基于SolidWorks喷涂机器人离线编程系统的设备建模

研 究与 基于S o l i d Wo r k s 喷涂机器人离线编程系统的设备建模木 张 莉 华南理工大学广州汽车学院 广东广州 5 1 0 8 0 0 设 备建模 包括 四个部分 即零件建模 装配建模 参数 化建模 以及运 动学建模 以 S o l i d Wo r k s为开发平 台 构 备模 型 并应用 S o l i d Wo r k s提供的 A P I 函数实现模型 的重 构和运动仿真 针对复杂 曲面进行 仿真实验 实验 型 的 正 确 性 线 编程 S o l i d Wo r k s 中图分 类号 T P 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 0 9 0 0 5 1 0 2 l l予 肓 根据 机器人工业协会 的定义 工业 机器人是 一种用于 工业 自动 化应 用的可 以自动控 制 可再 编程的 多用途 的 三轴 以上 的可编程操纵器 它可以 固定 也可 以移动 随着 中国国民经济的发展 工业 自动化水平 的提升 中国工业 机 器 人 市 场潜 力 日益 增 大 发 展 壮 大 我 国 自主 品 牌 的 机 器 人及 自动化成套装 备产业 已成 为当务之 急 1 作 为工业 机器人 主要应 用领域喷涂方 面的喷涂机器 人愈来 愈具有发 展前景 喷涂 机器人不仅可 以改善工人作业 条件 而且还 可 以提高产 品的质量 降低生产 成本 从 而提高企业 的竞 争力 由于喷涂机器人应用 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 务的编程技术 己经 成为一个 重要 问题 其 对机器人的推广应 用及其应用 效率 的发挥起 着越来越重要 的作用 通常机 器人编程方式 可分 为示教再 现 编程 和离线 编程 示 教再 现 编程 由于存 在 如下 两个 问 题 1 编程时需 要机 器人停 止工 作 这 不但 降低 了效 率 而且增加 了生产 的成本 2 编程 的精度 往往 取决 于操作人员 的工作 经验 解决这 一问题就需 要采用离 线编 程的方法 而 离线 编程的关键就 是对设备进 行建模 这是 整 个 离 线 编 程 系 统 的 基 础f 3 本 文 以 S o l i d W0 r k s 2 O O 9作 为 开 发 平 台 以 Vi s u a l S t u d i o n e t 作 为 开 发 工 具 实 现 了 本 实验室研发的喷涂机器 人的三维建模 2 S o l i d Wo r k s 平 台 S o l i d Wo r k s 是基 于 Wi n d o w s 的 主流三维设 计 软件 集 成 了 C A D C A P P C A E C A M P D M 等功 能 在此 平 台 上可 完成产品 的集成设计 工艺设计 有限元分 析 数控 加工 编程 产 品数 据管理 同时 S o l i d Wo r k s的二次开发平 台也 以其开发方法 容易 强大 的功能以及开 发和维护成本低 等 一 系 列优 点而被 广大 的技 术人员 所采 用 S o l i d Wo r k s A P I 提供 了大量 的 C O M 对象用于二次开 发 这些 C O M对象 总 共 可 以分 为 十 大 类 数 百 个 对 象 涵 盖 了 S o l i d Wo r k s基 本 操 作 和 全 部 的 数 据 模 型 通 过 对 S o l i d Wo r k s的 C OM 对 象 的调用 用 户可 以基 于 S o l i d Wo r k s 平 台 构建符合特 定需 求 的 二 次 开 发 系 统 3喷涂机 器人设备建模模 块 喷涂机器人设 备建模是 指要计算机 上首先 绘制 出 机器人的 3 D模 型 然后分别定义模 型的各 个关节的属性 通过定义这些 属性 就可 以控制机器人 的模 型 使之 成为 离线编程所需 要的实体 喷 涂机器人 的设 备建模包括 四个 部分 即零件 建模 装配建 模 参数化 建模 以及运动 学建 模 3 1零件 建 模模 块 在整个 的设 备建模系统 中 零件建模 是最为基本 的模 块 一个零件 就是一 个独立 的刚体 没 有任何 的 自由度 它 的属性 也是 最 少 的 为了提 高 离线 编程 系 统的运 行 速 度 在 零 件 建 模 的 时 候 对 机 器 人 各 操 作 臂 和 关 节 进 行 简 化 如 图 1 左 图 为 喷 涂 机 器 人 小 臂 设 计 模 型 右 图 为 用 于离线编程 系统中的简化模 型 简化后 的小臂模型省 去了 原模型 中的复杂特征 曲面 只保留 了总 体特征和小臂 长度 尺 寸 3 2装配 体 建模 模块 当把所有 的零 件模块通 过程序 绘 制 出来 以后 就 2 0 0 9年粤港关键领域重点突破资助项 目 编号 2 0 0 9 0 1 0 1 1 收 稿 日 期 一 一 j 与开发 t 图 1 零 件 简 化 建模 对 比 需要 对这些零件模块进行装配 装配时 在各个转 动关 节 处 定义一些转角位置配合 关系 用以锁定各个关节 的转 动位置 通过这些配合属性 可以控制机器人各关节 的转 动 如 图 2所示 利用大臂 和小臂的上视基准面建立名 为 A n g l e 3的夹角配合关系 夹角配合值为 9 0 0 3 圈暖瞄誓叠 幽二 I 馨 蛊 置 曹 簟 簟 叠 蠢 1 爵 鳓 一一一 塞岛1 嚣 I 摩 IJ 0 l v 1 日 R lJ j 釜嚣 一 l 釜 1 I 图 2 喷涂机器人大臂与小臂装配模型 3 3参数化 建模 参数化建模是指针对 于系列化 的机器人产品 提供参 数化的人机交互 界面 设置各关节 臂长 可实现喷涂机器 人 3 D模 型的重构 本文采用 V i s u a l S t u d i o n e t 作为开发工 具 通过对 S o l i d Wo r k s 二次开发实现此 功能 表 1列出 了 表 l 喷涂机器人的基本参数 口l l mm mm 1 O 0 0 一I 8 0 a SI 8 0 2 9 0 2 5 0 O 一 7 0 7 0 3 O 8 7 5 O 一 9 0 S S9 0 4 9 0 O I 1 0 o 一 9 0 s9 0 5 9 0 0 0 1 3 0 S1 3 0 6 9 0 0 0 3 5 5 3 5 5 喷涂机器人的基 本参数 图 3为二次开发获得的参数化建 模 的 人机 交 互 界 面 以及 重 构 后 获 得 的机 器 人 本 体 模 型 3 4运 动学模 块 运动模块提供 了设备 的关节运动 运动 到 目标点 路 径运动等功能 机器人运动学包含两类问题 第一个是正 运动学问题 给定操作臂的关节变量 求解相应的末端执 行器的位姿 第二个是 逆运动学问题 已知末端执行器的 位姿 则可 以求解此状态下 的关节变量 运动模块的主 要是通过对 S o l i d Wo r k s的 M o t i o n模块进 行二次 开发实现 开 发 的流 程 如 图 4 机嚣人基本参数 C I 2 5 0 a 8 7 5 C 3 0 i0 1 1 0 d 臣函 图 3 喷涂面离散点坐标 与法向矢量敷据 实现在S o li d Wo r k s 环境下的运动仿真 参数化 建模的人机 交互 界面 和重构后 获 得 的机 器 人本 体 模 型 由工件坐标系到基 坐标系的坐标变换 获得相对于喷滁机 器人基坐标系的位 置和姿态 通过二次开发 调用S o li d Wo r k s A P I 函数 图 4 运动学模块 的开发流程图 由机器人逆 运动学算法 喷涤机器人鲁关节 转角 4仿真 实验 系统中的设备 对象是由本实验室和广州数控设备有 限 公司联合研制的的喷涂机器人 设备具有六个 自由度 建 模后 的机器人 本体 对象如 图 3 用于仿真研 究的喷涂对象 如图 5 图 6为仿真实验过程 仿真实验验证 了所建的设 备模型的正确性 二 丑 图 5 仿真实验的喷涂对象 下 转 第 1 0 2页 交流 图 2 气 门的氮化层深度 5 0 0 图 3 凹坑氮化层剥 落 2 0 0 x 显微镜分析 结果 见图片 4 从 电镜 同片 可以判断 凹坑 不是摩擦磨损造成 是南于脆性剥落形成 2分析与讨论 气门在发 动机工作 时循 环的开启 闭合 其锥面在落 座时会受到来 自座圈的 冲击载 荷 虽然 氮化层硬度 很高 而且摩 擦系数 很少 抗摩 擦磨损 与抗 粘着 磨损 的能力 很 强 但 据 N a m P S u h的 T h e D e l a m i n a t i o n T h e o r y o f We a r 磨损脱层理 论 两种较 硬材料接 触时 最 大剪切应力往往发生在材 料的次表层 而气门氮化层的次 表面恰好存 在脆性的脉状 组织 最终导致气门锥面氮化层 剥 落 形成 凹坑 图 4 凹坑电镜照 片 3结论 气门氮化层 存在脆性 的脉状组织 是气 门锥面产生 凹 坑的主要原因 另外 改善气 门落座冲击载荷对 防止锥面 产生凹坑也会有帮助 参考文献 1 赵 建才 梅殿君 4 C r l 0 S i 2 Mo钢 气门杆表 面凹坑分析 J 金 属 热 处 理 2 O 0 7 3 2 1 2 1 0 3 1 0 5 2 N P S u h c o w o r k e r s T h e D e l a mi n a t i o n T h e o r y o f We o r y o f We a r El s e v i e r S e q u o i a S A 1 9 7 7 a l s o We a r Vo 1 4 4 P P 1 1 6 2 1 97 7 作者简介 陈刚 男 1 9 6 3年生 广东罗定人 大学本科 工 程师 研究领域 发动机气门制造 和产 品开发 编辑 向 飞 上 接 第 5 2页 图 6 仿真实验 5结论 对于 离线 编程 系统来 说 最基 本的模 块就 是建模 模 块 建模的成功与否直接关 系着后续 的所有T作 本文的 主 要工 作 如 下 1 以 S o l i d wo r k s为 开 发 平 台 构 建 了 喷 涂机器人的设备模型 2 以 V i s u a l S t u d i o n e t 作 为开发 工 具 通 过 S o l i d w o r k s提 供 的 AP I函数 实 现 模 型 的 重 构 和 运动仿 真 3 针对复 杂的喷涂 曲面进行仿 真实验 实 验结果验证本文所建模型的正确性 参考文献 1 徐方 工业机 器人产业现状与发展 J 机 器人技 术与应用 2 0 o 7 5 2 4 2 陈坤聊 陈永明 林一松 基于 S MP运 动控 制 内核的机器人 控