基于CAD的机器人焊接_切割离线编程系统

. 璐. 瓜瓜祖翻瓜峨口狱扭用 基于CA D 的机器人焊接 ? 切割离线编程系统 卢正君, 刘洋? , 程学刚2, 幸研? , 仇晓黎? , 张强3, 刘少辉? (1.东南大学机械工程学院 南京 210096; 2.江苏省焊接自动化装备高新技术研究实验室 昆山 215301 : 3.昆山工研院工业机器人研究所 昆山 215301; 4.昆山华恒焊接股份有限公司 昆山 215301 ) 摘 要:针对 目 前工业机器人离线编程实际应用中无法快速 ?便捷实现等问题, 本文介绍作者开发的基于三 维以D的机器人离线自动编程系统 该系统由姿态定义模块 ?后处理模块 ?仿真模块和焊接/切割工艺模块 (专家系统)模块组成, 可以根据CA D 模型快速完成焊接/切割姿态的规划, 解决了空间曲面堆焊机器人无法 实现人工示教的问题, 完成各种加工任务 实践表明, 应用此系统能提高机器人焊接和火焰切割的质量与速 度, 提高了企业的生产效率和经济效益 关键词:以D: 离线编程; 姿态定义; 焊接; 切割; 机器人 O 前言 随着工业技术的发展, 对产品的生产周期 ? 制造成 本提出了更高的要求, 传统的产品加工 ?工艺方法己不能 满足要求 为适应这种需求, 提高焊接质量 ? 减少生产周 期 ? 降低生产成本, 提高产品的市场竞争能力 己是当务之 急, 机器人编程系统的柔性优势正是解决这一问题的最 佳方案 目前机器人编程大多采用示教编程, 但示教编程 存在精度不稳定, 编程时间长, 机器人工作效率低, 这不 仅严重降低工作效率, 而且其工作质量主要依靠操作者经 验, 无法得到可靠的保证 此外 , 对于仅有以D数据的工 况, 如空间曲面形状的堆焊加工是无法用机器人示教编程 来完成的 机器人离线编程是利用计算机图形学的重要成果, 经 过系统计算后生成代码, 然后对编程的结果进行三维图形 动画仿真,以检验程序的正确性, 最后将生成代码输送到 机器人控制器, 来控制机器人运动, 完成给定任务 为适 应小批量 ? 多品种的趋势, 节省生产成本和时间,提升机器 人应用水平, 开发和应用离线编程系统是机器人技术发展的 必然趋势 ! 目前 ,国际市场上 应用 于PC机上成熟的商用软件 有Wor ks paC e ,Ro bCA D ,R obo tw o rk S等 Wo rk spa Ce 是 R o bo tS im u la t io n s 公 司 开 发 的 ,该 软 件 采 用 了 AC 工 S作为三维底层核心 ,与一些基于微机 的CAD系统 如A toCAD做到了很好的数据交换 Siel nens公司开发 的RobCAD主要应用于 白车身点焊 , 喷涂,激光切割等 方面 RobotworkS是 由以色列CompuCraft公司开发的 集成到S lidw rks中的机器 人模拟器,可以生成 日本 FANUC ? 安川电机 ? 川崎重工 ? 瑞典ABB ? 德国Kuka及法 国Staubli的机器人程序 国内在焊接机器人离线编程领域, 哈尔滨工业大学, 南京理工大学都做了很多的研究工作 哈尔滨工业大学的 离线编程软件较为成熟, 可以针对性完成一些产品的加 工 现有商业机器人离线编程软件的离线 自动编程能力不 足, 对于具体模型的姿态和轨迹规划操作十分困难, 甚至 无法完成, 限制了机器人离线编程技术的发展 针对以上 问题,本文介绍 了自主研发的基于CAD的 机器人离线编程系统 该系统选用 了三维CAD设计软件 SolidworkS为开发环境, 实现了CAD/CAM/CAPP/CAE的集 成 系统简介 本系统是在Win d owS环境下基于So l idwo r kS的机器人离 线编程系统 它 目前可以完成的任务包括机器人工作站空 项目: 江苏省自然基金科学基金( BK2007 1 1 7 ), 东南大学自 然科学基金预研项目( XJO702265 ) , 江苏省科技成果转化专项资 金项 目(BA2007058) 36# 机器人技术与应用 双月刊 第6期 . 喊口翻且碱困皿砚口以 与 明 姿态定义模块一 后处理模块仿真模块 工艺模 块 切割艺规划工 成工艺卡生接焊性预侧 烽接用t 计算 八 汗 编 一 盆 . ?一一 一 二 戈一一 力 ,一一去一一 , 卜一 一, 万 一一 多 己 l岛一一 嘴 王徐一一 祀 夕一 一奋 .一 一 ?J一一 J钊一一 目 ,一一 1 !一 店 沪 ?一 一;口一一 范?一 角笼 %一 口,一 占卜 一一 下 己一 一 亡,一 , 卜一一 二 又一? .一一 习O一 .一 一化%一正;协一一土铭一一侧 一 内一,一一 艺 帐一小J一 , ,一一 一 人一入 一一一肌 .1 中一一 匕一 一 一匕L - - _止匕_亡 ? _ 习 图1 机器人离线编程系统框架图 间布局 ? 姿态定义? 计算机辅助焊接工艺规划 ? 自动编程 和干涉检测等 系统主要由以下模块组成: 姿态定义模块 ?后处理模 块 ? 仿真模块和焊接/切割工艺模块(专家系统)模块等 系 统框架图如图1所示 本系统采用交互式全中文菜单驱动环 境, 主要由主菜单区 ? 建立坐标系窗口? 姿态定义窗口? 程 序输出? 工艺规划窗口等几部分组成 2.姿态定义模块 姿态定义模块包含弧焊和火焰切割两个模块, 两者均可 以对直线? 曲线进行姿态的定义 2 . 1 坪缝信息提取 焊缝几何特征信息就是描述空间焊缝(空间直线和任意 曲线)焊接位置的几何信息, 以及形成该焊缝的两个侧面的 几何信息 本系统采用人机交互的方式分别获取起始点 ? 终点? 两个侧面法向量的信息 然后根据获得的信息结合 转角和倾角定义焊点处的工作面和所需姿态 转角:基准面(接触面)绕焊接行走方向朝另一个接触面 旋转的角度, 一般取两个接触面夹角的一半 旋转后所得 到得面为工作面 倾角:在工作面内, 两个接触面的法向向量和与实际姿 态的夹角, 偏向行走方向的反方向为正 两个外径动=715mm管件相贯所得马鞍曲线, 采用10mm 步长, Il l u n 弦高差离散并定义姿态后的结果如图3所示 下一步, 每个离散点根据给定的转角和倾角在离散点处 自 动生成姿态, 并可由操作者手动调整, 确定最终姿态 2 . 2 切 剑信 息提取 火焰切割中姿态的定义与焊接有所不同, 无需定义接 触面 切割工件的模型中己经完成切割成型面的造型, 也 就等价于焊接中的工作面 将成型面中定义的姿态沿法向 向外偏移小段距离 (火焰的半径)即为实际割枪的姿态 对 于切割, 姿态一般没有倾角, 其姿态在工作面内与切割的 行走方向垂直 图4 变坡口的马鞍曲线切割 3.后处理模块 图2 焊缝 的定义 本系统目前支持KUK A和Re i S两种机器人, 可以自动生 成其控制程序 本文以KUKA机器人进行说明, KUKA机器人 的程序文件包含SRC文件和DAT文件, 前者是编程文件, 包 含运动指令 ? 逻辑命令, 焊接方式 ? 焊缝跟踪等; 后者是 数据文件,包括点的位置信息 (点坐标 ? 欧拉角和附加轴 角度 ) ? 工艺参数 (焊接速度 ? 焊接电流 ? 送丝速度 ? 点 火参数 ? 收尾焊口参数等) 3 . 1 坐标 系变换 其中点的位置信息是在模型中所建立的Base坐标系 下,并将零件坐标下获得的点坐标 (x, y, z)转换到BASE坐标 系下的(xb, yb, zb), 如图5所示 坐标转换矩阵为: 图3 马鞍曲线的焊接姿态定义 2009年1 1 月3 0 日#机器人技术与应用3 7 . . 日日砚瓜翻口口日恤口 技 术 与 应 用 /z 荟 尸 兰: ,: _ R一绕x轴旋转矩阵; 凡)绕Y轴旋转矩阵; R一绕Z轴旋转矩阵; ( x , y, Z )点在零件坐标系下坐标; (xb,yb,:b)点在Base坐标系下坐标: 3.2 求解欧拉角 通过Solidworks获得焊枪坐标系在Base坐标系下的坐 标轴单位矢量n,口 ,汤 焊枪坐标系定义为: X方向为轴向方 4.仿真验证 离线程序中的仿真功能主要是用来判 断在当前布局 下, 在焊接或切割过程中机器人是否会与工件发生干涉, 但更重要的是来判断机器人的可达性问题, 即是否会发生 限位或出现奇异姿态 本系统 目前基于Simpr 软件, 支持Kuka 和Reis机器 人, 三轴龙 门架, 变位机的控制程序输 出 对于特定工 件, 通过姿态定义给 出各个节点在Base坐标系下的位姿, 即为机器人7轴(焊枪/割枪)末端的姿态 变位机的任务是 保证工件处在平焊或是利于机器人工作的位置, 再指定龙 架的运动轴 , 根据变位机与机器人的协调运动, Si m pr 软件自动求解机器人各个关节角, 实现整个过程的仿真, 如图gb所示 垂) 轴| | 卜眼| |向, Y轴通常为行走方向, Z轴位于焊枪端面并与X ? 直 可以得到焊枪坐标系相对于Ba s e坐标系的矩阵: r r2 3 l 3 r r2 2 l Z 一1 1 ?J 斗a冲口斗n r e s e s e s e s e s L 气 2几 3 r r r3 Z l尸w e l w e e s s e s e e s ? 一一 ?J e e | l | | | | | | | | X y 艺 a a a X Z V 口口口 Z X y n n n 厂. J e s e s l 一一 可以求得欧拉角计算公式为: ? = a t a n ( r z , 价 入 闷 )口 一 R , A)常数; t)后热时间(h ) ; T)后热温度 (+ ) 对式 (5 )两边取对数得 In:二 In诬 +旦?生 RT ( 6) 38# 机器人技术与应用 双月刊 第6期 . 曲匕瓜瓜盈翻砚砚口狱粗用 令 得 厂 二 Int, z = 生 T :=1 , +旦 xz R (7) 然后利用最小二乘法拟合曲线, 求得模块的默认值, 适用于低合金高强钢 (焊前预热13 0+ )的参数 5 . 2 工艺参数推理 焊接工艺参数的推理采用基于范例的推理方法 ( a s e- bas d reasoning,eBR) , 它基于过去求解类似问题的经 验来获得求解当前问题的结果, 推理包括检索 ? 重用 ?修 正范例 ?保存范例四个过程, 当前面临的问题称为目标范 例, 记忆的问题称为源范例 它解决了传统的基于规则推 目标 范例 检索策略 式中s为相似度, wi为范例特征信息的权重, xi为目标 范例特征信息数值, y,为源范例特征信息数值, n为范例特 征信息数 目, i二 1, 2, 3,? ? , n 求得 目标范例与源范例的相似度后 , 对相似度进行 排序, 并和所设定的阐值进行比较, 采用最相近邻策略选 择相似度最小的源范例作为最相似范例 采用欧氏距离计 算相似度的最关键的问题是权重的确定, 权重的确定关系 到检索速度和质量,由于特征信息有主次之分, 应给每个 特征赋以不同的权重, 权重的设定有主观赋权法 , 二元对 比法 ? 古林法 ? Delph i 法 ?AHP法等 ) 和客观赋权法 (离 差最大化法 ? 均方差法 ?主成分分析法 ?遗传算法 ?嫡值 法 ? 灰关联分析法等) 以及组合赋权法 8 I , 本系统结合最 相近邻策略使用灰关联分析法确定特征信息权重, 从而确 定特征信息的重要程度来提高系统的检索速度和质量,同 时也提供权值人工设定的接 口 在计算灰关联系数前, 需 对数据进行无量纲化, 对数据进行无量纲化的方法有初值 化 ?均值化 ? 中值化 ? 公值化 ? 区间相对值化法等 , 最常 用的为初值化和均值化法 本文采用初值化法,即同一 数列的所有数据 , 均 除以第一个数据所得的新的数据 以无量纲化后的焊接电流为参考序列x 0 二 x (l ) , x (2 ) , ( x (n)二 x (k)k二 1,2, (,n, 比较序列x ? 二 x,(1), x,(2), ( x,(n)二 x ? (k) 一 k二 1, 2, (,n(i二 1,2,3)为范例的特征信息, n为源范例个数, 取分辨系数r拍.0 5 , 代入灰关联系数计算 公式: 知( k )= rm 鲜哪x x 0 (k)一 x? (k)1 (团(画 困吃 x 0 (k)一 x i (k)l+rm鲜m P x x 0 (k)一 x i (k)l(9) 可求 出xi( k )对x ( k )的灰关联系数互 0 i御 , 将求得 的 弘( k ) 代入灰关联度计算公式: 否 新范例 存储 是 :一 鸽? 1 0 ) 匣画回国 周彩画令应画画画 提取泥范例 对其进行归一化后可得到各个特征信息的权重 图8 基于范例的推理过程 叹 琳= 二厂一 艺 i= 1 (11) 理的知识获取存在困难 ? 推理效率低下等问题 本系统所 采用的推理过程如图8所示 在推理时,先根据过渡方式 ? 母材牌号? 接头形式等 信息查找相应的工艺信息记录集, 这三者信息是完全匹配 的, 然后根据板厚 ? 间隙 ? 钝边等信息进行范例间相似度 的计算 相似度计算主要有模糊相似优先 ? 神经网络 ? 曼 哈顿距离 ? 欧式距离圈等方法, 本系统采用欧式距离计算 相似度, 相似度定义如下: 得到最相似的工艺参数后,并不能直接采用,因为 目 标范例与源范例并不完全相同, 在评价之后若不可以直接 使用, 需要对工艺参数进行修正 并可以将新的工艺参数 加入数据库,提高C B R 的学习能力 :=, 艺 w i 二 二 些 ? (, ,(8 ) 12 1! 6.系统验证 6 . 1船用苦件带坡口马鞍形曲面的切剑? 浑接 应用本系统为主管中=45Omm, 支管 中=180mm的马鞍曲 线生成Kuka机器人切割 ? 焊接控制程序, 经现场实际控制 机器人试切,完全达到设计要求 2009年1 1 月3 0 日#机器人技术与应用 3 9 技术与应用 a 管件切割 b 焊接过程仿真 图9 马鞍曲线切割和焊接仿真 6 . 2 冲击式水转机水斗机界人堆俘成型加工 由于冲击式水轮机水斗其型面复杂, 无法用传统的锻 造 ? 铸造形式完成, 为得到高质量的复杂曲面模型, 瑞士 苏尔寿公司采用目前国际上最先进的机器人堆焊成型加工 方式完成水斗加工 昆山华恒焊接股份公司应用本系统和 客户端提供的CAD造型数据, 完成1: 2.5水斗实验件堆焊加 参考文献 lMadsen O, Sorensen C B. Asystem for complex robotie weldingJ. Industry Robot, 2002, 29 ( 2):127一 131. 2叶炜威,余才佳. 5 lidworks 2006实 体建模与二次开发教程M . 国防工业出版 社 北京 2006, 9:180一 181. 3Solidworks公司 . Solidworks API Help CP % 仁 5了 江洪,魏峥. Solid物r k s二次开发实例 解析 M % 机械工业出版社 北京 2 0 0 4 .3 6 孙 家广,杨 长贵.计算机 图形学 M 清华大学出版社 北京 2006,7 (3): 344一 348. 7Hegyi A, de Sehutter B,Hoogendoom 5.Afuz zyde eis ionsuPP ortsys tem fortraffiCc ntroleent rsC % .IEEEIntellig nt TransP orta tion Systems. oaklan d,CA ,USA ,200 1:358一 363. 8ChowdhuryMA, SadekAW, MaYongehang, etal. App l ieat ionso far t ifie ialin te llig ene epar ad igmsto deeisionsupportinreal一 timetraffiemanageoente . Tr an sPortat ionResearehBoard.Wa sh ingtonDC,2006 :92一 工 解决了复杂空间曲面无法示教编程的问 题, 为复杂空间曲面快速成型技术开辟了一条 新途径 如图1 0 所示 7. 结束语 综上所述, 本文基于先进 的三维设计软 件, 开发的机器人离线编程系统, 可以根据 以D模型完成复杂 曲面的焊接 ? 切割加工, 提 高姿态信息定义精度 ? 焊接(切割)效率和焊接 (切割)质量 系统经实际加工验证, 可以实现特定条件 下的用户要求,目前正在进一步完善, 尽快实 现产业化应用 图1 01: 2.5的水斗模型与堆焊效果图 Of f i i ne一 Program m i ngsystem f o rR o botW elding/Cut ting Based on Lu zheng Jun, Liu Yang ? , eheng xue Ga n gZ, x ing Yan, Qiu xiaoLi ? , zhang Tao3,Liu C A D Sha oH ui4 (1. Meehanical Engineering Sehool, Southeast University, Nanjing 210096: 2. Welding Automation Teehnology Engineering Res