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博士学位论文 弧焊机器人工作站智能化技术研究 摘要 近年来，兵器行业建立了几十套1 1 个自由度的机器人焊接工作站，并在继续推 广应用。然而目前弧焊机器人采用示教编程，编程效率低且没有智能化，机器人再现 焊接时没有视觉，不能感知焊接真实环境的变化，实际应用局限性大的企业应用现状， 提高机器人编程的效率和质量以及智能传感和自动补偿能力意义重大，研究焊接机器 人智能化技术是多学科交叉的前沿课题。 本文提出了一个融合视觉传感信息的机器人焊接c a d c a p p ，c a m p d m 的智能 化系统( w r o b c a m ) 总体方案，并围绕关键技术展开研究。 机器人焊接过程三维仿真是离线编程的图形平台，提出了一个新的开发方式实现 三维图形仿真系统，即自主开发基于c s 结构的包含o l e 项的机器工作站离线编程 系统w r o b c a m ，通过c o m 接口实现焊接工件三维图形及几何拓扑信息的无缝集 成。目前焊接机器人图形仿真采用二次开发实现，存在开放性差，仿真效果不理想、 无自主产权等问题，本文在v c + + 开发环境下，使用o p e n g l 图形开发工具，基于面 向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。对一类关节型焊接机器人的运动学计算 问题，给出了通用解。 焊接工件特征设计是解决机器人焊接c a d 与c a p p 、c a m 系统集成的重要支撑 技术之一。探讨了焊接产品特征的定义与分类以及特征造型方法，提出了自动焊接装 配的概念。提出了一种复合方式开发焊接标准件、通用件的变量化设计方法，实现了 焊接标准件、通用件的特征设计。提出特征库的变量化设计方法，建立了各种坡口特 征库，实现了基于特征库的坡口特征设计，并提出了一种改进的坡口特征设计方法。 实现了接头特征设计及基于接头特征的自动焊接装配。 为实现焊接产品的信息集成和管理，提出了焊接产品数据管理( p d m ) 的功能， 建立了焊接产品数据模型，解决了与s o l i de d g e 的双向数据流动，实现各系统之间的 信息共享和集成管理。提出了焊缝特征坐标系的概念，实现了焊缝特征的识别、提取。 焊接工艺规划和机器人路径规划是实现编程智能化的关键。针对空间焊缝机器人 焊接工艺规划问题，提出了一种新的技术途径，将空间焊缝分解为一个立坡焊和横坡 焊的组合，设计了空间焊缝焊接工艺的推理策略，实现了针对装甲车辆的富氩气体保 护焊工艺规划。针对重型产品的大型机器人工作站的无碰路径规划问题，分析了其特 点，提出转化为机器人机座的位置优化和路径及轨迹联合优化两个问题。 对机器人机座的位置优化问题，建立了多目标优化数学模型及解决方法，采用遗 传算法为优化方法，建立了本问题的适应度函数，经过大量实践获得了合适的参数。 基于该算法对典型空间相贯线焊缝优化实验，并下载到机器人控制器执行焊接实验， i 摘要博七学位论文 结果表明，通过该算法可以快速找到接近目标最优解，方法正确可行，机器人关节运 动平稳，获得了良好的焊缝。 对路径及轨迹联合优化问题，提出融合基于知识、遗传算法和人工势场法、栅格 搜索法等技术途径来解决。根据该问题特点，改进人工势场建立了引力场势函数和斥 力场势函数，并提出了路径及轨迹联合优化策略，基于该策略，对炮塔多段长直焊缝 优化实验，并对优化结果图形仿真，达到了预期效果， 提出了机器人自适应焊接的技术内涵，针对大厚件，设计了适合接缝寻位、接缝 跟踪、接头特征提取等功能的结构光视觉传感系统。建立了结构光视觉传感系统，分 析了图象干扰信号的特点，硬件上采用结构光和复合滤光处理，软件上采用平滑和 s o b e l 锐化或c a n n y 水平算子剔除弧光、飞溅干扰信号，采用双浮动阂值分割和图象 轮廓提取及连接获取较干净的接缝线条。提出了融合先验知识的接头特征点提取措 ， 施，获得了接头形状和焊接特征，建立接缝跟踪实验平台，实验验证了系统及上述方 法的正确性。 关键词：焊接机器人，特征设计，三维图形仿真，路径规划，遗传算法， 人工势场，自适应控制 堕! 兰丝堕塞 墨堡塑堡叁三! ! 竺塑堡些苎查竺塑 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ee n g i n e r yi n d u s t r yb u i l d sas e r i o u so fw e l d i n gw o r k s t a t i o n sw h i c h h a v er o b o t sw i t he l e v e nd e g r e e so ff r e e d o m ，a n dk e e p i n gs p r e a da n da p p l i c a t i o n h o w e v e r ， t h ee f f i c i e n c yo ft e a c h i n ga n dp l a y i n gi sl o wa n dd o n th a v ei n t e l l i g e n t t h e r ei sn ov i s i o n a n dc a n tf e e lt h er e a le n v i r o n m e n tc h a n g ed u r i n gt h er o b o ti sw e l d i n g i th a sl i m i t a t i o ni n p r o j e c ta p p l i c a t i o n i no r d e r t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fr o b o tp r o g r a ma n dw e l dq u a l i t ya s w e l la si n t e l l i g e n ts e n s o ra n dc o m p e n s a t ea u t o m a t i s m s t u d yo fw e l d i n gr o b o ti n t e l l i g e n c e i sa na d v a n c e dt a s kw h i c hh a sc o m p o s i t es u b j e c t s t h ea r t i c l e b r i n g s f o r w a r da g e n e r a l s c h e m ea b o u t r o b o t w e l d i n g c a d c a p p c a m p d m ，w h i c hc o m b i n e sa ni n t e l l i g e n ts y s t e mw i t ht h ev i s i o ns e n s o r i n f o r m a t i o n a n dd i s c u s sa b o u tt h ek e yt e c h n o l o g y t h et h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 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 sag r a p h i cp l a t f o r m o fo f f - l i n ep r o g r a m m i n g an e wd e v e l o p m e n tw a yh a sb e e np u tf o r w a r dt or e a l i z et h e s i m u l a t i o ns y s t e mo ft h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c , w h i c hb a s e do nc ss t r u c t u r ed e v e l o p sa o f f - l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e mw r o b c a mo ft h ew o r ks t a t i o ni n d e p e n d e n t l yi n c l u d i n ga o l ei t e r n a n dw i t ht h ec o mi n t e r f a c ei th a sr e a l i z e dt l l en o s l o ti n t e g r a t i o no ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i ca n dt o p o l o g i c a li n f o r m a t i o no ft h ew e l d i n gw o r k p i e c e t i l ln o w , t h eg r a p h i cs i m u l a t i o no fw e l d i n gr o b o ti sr e a l i z e db ys e c o n d d e v e l o p m e n t ，w h i c hh a s m a n yp r o b l e m ss u c ha s ：i td o e s n th a v ea w e l lc o m p a t i b i l i t y ；t h es i m u l a t i o nr e s u l tc a n tb e s a t i s f y i n g ；a n d i td o e s n th a v es e l f - p r o p e r t yr i g h te t c i nt h ep a p e r , u n d e rv c + + d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，w i t hu s i n go p e n g lg r a p h i cd e v e l o p i n gi n s t r u m e n t ，i t h a s d e v e l o p e df r a m e w o r ko ft h r e ed e g r e eo ff r e e d o m ，s i xd e g r e eo ff i e e d o mj o i n tt y p e a r e - w e l d i n gr o b o ta n dt w od e g r e e o ff r e e d o mw o r k s t a t i o n ，b a s e do no b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g g e n e r a ls o l u t i o ni ss u i t a b l et ot h ec a l c u l a t eq u e s t i o nt ok i n e m a t i c so fa k i n d o fm u l t i - j o i n tt y p ew e l d i n gr o b o t f e a t u r e - b a s e dd e s i g no fw e l dp r o d u c ti so n eo fai m p o r t a n ts u p p o r t i n gt e c h n i q u et o s o l v et h ep r o b l e mo ft h ei n t e g r a t i o no fw e l d i n gc a d ，c a p pa n dc a ms y s t e m s t h e d e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no ft h ec h a r a c t e ro fw e l d e dp r o d u c t sa n df e a t u r em o d e lm e t h o d h a v eb e e nd i s c u s s e d ，a n dt h ec o n c e p to ft h ea u t o m a t i cw e l d i n ga s s e m b l a g eh a sb e e np u t f o r w a r d i th a sp u tf o r w a r di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ff e a t u r e - b a s e dd e s i g no fu n i v e r s a l a n dg e n e r a lw o r k p i e c e t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dac o m p l e xm e t h o dt oe x p l o i t a t ew e l ds t a n d a r dp i e c e sa n d u n i v e r s a lp i e c e sr e a l i z i n gt h ep r o p e r t yd e s i g no fs t a n d a r da n du n i v e r s a lp i e c e s i tp u t st h e p r o p e r t yv a r i a b l ed e s i g nm e t h o da n de s t a b l i s hv a r i o u sk i n d so fb e v e l sa n dh a si m p r o v e di t a n di th a sr e a l i z e dt h ea u t ow e l d i n ga s s e m b l i n gb a s e do nt h ej o i n tp r o p e r t y i i i a b s t r a c t 博士学位论文 i tp u t sf o r w a r dt h ep d mf u n c t i o n ，r e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o na n dm a n a g e m e n t b e t w e e na l ls y s t e m s a n dt h ew e l dp r o p e r t yc o o r d i n a t eh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d ，t h e s y s t e mh a sr e a l i z e dt h ew e l dp r o p e r t yr e c o g n i z e da n dp i c k e d u p i tp u t sf o r w a r dan e wt e c h n i q u es o l v i n gt h e3 dw e l d i n gt e c h n i c sp r o g r a m m i n g i t d i v i d e su p - s l o p ea n da c r o s s s l o p ew e l d ，d e s i g n i n g3 dw e l d i n gm c h n i c sc o n s e q u e n c e p r o g r a m m i n gw h i c hh a sc a r r i e do u tt h ep r o g r a m m i n go ft h er i c h a r g o ng a ss h i e l d i n g w e l d i n go na r m o r e d c a r a i m i n ga tt h ep r o g r a m m i n go fp a t ho fr o b o tw o r k s t a t i o nw h i c hi so nt h eh e a v y p r o d u c t i o n s ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep r o p e r t ya n dt r a n s l a t ei tt ot w oo p t i m i z ep r o b l e m ：o n e i st h er o b o tm o v i n gp a t hp l a n ，t h eo t h e ri sr o b o tm o v i n gp a t ha n d j o i n ts p a c et r a c kp l a n t os o l v et h eo p t i m i z i n gp r o m e mo ft h er o b o tm o v i n gp a t hp l a n ，am u l t i o b j e c t m a t h e m a t i c sm o d e la n ds o l u t i o nh a sb e e np f o p o d u s i n gg e n e t i ca l g o r i t h ma so p t i m i z i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 划扛 2 吖年，口月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 趔垃加修车，p 月 日 博士学位论文 弧焊机器人工作站智能化技末研究 l 绪论 1 1 问题提出及意义 工业机器人的研究和应用近十年发展异常迅猛，它首先适于在高温、有毒，高粉 尘及存在放射性物质等恶劣的作业环境下或在一些人所不能到达的范围内使用，焊接 是一种劳动强度大，工作条件恶劣，工程量大，质量要求高的制造方法，焊接足工业 机器人的主要应用领域，焊接机器人是焊接自动化的革命性进步。 然而，国内外使用的均为第一、二代人工示教再现型弧焊机器人，轨迹、姿态和 焊接工艺参数需在线示教编程，示教质量取决于操作者的技术和经验，这严重影响了 机器人焊接的质量。而且，对于如大型油罐锅炉、重型机械、轻轨车辆、船、车体炮 塔等这样的大型复杂工件，在弧焊机器人倒立悬挂的环境下，现场示教编程占用机器 人大量时间，而且没有任何优化措施。当今产品已逐步向个性化方向发展，产品更新、 改型的周期加快，使得生产的批量越来越少，而品种越来越多，示教再现型焊接机器 人成为敏捷制造、并行工程新生产模式的一大障碍。 一 离线编程指不占用机器人在计算机上虚拟现实，通过造型、仿真、规划等技术编 制程序( 即智能化离线编程) ，然后通过通讯接口下载到机器人控制器控制机器人运 行。离线编程恰恰解决了示教编程的不足，具有显著的优点和发展前景【l2 ，】。因此，-一， 为适应当前生产模式，节省生产成本和时间，优化机器人路径和焊接工艺，根据工厂 的应用情况，结合我国国情，开发和应用适于机器人弧焊的离线编程系统是必然趋势， 基于机器人焊接c a d c a p p c a m p d m 的离线编程系统成为研究的主要方向。 -， 但由于弧焊过程的复杂性和多样性，如工件的重复安装精度，加工精度，热处理 变形、焊接变形和装配间隙的变化等，使得“盲目”的机器人往往力不从心，为降低废 品率和补焊率，提高兼容性和生产效率，修正离线自动编程与实际工件的偏差，对焊 接机器人提出了更高的要求。 机器人自适应焊接指机器人具有传感功能，能够自动检测环境的变化，并自适应 性调整焊接工艺及机器人路径，最终实现焊接智能化 基于c 觥a p p c a m p d m 的离线编程技术使第一、二代焊接机器人从手工示 教编程提升到离线自动智能化编程，提高了机器人编程的效率和质量，焊接机器人自 适应技术使机器人具有一定智能传感和自动补偿能力，扩大了机器人及离线编程系统 在工厂的实际应用范围和能力 本文将机器人离线自动编程和自适应焊接合称为机器人智能化，重点研究机器人 智能化关键技术，机器人智能化将为企业实现机器人焊接柔性制造系统( w f m s ) 做出重大贡献。 从国内企业安装的焊接机器人工作站看，我国应用焊接机器人最多的是车辆、重 1 博士学位论文弧焊机器人t 作站智能化技术研究 化的离线编程系统。 英国k h g o h 和g e m i d d l e 5 1 开发了一个焊接机器人离线编程系统的雏形，系统 框图如图1 3 1 ，具有基于专家系统的焊接工艺参数优化功能，以及计算机图形仿真 和离线编程模块，但功能不够完善。 图1 3 1 焊接机器人离线编程系统框图嘲 图1 3 2 为日本机器人协会开发的任务级离线编程的流程图【1 0 l ，具有工件造型、 交互式编程、焊接过程仿真和机器人程序转换与下载等模块。但该系统没有智能性 k 州咀c 嘣吐嘴t 鼬删- i 口i s c 嘧, s i w o r k m o d e l s | q3 1 ) - c a dh e n v u r o n m e n l d a t a i 。 t t e a c h i n gs y s t e m t a s k l e v e l1 酬他 一帅号霉k l ! 三m m t l1s t i 吲p 吣 p 笨一h 深d s 嚣m 。基。 。i 掣 一w 豳e l & 。n ，。i 啪r i s kh t m r e k 一1 e v e l l 訾rl l m 咀i p r o i i m m l | l 曩哪辩材蛐越岍 - 爿m m i e m - l e v e l 棒m i i r o b o t $ i m i u l a h ：) r i f 翟鲤c ( 臻唧o l l 般 l l 勘m h 似) 丌l 图1 3 2 任务级离线编程的流程卧1 0 】 3 1 绪论博七学位论文 日本大坂大学的前川仁等人针对5 或6 自由度机器人研究了弧焊机器人离线编程 系统，并分为任务级、工具级、关节级和代码级四个级别来研究，并分为几种情形考 虑了工具级的避碰等问题。但没有考虑有机器人移动装置等。 但从已引进软件的情况看，有的价格昂贵，有的功能仅限于图形示教、简单仿真 和其专用控制器的通讯，没有任何智能化自动化编程功能，用户工件无法集成到机器 人仿真环境。有的系统使用不很方便，根本无法在工厂生产中应用。因此，掌握其核 心技术，开发具有自主知识产权的弧焊机器人智能化系统具有迫切性。 国内，一些大学、研究所已经开始或正在研究，哈尔滨工业大学的孔宇博士等开 发了一个机器人弧焊c a d c a m 系统一r a w c a d ”，但该系统功能还不完善。 文献 3 4 1 开发了执行级焊接机器人离线编程系统，基于a u t o c a d 2 0 0 0 为通用 c a d 软件平台实现了一个焊接工件特征建模系统，并提出了路径规划的目标。但仅 是提出了最优规划模型，没有深入研究。该系统是二次开发的，且基于a u t o c a d 软 件功能受到限制，没有涉及机器人图形造型等问题。 北京工业大学的陈志翔博士等也开发了执行级焊接机器人离线编程系统【3 6 1 ，在 s o l i d e d g e 环境中实现了机器人的图形仿真，并提出了评价路径规划目标函数，研究 了工件位置标定算法。同样该系统非自主开发，且没有工件特征造型和焊接工艺规划 等技术。 国外，在机器人自适应焊接系统方面近年已开始研究。在焊接机器人接缝跟踪技 术方面已有商品化产品。 2 0 0 2 年，o l em a d s e n 和c a r s t e nb r os o r e n s e n 等人研究了完成复杂焊接任务的机 器人仿真系统1 1 0 l ，基于焊接工件的c a d 信息，具有自动离线编程、冗余控制、避碰 等功能，主要由几何模型生成、焊缝轨迹规划、无碰路径规划、视觉检测真实环境修 正几何模型等模块组成，并应用于小批量多品种管结构件焊接。 接缝自适应跟踪技术已经应用于生产，如美国的“布雷德利”铝合金炮塔采用了具 有自适应焊接能力的炮塔机器人焊接单元，自适应焊接能力是指用光学传感器检测焊 缝，然后计算出焊接轨迹能自动发现焊接过程中存在的问题。6 个小时焊接1 个炮塔， 实现了高效高速化焊接，能实现自动化无人操作。 美国利马坦克厂采用机器人焊接工作站用于m i a l 坦克车体及炮塔的焊接自动 化，有9 台具有视觉导向的机器人。机器人臂端装有导向装置，激光接缝跟踪装置， 红外预热及层间温度传感器等。可以完成焊缝的跟踪、预热、测温，焊接等多种功能， 焊接参数、焊接变位机及机器人之间的协调运动和焊缝的位置都有计算机控制。 国内，在焊接机器人标定技术、接缝跟踪技术、焊接质量控制方面已经取得较好 的研究成果 4 ， 博士学位论文弧焊机器人工作站智能化技术研究 1 4 弧焊机器人工作站智能化关键技术研究现状及分析 弧焊机器人工作站离线编程关键技术包含：焊接工件特征造型技术、机器人工作 站三维造型与仿真、工艺规划、路径舰划，机器人自适应焊接包含标定及自标定、接 缝跟踪、焊接工艺参数补偿、视觉导向。其中焊接工件特征造型技术、工艺规划、路 径规划被认为是任务级离线编程的三大支撑技术【卅。由于涉及内容过多，本文不一一 详细综述。 1 4 1 几何造型技术及c a d ，c a p p c a m 集成技术 几何造型提供了机器人和工件以及辅助设备的可视三维环境，是计算机图形仿真 的重要部分，机器人焊接图形仿真几何造型技术涉及到机器人工作站的造型技术，工 件的造型技术，以及焊接工件的造型技术。围绕几何造型技术，国内外学者已经做了 大量的研究开发工作。 1 4 1 1o 蝴，c 舢垤技术的发展、研究应用现状及发展趋势 目前，计算机辅助设计( c a d ) 主要应用在电子线路和机械行业，这里主要指机 械c a d 技术。 -n c a d c a m 技术从诞生至今已有四十多年的历史，历经二维绘图、线框模型、自 由曲面模型、实体造型、特征造型等重要发展阶段，其问还伴随着参数化、变量化、 尺寸驱动等技术的融入。c a d 软件的发展经历了数字化图纸、实体建模、参数化建 模，优化建模和基于知识工程的建模五个阶段，目前已与计算机辅助分析软件( c a e ) 、 计算机辅助制造软件( c a m ) 、产品数据管理软件( p d m ) 、企业资源计划软件( e r p ) 进。 行数据交换，达到高度集成。 通过四十多年的努力，c a d 技术在基础理论方面日趋成熟，国外推出了许多商 品化系统，基于工作站的高端c a d 软件产品如p r o e n g i n e e r , u g i l ，i d e a s ，c a d d s 等， 基于微机的中、低端c a d 软件产品如s o l i de d g e ，s o l i d w o r k s ，a u m c a d ，c a d k e y 等。 国内在c a d 的理论研究方面，中科院计算所、清华大学等单位都取得了显著的 成果，在应用方面，开发了不少具有独立版权的c a d 系统，如开目c a d 、高华c a d 、 p i c a d 等，由于这些软件价格便宜，符合我国国情和标准，所以受到了广泛的欢迎， 赢得了越来越大的市场份额。 但是，目前我国c a d 技术仍存在以下几个主要问题：【2 2 l 0 ) c a d 软件开发形成的几个系统基本上都是二维绘图软件，开发者在技术上没 有什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究。在应用方面，很多企业只是把c a d 作为一个绘图工具，缺乏对产品设计理论和设计方法的研究，创新产品少，在市场上 缺乏竞争力。 5 1 绪论博士学位论文 ( 2 ) 自主开发用于解决产品设计问题的三维c a d 系统还未真正形成商品软件，其 功能、稳定性与国外同类产品相比还有较大的差距。在应用层次上缺乏创新，远不具 备与a u t o c a d 、s o l i de d g e 等国外先进产品竞争的能力。 o ) c a d 软件开发者缺乏对模型建立的理论和算法的研究。 ( 4 ) 对于以产品数据管理( p d m ) 和过程管理口m ) 为基础，实现c a d c a p p c a m 和e r p 等的有机集成方面的研究不够深入。 企业对c a p p 、图档管理、p d m 等新技术、新产品的需求将会迅速增长。文献 2 2 1 认为，从c a d 的发展来看，未来的趋势将是与计算机模拟和工业设计技术的结合。 具体体现为开放化、集成化，智能化和标准化。集成化体现在企业将逐渐从单一的对 c a d 软件的需求发展成为对c a d 、c a p p ，c a m 、c a e 、p d m 、m i s e r p 等技术 的集成软件的需求，从单一考虑某个软件的功能发展为考虑企业级信息集成系统的整 体功能和各个子系统的信息共享。文m 1 2 3 认为机械c a d 的发展主要在四个方面， 即集成化、智能化、并行化及虚拟技术。集成化体现在各种不同c a d 之间的集成和 c a d 与c a p p 、c a m 的集成，并提出c a d 与c a p p 、c a m 的集成已成为工程领域 中急需解决的问题。一般可以通过两个途径来解决：一是通过接口，将现有的各自独 立的c a d 、c a p p 和c a m 系统连接起来；二是开发集成的c a d c a p p c a m 系 统。文献 2 4 1 认为c a d 技术深化应用是企业c a d 应用到一定阶段的必然需求：c a d 应用已取得了巨大成绩，甩掉图板的企业很多，设计效率大大提高，但诸如工艺、管 理等诸多领域尚未引入计算机技术，其工作效率很低，强烈反差不断激励企业领导增 强对c a d 后续产品的投入。企业进行c a d 深化应用的内容主要表现在：如何在工 艺、管理部门中引入计算机技术，如：c a p p 、p d m 、设计计算与分析、m i s 等，使 企业实现从设计到工艺、制造和管理，从物流、资金流到信息流及其它各种资源，从 事后统计到事中控制，事先预测的集成管理。 在c a d 软件技术高速发展的今天，产品的二维工程图纸在设计软件中只是作为 一个副产品出现的。传统基于二维的产品设计与制造不仅需要耗费大量时间，周期长， 工作量大，而且，产品的二维图形显示不够直观，无法直接在机器人仿真环境仿真工 件焊接过程，显然不能满足弧焊机器人离线编程系统的仿真要求。而三维c a d 图形 直观，更接近最终产品，为后续c a m 以及有限元分析和计算机仿真提供了极大便利 和可能。但c a d 技术只是解决了设计部门的造型自动化问题，利用c a d c a p p p d m 集成技术，企业将实现真正的全数字化设计，而利用c a m 技术，将实现数字 化制造，是从企业生产的各个侧面来提高效率，推进自动化。 1 4 1 2 特征技术 特征技术是c a d c a m 技术的发展和应用达到定水平，要求迸一步提高生产 组织的集成化和自动化程度的进程中产生和发展起来的，它为c a d c a m 的集成提 6 博十学位论文弧焊机器人t 作站智能化技术研究 供了有效的途径。 基于特征的设计( f e a t u r e b a s e dd e s i g n ) ，简称特征设计，产生至今短短加多年 以来，特征技术的研究一直十分活跃，许多专家和学者对特征技术进行了研究，由于 学科领域和研究对象的差异，分别从不同的角度对特征进行了定义。p r a t t & w i l s o n 的定义主要基于形状特征分类，特征是一个零件的表面上有意义的区域，共分为六类 特征：通道特征，凹陷特征，凸起特征，过渡特征，域特征，变形特征。这种特征的 定义和分类方法，后来被s t e p 标准采用。d i x o n 的定义：“特征是具有形状属性和功 能属性的任何有名实体d 2 5 1 。1 9 9 1 年w i n g a r d 的定义：“形状特征是携带某些工程信 息的几何形体” 2 6 1 。s h a h 的定义：特征是产品信息传递的载体，它能帮助设计，制造 或其他工程任务之间的通讯与交流。把产品信息分为五类特征：形状特征、精度特征、 技术特征、材料特征和装配特征1 2 7 1 。文献 2 8 1 认为上述这些定义均在一定程度上反映 了特征的属性，但不甚完善。在产品并行开发过程中。特征是产品生命周期中的产品 信息的载体，要实现c a d 与其后续过程的集成与并行，特征应载有和传递更丰富的 产品信息，为此提出广义特征概念。广义特征是产品生命周期中信息的载体，它包含 产品生命周期内各种活动的全部特征信息，即产品生命周期内各种特征信息的集合， 包含l6 种典型特征。并借助于p r o d e v e l o p 开发工具，在p r o e n g i n e e r 软件基础 上，二次开发基于特征设计的c a d 系统。 特征造型的方法主要有自动特征识别和特征设计两种途径；【2 9 l 特征识别是从几何实体造型的三维图信息中自动识别出设计特征，这一过程称为 特征识别，然后再将设计特征转换为制造特征，即特征转换。特征识别是根据零件模t 型中边面信息的c s g 表示或p 表示，以及彼此间的拓扑信息，识别出一个个的 特征，所以工作量较大，也较因难。具体方法有特征精化、特征转换、特征提取及特 征图变换等。 1 4 1 3 焊接工件特征技术的研究现状 随着工件焊接的自动化程度提高，焊接机器人在工厂的大力推广和应用，焊接领 域的c a d c a p p c a m 是实现焊接过程集成化和自动化的理想途径。但与机械行业一 样面临着相似的问题，焊接工件的特征造型是机器人焊接c a d 与c a p p 、c a m 系统 集成需要解决的重要技术问题之。虽然焊接工件首先也是机械工件，有着与机械工 件特征设计相似的地方，但焊接作为主要的热加工手段，与其它机械方法是并行的、 互补的。目前的特征定义和分类中还没有很好的包含焊接特征，因此，只能借鉴特征 技术在机械的理论和经验，解决焊接工件的特征设计 文献【3 0 】对焊接工件特征提出要满足五点要求：完整表达焊接意图、支持标准、 与几何实体对应、提供正确性检验和显示焊接符号。认为从实体模型中采用特征识别 获取焊接特征极为困难，只能采用在建造实体模型时定义焊接特征。提出了采用焊接 7 1 绪论 博士学位论文 属性的结构来表达和存储焊接特征，并通过以c s g 为实体造型表达模式的i - d e a s 通用c a d 系统上二次开发，实现了一个焊接工件特征建模系统。 文献【3 1 1 借用装配的概念为焊接机器人离线编程系统设计了一个特征建模器。文 献【3 2 】为焊接工艺舰划系统的焊接条件输入研究了基于c a d 的识别特征问题，认为 文献【3 3 】为焊接变位机和夹具设计而建立的特征建模系统，对焊接特征的自动获 取没有涉及。 国内只有哈工大田劲松博士和刘彤硕士对焊接特征设计进行了探索性研究，把焊 接特征归纳为板特征、接头特征和坡口特征。并认为采用基于交互式的特征设计、自 动特征识别和特征设计三种途径的综合方式开发焊接特征是一个合适的途径。认为焊 接工件可看作一种装配，基于装配建模方法构造了焊接工件数据模型。并基于 a u t o c a d 2 0 0 0 为通用c a d 软件平台，应用其二次歼发工具o b j e e t a r x 实现了一个 焊接工件特征建模系统。p 4 蚓文献3 0 - 3 5 开发的焊接特征建模系统汇总如表 1 4 1 3 1 所示 这些文献可以归纳为以下几点： 1 ) 基于a u t o c a d 二次开发。 2 ) 不包含焊接板的设计，用户指定板、接头形式、坡口形状、各种参数和几何 特征。 3 ) 初步研究了板厚度识别和焊缝特征识别。 4 ) 焊接装配检查和特征库建立。 表1 4 1 3 1 焊接特征建模系统汇总 文献号发表时间c a d 平台用途国别 3 01 9 9 3i - d 队s弧焊机器人离线编程 美国 3 11 9 9 4p r 0 l e弧焊机器人离线编程 韩国 3 21 9 9 8e u c l i d弧焊机器人离线编程 法国 3 3 2 0 0 0a u t o c a d 焊接变位机方案设计中国 3 4 3 5 2 0 0 2a u t o c a d 弧焊机器人离线编程中国 但还存在以下问题： 1 ) 用户指定较多，特征设计和特征识别的成分较少，重复设计。 2 ) 没考虑坡口的特征设计问题，只是用户属性设计，没有坡口造型。 3 ) 开发平台比较落后。 4 ) 焊接工件特征建模器功能简单，与实际应用还有较大差距。 文献【3 6 1 中基于s o l i de d g e 的二次开发技术实现弧焊机器人系统建立和离线 8 博士学位论文 弧焊机器人工作站智能化技术研究 编程技术，研究了焊缝位姿信息的提取技术，考虑了开坡口和不开坡口f 两种情形，采 用了交互式鼠标拾取的方式获取并计算焊缝位姿信息。采用该方式提供了一种比较容 易地获取焊缝位姿信息的简单途径，适合一些简单的场合。但不能够很好适应 c a d c a p p c a m 数据的管理和双向流动，不能保证数据的一致性。另外，该研究没 有涉及焊接接头的设计和焊接工艺等问题。 1 4 1 4 机器人工作站的造型技术 典型的弧焊机器人工作站包括机器人系统、变位机系统、焊接系统。大型的工作 站还有2 句个自由度的移位运动机架如滑轨、龙门机架等，用于放置或倒置悬挂机器 人的本体。因此，机器人工作站造型实现由弧焊机器人、变位机和龙门机架等的计算 机三维立体运动图形仿真。 由于技术、设备条件等原因，九十年代的机器人图形仿真中常采用线框模型或表 面模型【3 7 蚓线框模型缺乏真实感和精确性，不能满足对仿真系统做观察和检测的 需要；表面模型将物体用若干多边形或曲面片组成，图形较为逼真，但只具备物体的 表面特征，而缺乏体的特征，也不适合作为精确仿真的模型。 文献p 9 1 指出机器人作业具有复杂的空间位姿，体现出自身的运动学和动力学特 征，因而机器人的工程仿真应采用三维实体模型。并应用a u t o c a d 构造精确的机器 人三维实体造型，在3 d s m a x 中进行渲染和运动约束，并将模型转换成通用数据交 换格式文件。文献1 4 0 1 在3 d s m a x 基础上，利用m a xs c r i p t 语言快速地开发了基本 的机器人运动仿真器。文献 4 q 基于a u t o c a dr 1 2 的a v i e ，实现了机器人及其工 作环境的参数化三维实体造型系统。文献【4 2 1 借助a u t o c a d 工作平台、以参数化三 维实体造型进行建模，利用a u t o l i s p 语言为工具进行机器人运动仿真，建立了 p u m a 5 6 0 机器人的几何模型。文1 缺1 4 3 在w i n d o w s 9 8 b i t 环境下、通过v i s u a lc + + 调用o p e n g l 中的函数，实时地建立起具有真实感的三维常用机构实体和实现三维机 构的运动仿真。文献 9 6 1 基于s o l i de d g e 软件的造型和仿真功能实现了s k 6 机器人的 三维运动仿真。 以上文献可以归纳为：1 ) 实体造型是机器人图形仿真的理想几何模型；2 ) 目前， 大多数机器人实体造型采用基于通用c a d 的二次开发，已开始采用o p e n g l 自主开 发三维实体运动仿真。3 ) 机器人三维造型系统一般针对某厂家某型号开发，用户构 建其他机器人比较困难。 i a 2 焊接机器人规划技术 机器人规划是指在一个特定的工作区域中自动的生成机器人从初始状态到目标 状态的动作序列、运动路径和轨迹，这实际上是路径规划。焊接机器人规划可分为焊 接任务规划、焊接参数规划、焊接机器人路径规划等三大类。 9 1 绪论 博十学位论变 1 4 2 i 焊接任务规划 焊接任务规划是一个更为复杂的系统工程。高级的焊接任务规划是自动完成工件 的装配次序、焊接次序等动作序列。由于焊接过程十分复杂，涉及知识多，要实现完 全自动的装配次序、焊接次序优化是一个难题，从国内外研究现状看，都没有可实用 的任务规划系统。目前基于交互式任务描述焊接装配次序、焊接次序的任务规划是一 个可行的途径。由焊接工艺人员描述焊接次序，如：先引弧焊接接头1 ，接头2 熄 博十学位论文弧焊机器人工作站智能化技术研究 它能根据不同的工件和焊接条件选出相应的焊接规范和多种焊接参数【4 ” 1 4 2 3 焊接路径规划 弧焊机器人路径规划分为焊缝段和过渡段，过渡段( 指不同次引弧的焊缝之间或 机器人初始状态到焊缝引弧点) 机器人路径规划属于( 一般) 机器人路径规划问题。 一般机器人无碰路径规划的任务是给定一个障碍环境，机器人起始点和目标的位 姿，规划机器人从初始状态到目标状态的动作序列、运动路径和轨迹，使其能无碰撞 的绕过障碍物。 机器人无碰路径规划的主要方法是基于c 空间的自由空间法和人工势场法等 1 1 , k 2 0 1 弘1 3 3 1 。 c 空间法是在建立c 空间后，采用图搜索方法如可视图法，切块投影法和切分 法等，几何法直接在姿态空间中寻找路径【1 傩1 0 9 l ，其共同缺点是，当姿态空间维数很 高时，