为进行标准约束的方式实现型材切割中构件设计与制造的快 速集成。分析了加工路径提取流程与标准化约束的具体操作，在分析设计模型 i g e s 数据文件的结构基础上，实现圆弧和直线信息提取，结合构件模型特征、 切割工艺及参数最终生成切割路径。 2 2 构件设计标准 根据构件的类型及三维模型特征，提取加工路径，具体流程如图2 1 所示。 设计人员把所设计的构件存储为一种通用格式，即i g e s 数据文件。通过对i g e s 数据文件进行读取，分析构件类型，根据构件三维模型特征进行坐标点信息提取， 结合具体切割工艺，获得切割路径相关数据信息。 图2 - 1 基于构件三维模型切割轨迹提取过程 由于构件的设计与制造是完全分离的，设计人员和加工人员只对本职责范围 内的任务进行负责。在对数据文件进行数据分析和提取时，如果不了解构件三维 模型的加工类型和三维构件的设计坐标，就无法正确的根据模型特征进行数据提 取。为使构件的设计和加工有效的结合起来，在设计人员进行构件设计之初，我 们对设计人员设计行为提出一些约束标准，主要包括设计构件存储为数据文件时 的命名以及构件三维模型设计时的设计坐标。为使设计与加工的顺利进行，必须 将这些限制和要求进行标准化，因此根据各种切割类型编制了详细的切割加工类 8 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 型表，以供设计人员使用，如表2 1 所示为两种型材切割构件设计时具体约束。 表2 - 1 型材设计类型表 在编制切割类型标准表时，以型材类型进行一级分类，如规定h 型钢为h 类，槽钢为c 类等，一级分类下根据构件的具体形状特征进行二级分类，分类 规则采用一级分类名称首字母加数字的方式，如表2 1 所示分别为h 1 ，c 1 类， 在论文附录中列示了标准表中部分切割类型。 在对构件设计开始时，首先根据使用的型材类型查阅常用加工类型标准表， 确定构件的具体加工类型。构件设计完毕，将其保存为i g e s 格式数据文件。在 保存命名时，构件名称包括两部分，分别为构件类型信息与设计人员自由添加信 息。具体命名规则如图2 2 所示，“h 2 ”表示构件类型，此信息来源于标准类型 表，“t e s t ”为设计人员自由添加的识别信息，此部分不可含有汉字，且首字符 不可为数字。通过分析设计文件名称，即可得出切割加工方面信息，实现了设计 与制造的连接。 h 2t e s t 设计人员自由添加信息部分，其首字符不可为数字 型材类型，h 2 表示标准类型表中切割类型 图2 2 构件命名规则 设计坐标是指设计人员在进行构件设计时采用的坐标，而机器人进行加工时 以机器人工件坐标为参考，即在将数据提取后还要进行坐标转换，将提取数据转 变为符合机器人加工所用数据。在坐标转换时，必须明确设计坐标与机器人工件 坐标之间的关系，即机器人程序生成时必须确定构件设计坐标。而在进行数据提 取时，并不能从数据信息中直接得到设计坐标信息。我们也可以采取首先进行数 据提取，然后通过已经提取的数据结合构件的特征得知构件的设计坐标，但采用 9 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 这种方式不利于对程序的维护和扩展，特别是在增加新的切割类型时，增加工作 量，延长了维护周期。为解决此问题，我们在设计人员的设计工作不受影响的情 况下，对构件的设计坐标进行了限制。查阅加工类型标准表，即可确定构件在设 计时的采取的设计坐标系。确定设计坐标系时，对于设计坐标原点与构件相对位 置，不做要求，只需保证在各轴方向上构件三维特征与规定设计坐标系一致，即 所选设计坐标系相对于标准表中坐标系只可平移，不可旋转。 利用标准表的形式，使设计行为约束标准化，既不妨碍设计人员的设计，又 可实现加工所需数据提取。 2 3 三维模型i g e s 格式数据文件存储分析 2 3 1i g e s 数据文件结构 计算机辅助设计( c a d ) 技术在工业界得到广泛应用，越来越多的产品的 设计和管理人员需要把所设计的产品在不同的c a d 系统中交换，以完成产品设 计或制造的过程。不同的c a d 系统使用的图形系统不尽相同，他们表示几何数 据等设计内容的数据格式也不相同，为解决不同设计系统间不能进行产品数据交 换的问题，采用了一种统一中间图形数据格式的方法，即建立一种图形数据的描 述格式作为通用标准，不同的设计系统都可将自己的内部数据结构与通用的图形 数据格式做双向转换【2 7 】。i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 数据 格式即是众多通用数据格式文件中的一种。现在比较常用的通用数据格式，除了 i g e s 格式外，还有d x f 、e s p 、p d e s ，法国的s e t ，德国的v d a i s 、美国的 v d a f s 、i s o 、s t e p 等【2 8 _ 2 9 1 。由于现在使用的主流设计软件中，如s o l i d w o r k s 、 p m e 等，都有i g e s 应用接口，因此在设计完成之后我们采用i g e s 格式数据文 件进行存储。 i g e s 初始图形交换规范是基于c a d & c a m 不同电脑系统之间的通用 a n s i 信息交换标准而定义的。在i g e s 标准中定义了五类元素：曲线和曲面几 何元素、构造实体几何c s g 元素、边界b r e p 实体元素、标注元素和结构元素。 元素类型号1 0 0 到1 9 9 一般保留为几何元素的类型号。 i g e s 文件结构如图2 2 所示，分为五个部分，全局开始段、全局参数段、 目录条目段、参数数据段、结束段，且各段之间信息相关。 1 0 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 图2 2i g e s 文件结构及各段之间信息关系 i g e s 文件是由任意行数组成的顺序文件，每一行8 0 个字符，每行第7 3 个 字符为段标志，分别为s 、g 、d 、p 、t ，分别代表起始段( s t a r ts e c t i o n ) 、全剧 段( g o b a ls e c t i o n ) 、目录段( d i r e c t i o ns e c t i o n ) 、参数段( p a r a m e t e rs e c t i o n ) 和 结束段( t e r m i n a t es e c t i o n ) ，字符后面的数字表示该部分行号。以下为对i g e s 文件各部分简答介绍，作为对数据文件分析的基础。 起始段 p t ci g e sf i l e ：t e s t i g s sl 起始段由文件生成时对文件的一种说明，包含文件名等信息，s 为起始段的 标志，1 为该段的行号，t e s t i g s 为该文件名。 ( 2 ) 全局段 1h ，1h ；，7 h p r t 0 0 0 1 ，8 h t e s t i g s ， g1 4 9 h p r o e n g 玳e e rb yp a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ，7 h 2 0 0 8 2 3 0 3g2 3 8 ，1 5 , 7 h p r t 0 0 0 1 ，1 ，1 , 4 h i n c h ，3 2 7 6 8 ，0 5 ，1 5 h 2 0 1 0 0 9 2 6 1 4 3 4 2 1 ，0 0 2 ，g 3 2 2 5 61 ，3 h s g d ，7 h u n k n o w n ，10 ，0 ，l5 h 2 0l0 0 9 2 6 14 3 4 21 ；g4 代码为g ，该部分主要包含产生文件的软件系统，i g e s 版本号，单位，文 件产生日期与时间，作者等信息。一般占用2 至4 行。 ( 3 ) 目录段 1 1 01 0l10000 0 0 0 0 0 0 0 0 d1 7 1 1 0oo10l i n e1 d1 8 代码为d ，为文件提供一个索引，每个实体都有一个目录条目，由8 个字符 组成一个域，共2 0 个域，每个条目占用两行，每个域的具体意义如表2 - 2 所示。 表2 - 2i g e s 文件目录段 实体类参数数结视变换矩标号显序 线型模式层状态号 型号据构图阵不号 实体类线加权颜参数行计格式保实体标实体下序 保留 型号值色数号留号标号 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 ( 4 ) 参数数据段 i1 0 ，一9 d i ，一5 d i ，0 d 0 ，- 9 d i ，- 2 d i ，0 d 0 ；1 7 p9 11 0 ，一9 d 1 ，- 2 d 1 ，0 d 0 ，- 1 4 d 2 ，一2 d 1 ，0 d 0 ；1 9 p1 0 代码为p ，该段以自由格式，记录与每个实体相连的参数数据，第一个域为 实体类型号，第一个域之后为参数域，各个参数域域之间用逗号隔开，最后一个 参数域后为分号，代表参数域的结束，6 5 到7 2 列为含有本参数所属实体的目录 条目第一行的在目录段排序序号。 ( 5 ) 结束段 s1 g 4 d 1 0 0 p5 0t1 代码为t ，该段位于文件末尾，并且只有一行记录。它被分成1 0 个域，每 个域占用8 列，1 4 域及第1 0 域分别表示各段类型代码及所占行数，如上式结 束段表示开始段s ，占用1 行，全剧段g 占用4 行，目录段d 为1 0 0 行，参数 段p 为5 0 行，结束段t 占用1 行。 2 3 2 直线与圆弧实体信息提取 以i g e s 数据格式为基础，对数据文件前期及后续处理，已经有较多研究， 但大多是以图形转换为目地1 3 0 - 3 2 】，关注模型的整体特征。文件的基本信息成分是 实体，实体分成几何和非几何的。几何实体表示物理形状定义，包括点、曲线、 曲面以及类似结构实体的集合关系。非几何实体通过提供一个可见投影所组合成 平面视图及适于该视图的注释和尺寸标注来丰富这个模型。非几何实体用来提供 一组实体或单个实体特有属性或特征，并提供实体的引例和定义。常用几何实体 类型编号分配如表2 2 所示。 表2 - 2 实体序号与对应类型 实体序号 1 0 01 0 21 0 41 0 81 2 4 实体类型圆弧组合线圆锥曲线平面转换矩阵 型材所有切割轨迹均由直线与圆弧组成，因此在提取切割轨迹时只需对构件 模型中的直线和圆弧数据进行提取，并进行分析即可。与提取直线和圆弧数据信 息有关的实体为直线、圆弧和转换矩阵实体。 直线实体编号为1 1 0 ，如下式所示分别为直线的目录段和参数段。 直线目录段： 1 1 0 1 1 0 9 o 1 o 1000 10 直线参数段： 110 ，一9 d1 ，- 5 d 1 ，o d o ，- 9 d1 ，- 2 d1 ，0 d 0 ； 0 0 0 0 0 0 0 0 0 d17 l i n e1 d 1 8 1 7 p9 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 鞋rr 浆r + 射笔亿1 _ z o v r e ， l ：。 ： ：，0 髟胛wl + i 疋i = l 匕唧u r ( 2 - ) 【- 玛。恐zb s j l z ，尸旧j 【- 正j i u r j 表2 - 3 转换矩阵公式参数在实体参数段中存储位置 序号 1234567891 0l l1 2 数据r l lr 1 2r 1 3乃r 2 1r 2 2r 2 3乃r 3 1r 3 2r 3 3死 圆弧实体编号为1 0 0 ，每个圆弧实体均有一个与之对应的转换矩阵实体，转 换矩阵实体编号为1 2 4 。在圆弧目录段，含有与圆弧相关的转换矩阵指针，如下 式中圆弧目录段第二行中转换矩阵条目参数4 3 ，即表示与圆弧相关转换矩阵位 于文件目录段第4 3 行。 转换矩阵和圆弧目录段 1 2 42 2110000 0 0 0 0 0 0 0 0 d4 3 1 2 4o0l0x f o r m1 d4 4 】0 02 31100 4 30 0 0 0 0 0 0 0 0 d4 5 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 oa r c1 d4 6 转换矩阵和圆弧参数段 12 4 ，0 d 0 ，0 d 0 ，1d o ，1 7 d 2 ，0 d 0 ，1d 0 ，0 d 0 ，8 d1 ，1d 0 ，0 d 0 ，0 d 0 ，3 d 2 ；4 3 p 2 2 10 0 ，0 d 0 ，0 d 0 ，0 d 0 ，3 d1 ，0 d 0 ，3 d1，0d0；45p2 3 圆弧实体在模型空间的表示方式为变换矩阵与定义空间临时坐标，具体信息 如图2 - 3 所示，坐标系d 1 为模型空间，d 2 为定位圆弧的临时空间，与圆弧相关 转换矩阵即从临时坐标系到模型坐标系的转换矩阵。 模型空间是三维欧式空间，所表达的模型存在于这个空间中。模型空问的x 、 】，、z 坐标系是一个右手坐标系，对于模型来说它是固定的。定义空间也是欧式 空间，但有其本身的右手笛卡尔m 、n 、z t 坐标系。与模型空间存在的单个固定 坐标系相比，定义空间坐标系可因实体不同而变化，定义空间坐标系的原点可以 是模型空间中的任意一点，方向相对于模型空间也是任意的。 使用定义空间和转换矩阵表示方法，可方便对包含在单一平面的圆弧实体进 行简化。在模型空间中所有的曲线都是有方向性的，如圆弧的起点和终点。在 1 g e s 中，用于定义圆弧实体的定义空间坐标系是这样选定的，即将圆弧位于和 m ，n 平面重合或平行的平面内，且从z t 的正方向上点往下观察，圆弧从起 点到终点为逆时针方向，可以通过引用对应变换矩阵，将圆弧转换至模型空间的 任意位置。另外，在i g e s 中利用圆弧的起始点和终点重合的方式定义一个整圆。 图2 3 圆弧信息中模型空间与定义空间 在圆弧目录段和参数段表示一段逆时针方向圆弧，其参数段的共7 个参数数 据，依次为z t ，x i ，y 1 ，x 2 ，i 2 ，x 3 ，y 3 。z t 为z 方向圆弧平面平行于定义空 间x - y 平面的位移，( 蜀，k ) 为圆弧中心的横坐标和纵坐标，( 憋，y 2 ) 为起 点的横坐标与纵坐标，( 冠，y 3 ) 为终点的横坐标与纵坐标。 圆弧参数由定义空间临时坐标到模型空间坐标转换公式如下所示， 鞋珧r 1 + 驰 p 2 ， lr 。r ：如l ll + i 正l = l 圪l ( 2 2 ) 【r 。局：b ，jl z 。jl e jl z oj 1 4 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 其中：尺l l ，r 1 2 ，r 1 3 r 3 3 为与圆弧对应转换矩阵的旋转矩阵的参数； 乃，疋，乃为转换矩阵平移向量： 蜀，k ，z i 为圆弧的定义空间临时坐标： x o ，y o ，z o 为圆弧的模型空间的固定坐标； 2 3 3i g e s 数据文件导出 机器人进行切割加工时的轨迹由直线和圆弧组成，而构件的三维模型包含多 种信息，如面、颜色、组合关系等等，因此为去除不必要的信息，在将生成的构 件三维模型存储为i g e s 数据格式时，只对模型的轮廓进行存储。如图2 4 所示， 三维模型数据是基于模型线框边导出，其坐标系采用缺省即选择模型空间坐标进 行数据存储。 _ 矧州一醐瓣冀戮熊鍪?型 一导出 痧l 线准迓j 广曲面 厂实体 广壳 彩基准曲线帮点 厂多面 定制层i 童鉴 i = 兰= 移 坐标系 | i 缺省 l 确定l 取消 l选项| 图2 - 4p r o e 中i g e s 文件导出属性设置 2 4 切割路径及工艺参数 由于切割加工型材类型不同，或是同种类型型材但构件形状不同，因此在进 行加工时，机器人的切割轨迹也不会相同。按照构件分类，在基于实际切割实验 的基础上，为每种切割类型进行机器人切割轨迹规划。如图2 5 所示槽钢加工时， 实线箭头指向为机器人的切割轨迹，另外，在对型材进行实际切割时，还有一部 分必不可少的路径，即图中带箭头虚线所示辅助路径轨迹，因此此构件加工时机 器人具体路径为1 2 3 4 5 671 ，其中点1 为机器人准备切割时停止点，运行轨 迹1 2 3 ，切割工具到达切割起始点，并调整工具姿态。切割完毕后，返回准备 点并复位姿态。切割轨迹由构件的三维模型特征决定，而辅助轨迹则由切割轨迹 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 与机器人作业位置共同决定的。 2 图2 5 槽钢加工时切割路径与辅助路径 不同类型构件不仅具有不同的切割路径，其加工工艺参数也有所不同。型材 切割加工所设计具体参数种类及具体意义如表2 - 4 所示。切割速度、辅助路径速 度、起火点延时时间参数均可由实际实验测试得出，且这些参数在程序生成时即 可自动调用，也可进行手动修改。 表2 - 4 参数类型及具体意义 切割速度 切割路径中割炬运行速度 辅助路径速度辅助路径中割炬运行速度 在起始切割点应当预热一段时间后再接通氧 起火点预热延时时间 气 切割完一侧端头，机器人整体移动至下一切 进给速度 割位置移动速度 型材位置坐标 切割前部端头时型材所在位置 2 5 切割路径点提取 分析了i g e s 文件结构及直线和圆弧实体数据，就可以较方便的采用c 或 c + + 语言函数对文件进行分析。数据提取包括两种类型，分别为直线数据和圆弧 数据，其中圆弧数据包括圆弧实体与转换矩阵实体。圆弧和直线数据提取完毕后， 将实体中所有轮廓坐标点组成一个集合，在这些点的集合中，根据不同构件类型 三维模型特征，提取切割路径。 为获得文件中直线和圆弧信息，在程序中定义了以下变量和函数，用于分析 数据文件和存储所提取的路径信息。 s t r u c tp o i n t f l o a tx ；f l o a ty ；f l o a tz ；) ；定义点结构体，对点坐标信息进行描述。 第二章基于构件三维模型特征的切割路径提取 s t r u c tl r a n s l a t e f o a ta x ；f l o a ta y ；f l o a ta z ；f l o a tp x ； f l o a tb x ；f l o a tb y ；f o a tb z ；f l o a tp y ； f l o a tc x ；f l o a tc y ；f l o a tc z ；f l o a tp z ；) ；矩阵结构体，提取圆弧信息时，应保存其 对应的转换矩阵信息，以便圆弧坐标点数据从定义空间到模型空间计算。 c l a s sl i n e 直线类 p u b l i c ： p o i n ts p o i n t ；n 起点 p o i n te p o i n t ；h 终点 i n l i n e v o i dg e t l i n e _ p a r ( c h a r * b u f f ) ；由参数段获取直线起始点和终止点坐标 i n l i n ei n tc h a rt o f ( c h a r * b u f f , f l o a t & a ) ；字符串类型转换为数据类型 ) ； c l a s sc i r c u l a ra r c 圆弧类 p u b l i c ： p o i n tc _ p o i n t ；p o i n ts _ p o i n t ；p o i n te _ p o i n t ； 心、起点与终点 p o i n t hp o i n t ；h 圆弧中间点，如果圆弧为整圆，进行计算赋值，否则赋值为0 p o i n th i _ p o i n t ；p o i n th 2 _ _ p o i n t ； i n tf l a g _ c i r c l e a r c ；整圆标志 i n l i n e v o i dg e t a r c _ p a r ( c h a r * a r c b u f f , c h a r * t r b u f o ；h 获取圆弧参数 i n l i n ei n tc h a r &a)；字符串类型转换为数据类型tof(char*buff,float ) ； 获取直线和圆弧坐标点信息流程如图2 7 所示，i g e s 数据文件中信息均为 轮廓信息，数据文件一般占用内存较少，因此为方便对