（机械电子工程专业论文）基于roboguide的弧焊机器人离线编程系统的研究.pdf

天津工业大学硕士论文 摘要 弧焊机器人离线编程及仿真系统在工业机器人领域和焊接领域正在迅速发 展，已成为离线编程技术向智能化发展的关键技术之一。同时焊接过程控制是机 器人焊接技术发展不可回避的关键技术之一 本文提出了工件坐标系三点标定方法，从机器人控制柜获取实际工件上的三 个特殊点位置，以此计算出工件坐标系相对于机器人世界坐标系的位置变化量， 为工件模型的建立提供可靠数据依据。引用f a n u c 公司的工具坐标系六点标定 方法，标定出工具坐标系相对于机器人末端坐标系的位姿变化。 通过二次开发a u t o c a d 参数化设计马鞍型焊缝曲线工件的三维模型。依 此可以对不同尺寸，不同形状的马鞍型焊缝曲线进行设计。 给出了焊缝倾角和焊缝转角的广义定义，提出建立焊缝特征坐标系的方法。 将焊缝特征坐标系的x 轴作为焊缝的轴线，将z 轴作为焊缝的中心线，z 轴即 为仿真环境下的焊枪的轴线。依据仿真软件r o b o g u i d e 的特点，设计出机器 人仿真所需数据的转换方法，焊接路径自动生成方法，以及将仿真焊缝路径转成 实际t p 程序的方法。 应用离线仿真软件r o b o g u i d e 完成马鞍型焊缝曲线焊接过程的仿真，将 仿真路径转换成实际t i ，程序，并输入到机器人控制柜，完成马鞍型焊缝焊接过 程的离线编程及仿真，运行邪程序完成马鞍型焊缝的实际焊接。 将p c 机编程与机器人示教盒编程相结合，交叉运行，实现对机器人焊接过 程中焊枪位姿、焊机送丝速度( w f s ) 、焊接速度等焊接参数的控制。基本上实 现了弧焊机器人焊接过程控制参数的实时修正。 这些方法和关键技术的研究为弧焊机器入离线编程及仿真系统的研究和开 发及机器人焊接过程质量控制的实现奠定了基础。 关键词：弧焊机器人；离线编程；机器人标定；焊缝特征坐标系；实时控制 天津工业大学硕士论文 a b s t r a c t o f f - l i n ep r o g r a m m i n ga n ds i m u l a t i o ns y s t e mh a v ea l r e a d yb e e nd e v e l o p i n g r a p i d l yi nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lr o b o ta n dw e l d i n g , a n dh a sb o c o m eo n eo ft h ek e y t e c h n i q u e sd e v e l o p e d f o ri n t e l l i g e n c e m e a n w h i l ec o n t r o l l e di nw e l d i n gp r o c e s si st h e k e yt e c h n i q u ei nt h ed e v e l o p m e n to fr o b o tw e l d i n g t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h et h r e ep o i n t sm e t h o du s e dt oc a l i b r a t i n gt h eo f f s e t b e t w e e nt h ew o r k p i c c ef l a m ea n dt h er o b o tw o r l df r a m e , i no r d e rt op r o v i d ea c c u r a t e d a t af o r t h es e t t i n go fw o r k p i e c em o d e l a c c o r d i n gt ot h es i xp o i n t sm e t h o do ft o o l f r a m eo ff a n u c ，t h ec h a n g i n gp o s i t i o na n da t t i t u d eb e t w e e nt h et o o lf r a m ea n dt h e t c r m i n a t ef r a m eo fr o b o t 啪b ec a l i b r a t e d t h em a t h e m a t i cm o d e lo fs e a mi sb u i l tu pb a s e do nt h er e e x p l o i to fa u t o c a d t h i sm e t h o dc a l ld e v e l o ps o m es e a mo l i v eo fd i f f e r e n ts i z ea n ds h a p e t h ed e f i n i t i o no fw e l ds l o p ea n dw e l dr o t a t i o na r ed e s c r i b e d , a n dc h a r a c t e r i s t i c s c o o r d i n a t e sf r a m eo fs e a ma r es e tu p a x i sxo ft h ef r a m ei sd e f i n e da ss e a ma x i s ， a x i szi sd e f i n e da sb i s e c t o ro fi n c l u d e da n 醇e ，a n da x i szi st h ea x i so fw e l dg u ni n t h es i m u l a t i n ge n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fr o b o g u i d e ，t r a n s f o r m i n g m e t h o do fd a t an e e d e di nr o b o ts i m u l a t i n ge n v i r o n m e n t , s e l f - d e v e l o p i n gm e t h o do f w e l d i n gp a t h , a n dm e t h o do f c r e a t i n gt pp r o g r a mf r o mw e l d i n gp a t ha r ed e s i g n e d s i m u l a t i o no fr o b o tw e l d i n gp r o c e s si sc o m p l e t e dw i t ht h ea p p l i c a t i o no f r o b o g u i d e , t h es i m u l a t i n gp a t hi sc h a n g e dt ot pp r o g r a mf o rp r a c t i c a lw e l d i n g , a n dt pp r o g r a mi st r a n s f e r r e dt or o b o tc o n t r o l l e r , w h i c ha l lt h ew o r ka b o u to f f - l i n e p r o g r a m m i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es a d d l e - b a c k e dw e l d i n gs e a ma r ec o m p l e t e d f a n a l l y ，t h ep r a c t i c a lw e l d i n go ft h es a d d l e b a c k e dw e l d i n gs e a m w i t hr o b o t i s a c c o m p l i s h e d v bp r o g r a ma n dt pp r o g r a ma r ec o m b i n e da n de x e c u t e dw i t he a c ho t h e rt o r e a l i z et h ec o n t r o l l i n go fp o s i t i o na n da t t i t u d eo fw e l dg u n ，w i r ef e e ds p e e do fw e l d m a c h i n e ，a n dw e l d i n gs p e e di nt h er o b o tw e l d i n gp r o c e s s t h e s em e t h o d sa n dk e y t e c h n i q u e sp r o v i d eab a s i sf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo f f - l i n ep r o g r a m m i n g a n ds i m u l a t i o ns y s t e mo fa r cr o b o ta n dq u a l i t yc o n t r o l l i n go fr o b o tw e l d i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：a r cr o b o t ；o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ；r o b o tc a l i b r a t i o n ；c h a r a c t e r i s t i c s c o o r d i n a t e sf r a m e ；r e a lt i m ec o n t r o l l i n g 天津工业大学硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得丞叠王些盍堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 参杏 签字日期：2 。7 年f , 9 3 0b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解玉壅王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 瓴 导师签名 虏与飞 签字日期：驰0 7 年f 月多。日签字日期：出0 7 年i 月3 0 日 天律工业大学硕士论文 学位论文的主要创新点 一、二次开发a u t o c a d ，利用标定得到的数据参数化设计马鞍 型焊缝工件模型，建立焊缝特征坐标系，生成焊缝轨迹上焊接位置点 位姿数据。 二、使用v b 编程，将焊缝位置点数据转换成仿真软件所接受的 格式，并将焊接位置点位姿数据在仿真软件里设计自动生成焊接路 径。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外弧焊机器人发展及应用概况 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已 成为必然趋势。目前，采用机器入焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。 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、实现小批量产品的焊接自动化i l l 。 国外一些发达国家诸如日本、美国、德国、瑞典等已经形成了自己的焊接机 器人产业。较典型的机器人产品如u n l m a t e 、m o ，r o m a n 、a s e a 等。并在焊 接质量控制系统、焊缝跟踪系统、离线编程系统以及人工智能、各种控制算法等 方面进行了较深入的研究。有些已进入实用化阶段1 2 l 。 据国际机器人联盟统计局预测，截至2 0 0 5 年底，全世界在运行中的工业机 器入共有9 1 4 0 0 0 套，其中用于完成各种焊接作业的焊接机器人占全部机器人的 4 0 以上。世界上主要工业国家及地区焊接机器人应用的数量及占工业机器人 总数的比例如表1 - 1 所示。日本工业机器人行业的发展是令人瞩目的，无论机器 人的年新安装数量还是机器人的运行总数都位居世界第一，其运行中的工业机器 人总数约占世界运行中工业机器人总数的4 2 ，焊接机器人所占比例为2 9 8 ， 其它国家焊接机器人所占比例也都在3 0 所有，甚至有些国家达到4 0 、5 0 。 这也说明，那些经济迅速发展的或发达的工业国家及地区都把机器人用于焊接作 为了一个主要的应用方向。 表1 - 12 0 0 5 年世界主要工业国家及地区焊接机器人数量对比表 序号国别及地焊接机器人工业机器人焊接机器人 区 ( 台)( 台)比例( ) 1 日本3 5 6 ，4 8 3 2 9 8 2 美洲地区6 8 ，o o o1 4 2 ，0 0 04 8 3欧洲地区1 1 1 ，7 2 02 9 4 。o 【) 03 8 4亚洲地区4 5 7 。0 0 03 3 据2 0 0 1 年统计，我国共有各类焊接机器人1 0 4 0 台，汽车制造和汽车零部件 生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的7 6 。在汽车行业中点焊机器人与 第一章绪论 弧焊机器人的比例为3 ：2 ，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工 程机械( 1 0 ) 、摩托车( 6 ) 、铁路车辆( 4 ) 、锅炉( 1 ) 等行业。焊接机 器人也主要分布在全国几大汽车制造厂。 我国从上世纪9 0 年代中期以中科院沈阳自动化所、哈尔滨焊接研究所、北 京自动化所等单位开始了焊接机器人工程应用研究，通过消化吸收国外技术，逐 渐打破了国外公司在该领域的垄断地位，也使得机器人应用工程的价格更加合 理，告别了暴利时代。目前在国内形成一定规模的焊接机器人系统集成公司主要 有：沈阳新松机器人自动化股份有限公司、首钢莫托曼机器人有限公司、唐山开 元自动焊接系统有限公司、哈尔滨焊接研究所等。经过近1 0 年的努力，我国在 机器人焊装夹具设计方面积累了较丰富的经验，机器人周边设备实现了标准化， 具有年产3 0 0 余套焊接机器人工作站的能力。可以说国内的系统集成商在机器人 工作站及简单的焊装线的设计开发方面具有了与国外系统集成商抗衡的能力，近 几年为国内汽车零部件等企业提供了大量的机器人焊接系统。但是另外一个严重 的事实是，我们还不具备制造高水平的机器人成套焊装线的能力。 1 2 弧焊机器人离线编程系统研究意义 弧焊机器人是一个可编程的机械装置，其功能的灵活性和智能性很大程度上 决定于机器人的编程能力。由于弧焊机器人所完成任务复杂程度不断增加，其工 作任务的编制已经成为一个重要问题。在弧焊机器人应用系统中，机器人编程是 一个关键环节为适应市场发展的要求，制造业正在向多品种、小批量的柔性化 方向发展。但是，在中小批量生产中，弧焊机器人的示教编程耗费的时间和人力 相对较大。因此，随着制造业企业对柔性要求的进一步提高，便产生了对更高效 和更简单的编程方法的需要。 通常，机器人编程方式可分为示教再现编程和离线编程。国内外弧焊机器人 多属示教再现型，它无法满足焊接生产日益复杂的需要，还存在许多问题有待 研究。示教再现型机器人在实际生产应用中存在的主要问题有： 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，对于复杂焊接路径难以取得 令人满意的示教效果； 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。 4 对工作在有毒粉尘、辐射等环境下的机器人，这种编程方法有害操作者 的健康。 5 在柔性制造系统中，这种编程方式使得c a d 数据库不能连接上。这对工 厂实现c a d c a m r o b o t i c s - - 体化有困难。 第一章绪论 对于弧焊机器人，还有以下问题， 1 焊枪的姿态对焊接质量有很大影响，而在示教时这些参数只能靠操作者 肉眼估计，并且要求操作者的专业技能很高。 2 在示教过程中，往往需要操作者进入机器人工作区来观察焊枪尖端点的 位置，这带来了潜在的致命危险。 3 示教编程几乎无法处理复杂的传感器信号( 如视觉) ，因此，对扩展视 觉等新型传感器的焊缝自动跟踪无能为力。 因此发展了离线编程技术，机器人离线编程( 0 l p o f f - l i n e - p r o g r a m m i n g ) 系统是通过在计算机上建立机器人及其环境物的几何模型，以机器人编程语言描述 机器人任务，然后对编程的结果进行三维图形动画仿真，离线调试机器人程序的正 确性，生成机器人控制器可执行的代码，最后通过通讯接口送给机器人控制器。离 线编程方式除了在线编程没有的优点外，还有以下优点： 1 程序易于修改。 2 能够实现多台机器人和辅助外围设备的编程和协调。 3 能够实现基于传感器的自规划功能。 弧焊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 少机器人不工作时间和降低成本。由于机器人定位精度的提高、控制装置功能的 完善、传感器应用的增多以及图形编程系统所用的c a d 工作站价格不断下跌， 离线编程迅速扩大，成为机器人编程的发展趋向。 1 3 国内外离线编程及图形仿真系统发展趋势 国外从7 0 年代就开始研究机器人离线编程，先后建立了多种离线编程系统 和用于离线编程的仿真系统。美国m i c h i g a n 大学开发了一种机器人图形编程 系统p r o g r e s s t 3 i ，其特点是菜单驱动和光标控制，用2 d 图形符号来仿真传感 器和执行部件，以使用户获得更加真实的编程环境。c i n c i n a t i 公司研制的离 线编程系统已成功地控制t 3 7 7 6 机器人末端操作器作出图样1 4 i 嗍。d o m b r e 等人在b f m l 8 6 计算机编制了机器人离线规划的g 虹) ( j m 系统，其系统功能 较强，且有三维构型、图形动画、隐藏线消除等功能【6 l 。美国c o r n e l l 大学开 发了一个通用的交互式仿真系统i n e f f a b l l e t ”，它可容易地建立机器人及其 环境模型，且具有运动功能。而c o m p u t e r 公司开发的r o b o g r a p h i 具有产 业机器人的作业路径、仿真机器人运动及碰撞检查等功能。 国外在焊接机器人离线编程方面也做出了大量的成果，主要以自主开发为 主。文献 8 1 6 e ，瑞典m i d f c l d tm 等人为弧焊机器人独立编程，开发了可在计算 机上实现的a o t o m a t o s 系统，使用a u t o c a d 三维自动设计系统程序来输入 第一章绪论 机器人的操作机工作位景、焊接工艺参数等数据程序包。在a r l ao l p 2 a b b 机 器人上应用，编程位置和实际位置误差可小于5 m m 。文献 9 1 ，v w a m o t o t 等 人与一家大的造船厂合作，经过多年研究，开发了一套a m p 弧焊机器人离线编 程系统，适合于生产小批量产品的需要。 由于国外工业机器人具有大量应用，因此各大学以及研究机构甚至大型的制 造业公司都在机器人离线编程技术研究方面投入了大量的人力物力。而相比之 下，我国在这方面的投入非常有限。机器人学是多学科高度发展的产物，我们国 家有些基础研究比较落后，使得机器人技术的发展遇到了障碍。另外，我国劳 动力成本较低，也是限制机器人广泛应用的一个因素。尽管如此，国内一些学者 和研究机构也在机器人仿真方面进行了实验性的研究。华中理工大学首先用微机 开发了机器人离线编程系统1 1 0 l ，又在此基础上研制了机器人离线编程系统 h o l p s l l ”该系统包括机器人语言处理模块、运动学规划模块、机器人运动仿 真模块、通信模块和主模块。文中着重阐述了机器人及环境物的几何造型方法和 运动仿真的动画技术。h o l p s 系统在微机上对p u m a 5 6 2 机器人进行编程，使 其走出了多种空间曲线。并成功地应用于汽车车身的喷漆生产线。清华大学研制 的r o b s m l 仿真系统可对p u m a 5 6 0 及类似结构的机器人进行运动学、动力学 轨迹规划，并在此基础上开发了r o b s m 2 系统【1 2 l ，它可使用s v a l 语言作为输 入，增加了三维图形输出和碰撞检查以及传感器仿真、典型动作和典型任务仿真。 浙江大学的学者开发的一个装配机器人离线编程系统1 提供了一个良好的机器 人程序开发和调试环境用户可以采用交互方式建立机器人及环境模型，用操作 手级的机器人语言描述机器人作业，通过图形仿真调试机器人程序。文献 1 7 1 介 绍了一种基于微机的p u m a 2 6 2 机器人离线编程系统，对p u m a 2 6 2 机器人的运 动学和动力学模型进行了分析和仿真。文献1 1 4 在s g ii 作站上开发的障碍环境 中机器人无碰路径生成系统可以用示教方式自动生成机器人仿真任务程序，并在 c r t 上模拟显示机器人工作过程，进行碰撞检测。文献 1 5 i n 介绍了一个面向对 象的机器人实时仿真系统，它是一种基于微机的具有多c p u 分级体系结构的系 统，完成了对具有2 4 个自由度的仿人机器人的仿真。 国内对弧焊机器人离线编程技术研究很少，并且以二次开发为主，目前主要 有哈尔滨工业大学开发的功能较简单的机器人弧焊c a d c a m 系统r a w c a d 。 该系统基于a u t o c a d 开发，在3 d m a x 中进行三维造型，其造型笱单，仿真 效果较差。田劲松等【1 6 i 1 7 1 对任务级弧焊机器人离线编程做了大量研究工作，采 用o b i e c t a r x 工具基于a u t o c a d 二次开发构建了机器人实体模型和焊接工件 特征建模器，取得较好的效果。但由于该系统是非自主开发的，其功能受限与 a u t o c a d 软件。南京理工大学自行开发的弧焊机器人离线编程系统 第一章绪论 w r o b c a m i ”1 解决了完全基于a l i t o c a d 局限性大、功能弱等问题，其在自主 开发三维造型与仿真系统基础上兼容了p a r a s o l i d 内核的三维图形。基于其u g 或s o l i d e d g e 软件开发任意复杂的焊接工件，然后导入自主开发的c a m 系统。 综上所述，机器人离线编程和仿真技术已受到各国的广泛关注，并且已取得 了大量的研究和应用成果。但是弧焊机器人的离线编程技术，国外大都处于研究 阶段只有其中的一些单元技术已经或正在趋于成熟。国内尚处在起步阶段i l ”。 1 4 本文主要研究内容 该论文结合天津市自然科学基金重点项目，天津市教委科技发展基金项目 ( 0 5 y f j z j c 0 2 1 0 0 ) ，主要分两部分来完成课题： 1 、在应用弧焊机器人离线编程软件r o b o g u i d e 的基础上，通过设计和开 发专对马鞍型焊缝仿真实现的方法，为以后实际机器人焊接奠定基础。同时也为 今后针对f a n u c 公司的弧焊机器人离线编程软件的开发打下基础。 2 、二次开发f a n u c 机器人控制柜接口软件，调用操作系统内核，完成机器 人焊接过程软件控制。 。 为达到以上研究目的本文将从以下面几个方面研究为主要内容： 1 、设计马鞍型焊缝工件的工件坐标系特殊三点标定方法，使用v b 编程设 计用户交互界面，完成工件坐标系位置和姿态数据的获得。使用f a n u c 提供六 点方法完成工具坐标系标定。 2 、二次开发a u t o c a d ，利用前面标定得到的数据参数化设计马鞍型焊缝 工件模型，建立焊缝特征坐标系，生成焊缝轨迹上焊接位置点数据。 3 、使用v b 编程，将焊缝位置点数据转换成仿真软件所接受的格式，并将 焊接位置点数据在仿真软件里设计自动生成焊接路径。 4 、在离线编程软件r o b o g u i d e 里完成机器人焊接马鞍型焊缝时焊接过程 的仿真，并转成实际机器人焊接所需的t p 程序。完成马鞍型焊缝的实际焊接。 5 、使用v b 二次开发机器人控制柜接口软件，改变系统变量及各寄存器完 成机器人焊接过程控制参数的实时修正。 第二章弧焊机器人离线编程系统理论及其硬件配置 第二章弧焊机器人离线编程系统理论及其硬件配置 2 1 弧焊机器人 焊接机器人远不是简单地在一台通用机器人上安装一个焊枪。在实际焊接 中，焊接机器人一方面要能高精度地移动焊枪沿着焊缝运动并保证焊枪的姿态。 另一方面在运动中不断协调焊接工艺参数。如焊接电流、电压、速度、气体流量、 电极高度和送丝速度。焊接机器人是一个能实现焊接最佳工艺运动和参数控制的 综合系统。它比一般通用机器人要复杂得多。 弧焊机器人轨迹应能贴近示教的轨迹，还应具备不同摆动样式的软件功能， 供编程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，机器人也应 自动停止向前运动，以满足工艺要求。此外，还应有接触寻位、自动寻找焊缝起 点位置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。 弧焊机器人多采用气体保护焊方法( m a g 、m i g 、1 r i g ) ，由于机器入控制 柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间 加个接口。应该指出，在弧焊机器人工作周期中电弧时间所占的比例较大，因 此在选择焊接电源时，一般应按持续率1 0 0 来确定电源的容量。 2 1 1 弧焊机器人系统的组成 弧焊机器人系统由：弧焊机器人，工件及变位机，远距离控制工作站。图 2 一l 表示弧焊机器人的基本组成。其中弧焊机器人由机械手、焊接电源系统以及 机器人控制器三部分组成。机械手末端构件上的法兰上安装着焊枪，在焊枪上我 们可以加载各种传感器，如视觉传感器和温度传感器等，工作中这些传感器感知 的位置和温度等信息可以反馈到机器入控制器。控制器根据这些信息，通过调整 预先存储在控制器中程序修改机械手的工作方案，通过调整焊接电源系统的参数 修改焊枪的焊接状态，实现整个系统的闭环控制 2 1 2 现有实验室设备及配置 目前我实验室拥有的硬件设备包括只本f a n u c 公司的a r cm a t e1 0 0 i b 型6 轴弧焊机器人如图2 3 所示，r - j 3 i b 型控制器，l i n c o l n 公司的p o w e r w a v ef 3 5 5 i 型弧焊逆变电源如图2 5 所示，控制器( t e a c hp e n d a n t ) 如图2 - 4 所示，主控计 第二章弧焊机器人离线编程系统理论及其硬件配置 算机等。弧焊机器人焊接控制系统框图如图2 2 所示， 选丝机 上位机 图2 - 1 弧焊机器人系统组成 下位机( 主控计算机) 控制柜 图2 屯弧焊机器人焊接控制系统框图 主控计算机为i b m 原装机器，其配置有c p u ( 双c p u ，i n t e lp e n t i u m ( r ) 4 ， 主频3 o g h z ) ，内存( 2 5 6 m b ) ，硬盘( h d s 7 2 8 0 6 0 p l 。f 舵o4 0 g b ) ，网卡( i n t e l ( r ) p r o 1 0 0 0m tn e t w o r kc o n n e c t i o n ) 。 主控计算机和机器人控制器之间通过一个标准的i u 4 5 网络接1 ：1 相联。通过 访问机器人控制器i p 地址( 1 9 2 1 6 8 0 2 ) ，实现计算机与机器人控制柜之间的通 讯，数据交换遵循t c p f l p 协议 第二章弧焊机器人离线编程系统理论及其硬件配置 图2 - 3a r cm a t el o o i b 型6 轴弧焊机器人图2 - 4 控制器( t e a c hp e n d a n t ) 图2 5r - j 3 i b 型控制器 l i n c o l n 公司的p o w e rw a v ef 3 5 5 i 型弧焊逆变电源 2 2 弧焊机器人离线编程系统组成及特点 2 2 1 离线编程系统的主要组成部分 一个完整的离线编程系统至少应包括以下部分： 三维几何造型，这是系统的基础，为机器人和工件的编程与仿真提供了可视 第二章弧焊机器人离线编程系统理论及其硬件配置 的立体图像； 运动学计算，这是系统中控制图形运动的依据，即控制机器人运动的依据； 轨迹规划，用来生成机器人关节空间或直角空间里的轨迹，以保证机器人完 成既定的任务； 机器人运动的图形仿真，用来检验编制的机器人程序是否正确、可靠，一般 具有碰撞检查功能； 用户接口，要有友好的人机接口，并要解决计算机与机器人接口问题； 语言转换，要把仿真语言程序变换成被加载机器人的语言指令，以便命令真 实机器人工作； 误差的校正，由于离线编程系统中的仿真模型( 理想模型) 和实际机器人模 型存在有误差，产生误差的因素主要有机器人本身的制造误差、工件加工误差以 及机器人与工件定位误差等，所以未经校正的离线编程系统工作时会产生很大的 误差。因此，如何有效地校正误差，是离线编程系统实用化的关键。 离线编程系统的基本组成如图2 1 所示。 图2 - 1 机器人离线编程系统组成 2 2 2 弧焊机器人离线编程系统特点 机器人用于弧焊，作为一种复杂的作业，它不仅对机器人的运动学、动力学、 避免碰撞、可达性、灵活性及重复精度有很高要求，而且又有与其它用途机器人 不同的特点。这是由弧焊作业的固有特点决定的。具体归纳如下： 1 弧焊工件的几何建模，机器人要进行弧焊作业，首先要感知工件的几何 轮廓及准确的焊缝位置，因为获取这些信息的主要途径有离线编程、弧焊 c a d c a m 以及机器人视觉。但后两者均在研究阶段，前者显然不满足离线编 程的快捷性要求。c a d c a m 是通过计算机上c a d 制出待焊工件的几何造型及 焊接技术要求，自动生成工件轮廓、焊缝位置、姿态及焊接参数信息，以便后 续处理。机器人视觉通过c c d 或激光等对工件摄像，图像处理及数字变换获取 第二章弧焊机器人离线编程系统理论及其硬件配置 焊接的位姿信息。 2 焊枪的姿态优化，众所周知，焊枪的姿态对获取空间位置下完好的焊缝 有至关重要的影响，人工操作则通过操作工人的经验来实时地保证焊缝质量，而 专机则对固定的或单一的工件进行实验而获取适当的不变的焊枪姿态来保证焊 接质量。而机器人作为一种柔性的操作手，具有与上述两者不同的特点，它要求 根据不同工件的几何信息，通过各种处理手段，获取焊缝上一点的最佳位姿需求。 目前，这些手段主要有仿人的专家知识库引导法、人工神经网络法等。 3 路径规划问题，焊接过程与其它机加工过程迥然不同，数控的机加工过 程虽然也有点对点及连续路径，但它的目的是加工掉工件上多余的材料，获得设 计的工件形状。而本身没有加工姿态、加工次数和加工次序的要求，即只有加工 位置及n t 精度的要求，机器人焊接则不同，它严格要求沿焊缝位置点连续、光 顺地进行焊接，且有速度及姿态的要求。 2 3 本章小结 1 论述了弧焊机器人不同于通用机器人的特点、弧焊机器人系统的组成及 实验室具备的课题研究所需的硬件设备及配置。 2 分析了离线编程系统的主要组成部分及弧焊机器人离线编程系统不同于 其它用途机器人离线编程系统的特点。 第三章弧焊机器人几何建模及焊枪姿态规划 第三章弧焊机器人几何建模及焊枪姿态规划 弧焊机器人离线编程系统中几何建模是研究的前提，准确的焊缝曲线模型的 建立是机器人进行实际焊接的关键。因此，如何获得焊缝曲线上焊接位置点的位 姿数据以及如何将位姿数据导入弧焊机器人离线编程系统r o b o g u i d e 中成为 我们研究的内容。 3 1c a d 建模及其特征信息的获得 在弧焊机器人离线编程系统r o b o g u i d e 中可以通过其建模模块进行工件 模型的建立，但对于马鞍型焊缝的焊点位置拾取是相当困难的。为了生成精确的 焊接路径( 即得到精确的焊接位置点) ，利用a u t o c a d 的二次开发，在v b a 编辑器中用程序生成两相互正交的圆柱体，得到马鞍型焊缝轨迹的几何信息。将 焊缝轨迹分成大量的离散位置点，每两点之自j 通过直线进行啮合使其更真实地贴 近实际焊缝曲线，对于每个焊点的位置和姿态通过定义焊缝特征坐标系得到。 3 2 焊缝特征坐标系建立 实际焊缝焊接位置相当复杂，目前对各种接头复杂空间焊缝的焊接位置采用 焊缝倾角和焊缝转角来描述。 焊缝倾角：焊缝轴线与水平面之间的夹角。 焊缝转角：通过焊缝轴线的垂直面与坡口的等分平面之间的夹角 但这给弧焊机器人焊接参数和焊枪姿态的规划带来不便，并且对于空间曲线焊缝 这样设置是不妥当的，定义焊接位姿也不够准确。所以建立焊缝特征坐标系： 本课题研究的对象是两个相互正交的圆柱体所形成的马鞍型相贯线( 即焊 缝) ，对于这一空间曲线焊缝，将其划分为若干段直焊缝，取一小段焊缝上任意 一点，定义过该点的切线方向为x 轴，绕z 轴( 从z 轴正方向看) 逆时针方向为 正方向；垂直于x 轴过该点的平面为法平面a r ，将法平面与两圆柱的交线的角平 分线定义为z 。轴，y 轴由右手法则定出。这种定义唯一的确定了马鞍型焊缝上各 焊点的全部特征。很显然，x 轴为焊缝的轴线，z 轴焊缝的中心线。随着空间焊 缝焊点的变化，焊缝特征坐标系相应移动并发生转动。其中z 嘞为我们预定的仿 真环境下焊枪的轴线，因此，随着焊缝特征坐标系的转动，z 轴( 即焊枪) 也缓 慢的发生转动，实现焊接过程的仿真。仿真内容将在第五章加以详细论述。 第三章弧焊机器人几何建模及焊枪姿态规划 在建立工件模型之前对模型空间作如下规定： 第一象限为：x d o , y o ，z o ； 第二象限为：x d o ，z o ： 第三象限为：x d o ，y o 。 并且由于机器人在焊接过程中焊枪姿态优化的需要，我们规定在第一到第四象限 x 轴沿焊接路径焊缝特征坐标系的x 轴沿焊接路径逆时针渐开，这样机器人在焊 接过程中，焊枪姿态是渐变的。 这里我们建立相交圆柱模型横柱的中轴线穿过世界坐标系的x 轴。其中d 为工 件模型中心沿x 轴偏移量，并令d = c y l h e i g h t l 2 ，c y l h e i g h t l 为横柱长度。 焊缝特征坐标系建立如图3 1 所示： 图3 - 1 焊缝特征坐标系 3 3 焊缝特征坐标系相对机器人基准坐标系矢量变换计算 对于两个正交的圆柱体，建立工件模型如图3 2 所示： 图3 - 2 工件模型示意图 第三章弧焊机器人几何建模及焊枪姿态规划 纵圆柱体方程：y 2 , 4 - z 2 - r 2 横圆柱体方程：( x - - d ) 2 + y 2 一恐2 两圆柱交线方程为： ry 2 + z 2 。r 2 z ) o t o d ) 2 + y 2 一恐2 过焊缝上任意点m ( x o ，yo ，2 0 ) 的切线方程为： 并一x o y y o z z o l 砜2 y o 誓陌：0 ) lk d ，习 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 由此得x 轴相对于工件坐标系的投影矢量为： 第一、第二象限：n x = y o z o ，n y = ( x o - d ) z o ，n z = ( x o d ) y o 第三、第四象限： n x - - y o z o ，n y = ( x o - d ) z o ，n z = - ( - d ) y o 过m 点垂直于x 轴的法面m 方程为： l 卜y y 。卜i l 0 2 y o2 z o | - 0 1 2 一d ) 2 y o 0 l 即y o 瓴一d x z 一) + y 而o 一而) 一知( x o - a ) 0 , - y o ) 。0 ( 3 5 ) 则z t 轴在加平面内，由以上定义，z 轴又为法平面和两个圆柱交线切线的角平 分线。令h 过点m 且是法面与纵圆柱交线的切线，l r 过点m 且是法面与横圆 柱交线的切线。注意到两圆柱与法面m 交线各有两条切线，并且各自的两条切 线夹角为1 8 0 。根据机器人焊枪轴线姿态的实际需要，取l r 和h 为两圆柱外 侧切线。 法面与横圆柱交线方程为：ry 2 + 2 2 一r 2 1y o ( x o - a ) ( z 一) + 垧g - x o ) - z o ( x o - a ) ( y - y o ) - 0 l ( 3 6 ) l r 方程为： x x o 一 ) ，一y o z z 0 k o _ 帆2 z o 他2 卅z oy 。煽0 憾一o k l 得到l r 方向矢量为：( y 0 2 ( x o d ) + z 0 2 ( x o - a ) ，y o z 0 2 ，一y 0 2 z o ) ( 3 7 ) 第三章弧焊机器人几何建模及焊枪姿态规划 法面与纵圆柱交线方程为：( x - d ) 2 + y 2 = , 2 + y o z o ( 工- x o ) - z o ( x o - a ) ( y - 。y 。o 三。 h 方程为： 慝蕊x o一丽yy o 一网 工一 一 一 一 z 一 ( 3 9 ) 得到h 方向矢量为：( 瓴一d ) y 0 2 ，一( x o d ) 2 y o ，一( x o - d ) 2 z o - y 0 2 2 0 ) 令l ，和l r 分别为平行于h 和l r 且过基准坐标系原点，那么h 和l r 哟 方向矢量与h 和l r 的方向矢量相同。z t 轴在a f 平面内为h 和l r 的角平分 线，令z 一平行于z - 轴且为l r 。和l r 的角平分线，那么z ”与z 轴在基准坐标系 下的投影矢量是相同的。令z ”与u t 夹角为b ，与h 夹角为0 ：，其在基准坐标 系下的投影矢量为( a ，a ，a ：) ，则有： c o s 0 1 ：c o s 0 2 。 ( 3 一1 0 ) 令朋：( f l ，鸭，| 1 ) ，l r ：( f 2 ，m 2 ，n 2 ) 即。鼠1丝竺幺兰丝 1 吒2 + q 2 + q 2 以2 + 啊2 + 2 c o 。只，! ! 丝：竺兰竺丝： 口，2 + 4 ，2 + 乜z 2 z 2 2 + 埘2 2 + 厅2 2 令m = 以2 + m 2 + 愧2 ，n = a x + 一( i ：一胁y ) 一( - m 1 2 ) n y - ( n m , 舰2 ) ，k o 得到： f 1 4 l + n m t a r + n n l a ：m n l 2 a x + m m 2 a r + m n 2 a z 辂理得到： ( l l - m 1 2 ) a ，+ ( n m i 一 彻2 ) 4 ，+ ( 垤h m n 2 ) 口：= 0 又由于z 轴垂直于x t 轴得到以下关系： a j n x + a ，l l y + a ：n z 2 0 即：一a x y o z o + a vxo z o - a z x o y o = 0 令a i = f l m 1 2 ，a 2 = n x b l 2 n m l m m 2 ，b2 2n r c 1 2n n l m n 2 ，c 2 2 栉： 1 4 一 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 第三章弧焊机器人几何建模及焊枪姿态规划 得到z t 轴在基准坐标系下的投影矢量为： 口，2 ( 瓮乏) ，n ，2 ( 芝主) ，叱2 ( 2 得：口，2 ( n m l m m 2 ) n z 一( n n ：- m n yn y a ，2 ( n n ：一m n ，) r 0 一( z l 一 鸦) ，k a ：。( 以一m 1 2 一一( 挑一m m z 加。 由右手定则可以得到y 轴在基准坐标系下的投影矢量为： ( o x 0 1 o z ) = t i x s 主 r ：( 主圣圣 n 睡| ；! 】 其中月r 2 ：南n ，。2 ：南以z 5 ：i 南 综上所述，空间曲线任意点( 石。，) ，。，z 。) 上的焊缝特征坐标系相对于基准坐标 i t = 月jo x - 珂，0 ， t n ： o z 0o a jx o a y y o a z2 0 o1 3 4 焊缝特征坐标系与机器人基准坐标系之间的旋转角度变换 经过反复验证发现弧焊机器人离线编程软件r o b o g u i d e 中坐标系的建立 是基于r p y 角方法实现的。即对于导入工件的每个焊接位置点上都有与基准坐 标系方向一致的坐标系，要描述每个焊点上焊缝特征坐标系各轴的姿态都是先后 p m 町 一 q 叱虬 一 q 吣 q 眦 一 巳y “ = 七他巳 第三章弧焊机器人几何建模及焊枪姿态规划 围绕着固定坐标系旋转得到的。所以采用绕固定轴x y z 旋转r p y 角的方法来得 到焊缝特征坐标系得各轴x 轴、y 轴和z 轴相对于基准坐标系的各轴x 轴、y 轴和z 轴需要旋转的角度w 角、p 角和r 角。 前面提到过r p y 角的定义及旋转变换矩阵，结合上一节得到的焊缝特征坐 标系相对于基准坐标系的齐次变换矩阵来得出w 角、p 角和r 角。 求解时采用双变量反正切函数a t 狮2 ( y x ) 来确定角度，它计算a r c t a n ( y x ) 。 当订s p s 石，由a t a n 2 反求角度时，同时检查y 和x 的符号来确定其所在的象 限，这一函数也能检验什么时候x 或y 为0 ，并反求出正确的角度，这样做通常 可以定义方位的各种描述中之间的一一对应关系。 屁p y ( r ，p ，) = t= r o t ( z ，r ) r o t ( y ，e ) r o t ( x ，形