OTC弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)*

諸葛琰，卓雪艷，廖小平，夏　薇

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧　530004；2.廣州軍區(qū)綜合訓(xùn)練基地,廣西 桂林　541002)

?

OTC弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)*

諸葛琰1,2，卓雪艷1，廖小平1，夏薇1

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧530004；2.廣州軍區(qū)綜合訓(xùn)練基地,廣西 桂林541002)

針對(duì)多數(shù)弧焊機(jī)器人商品化離線編程系統(tǒng)技術(shù)不公開、價(jià)格昂貴，且缺乏復(fù)雜焊接件及設(shè)備建模能力的現(xiàn)狀，提出基于三維設(shè)計(jì)軟件開發(fā)經(jīng)濟(jì)適用型離線編程系統(tǒng)的思路。運(yùn)用SolidWorks三維建模功能、二次開發(fā)接口平臺(tái)和VC++6.0，構(gòu)建OTC弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)體建模、離線示教和碰撞檢測(cè)等功能，并且能編寫直接導(dǎo)入機(jī)器人控制柜中的程序。通過對(duì)比離線編程系統(tǒng)的規(guī)劃軌跡和實(shí)際機(jī)器人再生程序時(shí)焊槍末端運(yùn)動(dòng)軌跡的結(jié)果表明，系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了弧焊機(jī)器人的離線編程。

弧焊機(jī)器人; 實(shí)體建模; 離線編程; SolidWorks; 二次開發(fā)

0　引 言

焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、船舶和航空工業(yè)等領(lǐng)域，有利于提高焊接質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本[1]。焊接機(jī)器人通過在線示教和離線編程兩種方法進(jìn)行作業(yè)控制,其自動(dòng)化水平主要取決于程序的編制。離線編程以編程環(huán)境好、可減少機(jī)器人停機(jī)時(shí)間、程序易修改等優(yōu)點(diǎn)受到重視[2-4]。

在機(jī)器人離線編程方面，國(guó)外企業(yè)已開發(fā)出一些實(shí)用化離線編程軟件，例如：Deneb Robotics公司的IGRIP，ABB公司的RobotStudio和MOTOMAN公司的MotoSim，它們是基于Windows操作系統(tǒng)的通用型離線編程軟件，集成了本公司所有型號(hào)的機(jī)器人、變位機(jī)和周邊設(shè)備模型，可實(shí)現(xiàn)仿真和離線編程，用戶操作方便。但這些軟件價(jià)格昂貴、技術(shù)不公開，還缺乏復(fù)雜工件及生產(chǎn)線設(shè)備建模能力[1,5-6]。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)的研究起步較晚。2008年，南昌航空大學(xué)基于VC++和OpenGL技術(shù)自主研發(fā)了Motoman UP20弧焊機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)，可對(duì)馬鞍形焊縫生成執(zhí)行程序[7]。2011年，北方工業(yè)大學(xué)基于ADAMS和Solidworks平臺(tái)創(chuàng)建了Motoman HP-6機(jī)器人的公用離線編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單軌跡離線編程和誤差補(bǔ)償[8]。但離線編程都主要停留在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、仿真與特定軌跡編程階段，自主研發(fā)進(jìn)展緩慢，對(duì)一般弧焊機(jī)器人實(shí)用性研究鮮見。綜合考慮，以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和三維圖形驅(qū)動(dòng)技術(shù)為支撐，基于三維建模軟件開發(fā)經(jīng)濟(jì)適用型弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。

本文以O(shè)TC弧焊機(jī)器人為研究對(duì)象，運(yùn)用VC++6.0和三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks的二次開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)弧焊機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)。

1　OTC機(jī)器人及離線編程系統(tǒng)分析

OTC(AII-V6)弧焊機(jī)器人具有六個(gè)自由度，可以保證工作范圍內(nèi)焊槍的任意空間軌跡和姿態(tài)，具有作業(yè)效率高、焊縫質(zhì)量好和系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。SolidWorks具有強(qiáng)大的參數(shù)化、特征建模功能和二次開發(fā)接口。在SolidWorks平臺(tái)上，針對(duì)OTC弧焊機(jī)器人開發(fā)的離線編程系統(tǒng)包含六個(gè)模塊[6]：

①機(jī)器人及其工作環(huán)境的三維建模模塊；

②待焊工件建模或者導(dǎo)入模塊；

③離線示教(焊縫軌跡規(guī)劃以及位姿信息提取)模塊；

④機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真、可達(dá)性檢測(cè)以及碰撞檢測(cè)模塊；

⑤機(jī)器人程序編寫和轉(zhuǎn)化模塊；

⑥便于人工操作的良好人機(jī)接口模塊。

2　離線編程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1弧焊機(jī)器人及其工作環(huán)境的建模

弧焊機(jī)器人本體建模是影響整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)正確率和可靠性的關(guān)鍵。OTC弧焊機(jī)器人為6個(gè)自由度回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)型的開鏈?zhǔn)綑C(jī)器人，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)D-H坐標(biāo)系如圖1所示，6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度變換決定了焊槍末端位置和姿態(tài)[9]。開發(fā)離線編程系統(tǒng)首要工作是構(gòu)建一個(gè)滿足弧焊機(jī)器人軸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與位姿運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系的虛擬模型，這也是實(shí)現(xiàn)對(duì)軸轉(zhuǎn)角和焊接位姿參數(shù)監(jiān)測(cè)的前提。

圖1　OTC(AII-V6)弧焊機(jī)器人

機(jī)器人本體建模時(shí)，對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的特征曲面進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，可提高離線編程系統(tǒng)的運(yùn)行效率。設(shè)置虛擬機(jī)器人世界坐標(biāo)系與D-H坐標(biāo)系中的基座坐標(biāo)系(X0Y0Z0)重合，可確保了虛擬機(jī)器人位置運(yùn)動(dòng)學(xué)的正確性，且與實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式一致。具體的，以圖1中的參數(shù)作為虛擬機(jī)器人本體建模標(biāo)準(zhǔn)，依次創(chuàng)建單個(gè)軸的零部件模型和機(jī)器人裝配體，再按照機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式添加裝配約束和驅(qū)動(dòng)角度屬性完成機(jī)器人構(gòu)建。

Matlab機(jī)器人工具箱具有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和軌跡規(guī)劃等函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的仿真和數(shù)據(jù)分析等功能[10]。根據(jù)圖1中D-H坐標(biāo)系和桿件參數(shù)在Matlab中建立機(jī)器人仿真模型，然后對(duì)離線編程系統(tǒng)的虛擬機(jī)器人和Matlab仿真模型添加一致的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角參數(shù)，進(jìn)行模型校驗(yàn)，機(jī)器人位姿對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了本虛擬機(jī)器人模型正確。

工作環(huán)境和相關(guān)配套設(shè)備模型也是影響離線編程的關(guān)鍵因素。它既制約著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍和軌跡規(guī)劃，又對(duì)機(jī)器人的可達(dá)性分析和碰撞檢測(cè)產(chǎn)生影響，甚至關(guān)系到離線編程引入到工程實(shí)際運(yùn)用標(biāo)定作業(yè)的難易程度。本文根據(jù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)算建立弧焊機(jī)器人及其工作環(huán)境，結(jié)果如圖2所示。

圖2　弧焊機(jī)器人及其設(shè)備環(huán)境的三維模型

2.2弧焊機(jī)器人離線示教的實(shí)現(xiàn)及信息獲取

弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的核心體現(xiàn)是：在具有臨場(chǎng)感的三維虛擬環(huán)境中，如同在線示教，完成待焊工件的示教作業(yè)。其包括機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、姿態(tài)保存、運(yùn)動(dòng)控制和焊接控制四個(gè)方面。

離線編程系統(tǒng)具有實(shí)體建模、離線編程和碰撞檢測(cè)等功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了機(jī)器人示教和程序生成兩個(gè)界面，且兩個(gè)界面均以非模態(tài)對(duì)話框的形式工作。基本方法是：基于VC++對(duì)SolidWorks的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬機(jī)器人的圖形驅(qū)動(dòng)控制、焊接軌跡信息的獲取和機(jī)器人程序編寫。主要步驟為：在VC++中建立新的離線編程系統(tǒng)工程，選擇ATL COM appWizard項(xiàng)目，在建好的工作區(qū)間CLASSVIEW中右鍵添加NEW ATL object Wizard，選擇SwAddIn。由此，編寫好的系統(tǒng)可以插件形式被SolidWorks調(diào)用。

圖3　機(jī)器人示教界面

機(jī)器人示教界面(如圖3)主要有坐標(biāo)控制、單軸控制、軸角度傳感器、焊縫信息的提取和編輯功能。坐標(biāo)控制和單軸控制由旋轉(zhuǎn)按鈕與SolidWorks API對(duì)象的AddMate3和EditDelete等函數(shù)實(shí)現(xiàn)；軸旋轉(zhuǎn)角度和焊縫信息的獲取主要通過特征傳感器的CreateMeasure、get_Angle和IGetSelectionPoint2函數(shù)實(shí)現(xiàn)。提取的離線示教信息通過數(shù)據(jù)庫保存在后臺(tái)，在示教點(diǎn)軌跡顯示、機(jī)器人程序編寫和軌跡仿真時(shí)調(diào)用。獲取機(jī)器人軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)鍵代碼如下：

//定義相關(guān)接口指針

CComPtrswModel;

CComPtr swExtension;

CComPtr swMeasure;

//定義數(shù)組保存計(jì)算的角度值

double sensorValue[6];

……

//選擇要測(cè)量的旋轉(zhuǎn)面

swExtension->SelectByID2(L"上視基準(zhǔn)面@第一軸-1@OTCV6",L"PLANE", 0, 0, 0, true,1,NULL,0,&retval);

swExtension->SelectByID2(L"上視基準(zhǔn)面@第二軸-1@OTCV6", L"PLANE", 0, 0, 0, true,1,NULL,0,&retval);

swExtension->CreateMeasure(&swMeasure); //創(chuàng)建測(cè)量

swMeasure->Calculate(va,&Val);swMeasure->get_Angle(&sensorValue[0]);sensorValue[0]=(sensorValue[0]*180)/3.14159;//將弧度轉(zhuǎn)化為角度保存

2.3示教軌跡的再現(xiàn)與程序編寫

示教軌跡再現(xiàn)是以數(shù)據(jù)庫保存的示教信息作為SolidWorks 3D草圖對(duì)象的輸入?yún)?shù)，通過VC++調(diào)用相應(yīng)的繪圖函數(shù)將示教軌跡繪制在系統(tǒng)中。由此可對(duì)待焊工件的焊接軌跡進(jìn)行修改、優(yōu)化或者重新規(guī)劃。

離線編程系統(tǒng)可生成OTC弧焊機(jī)器人程序，本文經(jīng)過分析機(jī)器人指令系統(tǒng)、內(nèi)部程序文件和控制柜中的機(jī)器人語言，選擇了MOVEX格式語言來編寫程序。其主要包含機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度以及焊接命令等信息。例如，關(guān)節(jié)插補(bǔ)程序和焊接開始代碼的語言格式及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

MOVEX A=8,AC=0,SM=0,M1J,P,(0.00,90.00,0.00, 0.00, -90.0, 0.00),R=8.0,H=1,MS，

ASDM 1,0,0,2,1,0,1,1,0,0,150,20,0.8,50,0,0,0,0,0,0,0,150,0,0,20,0,0,80,0,0,0,0,0,0

對(duì)應(yīng)示教器指令表格式為：

8.0% JOINT A8 T1。

AS[W1,無,00, 150A,20.0V,50cm/m, DC→]。

基于該指令格式編寫由機(jī)器人軸轉(zhuǎn)角位姿信息轉(zhuǎn)化成機(jī)器人語言程序的界面如圖4所示。

圖4　機(jī)器人程序生成界面

3　弧焊機(jī)器人離線編程的方法與流程

本弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)提供了坐標(biāo)控制和單軸控制兩種示教編程模式。前者以世界坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，可通過重合關(guān)系使焊槍末端點(diǎn)與焊點(diǎn)重合，也可直接“拖拽”焊槍末端至工件待焊點(diǎn)，調(diào)整焊槍姿態(tài)，由傳感器獲取各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角和焊點(diǎn)位姿信息。后者以軸坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，單軸控制機(jī)器人到達(dá)焊接點(diǎn)從而獲得機(jī)器人的位姿轉(zhuǎn)角信息。上述兩種示教模式下的示教信息可用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)到后臺(tái)，作為程序生成界面中編寫機(jī)器人程序的輸入?yún)?shù)。完成一段可執(zhí)行程序的具體編程流程如圖5所示。

圖5　離線編程流程圖

圖6　離線編程界面

依據(jù)該流程驗(yàn)證關(guān)節(jié)插補(bǔ)、直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)三種常用的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的主要步驟為：將SolidWorks軟件創(chuàng)建的一段Ω形焊接軌跡的工件模型導(dǎo)入離線編程系統(tǒng)并固定在工作臺(tái)上，通過調(diào)用示教界面完成軌跡規(guī)劃、離線示教和信息保存工作(如圖6)，最后利用程序生成界面編寫機(jī)器人程序如下所示：

MOVEX A=8,AC=0,SM=0,M1J,P,(0.00,90.00,0.00, 0.00, -90.0, 0.00),R=8.0,H=1,MS

MOVEX A=8,AC=0,SM=0,M1J,P,( 16.0,57.50,-9.00,0.0, -25.0,0.0),R=8.0,H=1,MS

……

MOVEX A=5,AC=0,SM=0,M1J,L,(-11.8,50.21, -2.7,0.00, -31.47,22.65),S=33.3,H=1,MS

MOVEX A=8,AC=0,SM=0,M1J,P,( -20.13,67.53,-20.18,0.00, -30.0,0.00),R=8.0,H=1,MS

MOVEX A=8,AC=0,SM=0,M1J,P,(-0.01,90.0,0.00, 0.00, -90.0, 0.00),R=8.0,H=1,MS

END

4　其他模塊與功能

本文的離線編程系統(tǒng)還具有這些功能：①碰撞檢測(cè)?？芍苯佑肧olidWorks評(píng)估模塊中的干涉檢查和特征傳感器檢測(cè)機(jī)器人與周圍環(huán)境是否碰撞。②可達(dá)性檢測(cè)。當(dāng)機(jī)器人焊槍被“拖拽”或者添加配合關(guān)系到機(jī)器人不可到達(dá)位置時(shí)，系統(tǒng)的配合檢測(cè)會(huì)提示建模的錯(cuò)誤或者無法實(shí)現(xiàn)該配合。③模擬仿真。利用motion分析模塊，按照規(guī)劃的軌跡序列將示教信息轉(zhuǎn)化給各關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)并設(shè)置速度，力和其他約束參數(shù)后進(jìn)行仿真分析。

5　離線編程系統(tǒng)程序驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)離線編程系統(tǒng)的可行性和正確性，將系統(tǒng)編寫的Ω軌跡程序?qū)隣TC弧焊機(jī)器人控制柜中進(jìn)行試驗(yàn)。步驟是：用控制柜將程序語言轉(zhuǎn)化成示教器指令表(如圖7a)，然后進(jìn)行標(biāo)定作業(yè)和前進(jìn)檢查，確認(rèn)機(jī)器人程序無誤，姿態(tài)正確后即可用再生模式運(yùn)行。前進(jìn)檢查時(shí)，軸監(jiān)視器顯示焊槍末端位置與離線系統(tǒng)中記錄的位置存在誤差，范圍為0～1mm，這是由于機(jī)器人的關(guān)節(jié)磨損和控制精度小于離線系統(tǒng)精度所致，屬于系統(tǒng)誤差，在系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)。圖7b是離線編程系統(tǒng)中的Ω焊接軌跡，圖7c是機(jī)器人再生模式運(yùn)行時(shí)，利用繪圖筆代替焊槍末端(如圖8)繪制的軌跡，對(duì)比兩個(gè)軌跡的結(jié)果表明：在誤差精度允許范圍內(nèi)它們是一致的，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)OTC弧焊機(jī)器人的離線編程。

圖7　機(jī)器人程序表與Ω軌跡圖

圖8　機(jī)器人再生模式運(yùn)行圖

6　結(jié)束語

基于三維建模軟件SolidWorks和VC++對(duì)其的二次開發(fā)，建立了OTC焊接機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面友好，交互性好，實(shí)現(xiàn)了具有臨場(chǎng)感的離線示教和程序編程功能。對(duì)比離線編程系統(tǒng)中的焊接軌跡和機(jī)器人再生程序的焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和正確性。這為經(jīng)濟(jì)適用型弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 曹金學(xué).工業(yè)點(diǎn)焊機(jī)器人離線編程軟件的國(guó)產(chǎn)化開發(fā)及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011,28(12):99-100.

[2] 王巍,惠帥,梁濤,等.柔性導(dǎo)軌自動(dòng)制孔機(jī)器人離線編程與仿真技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù),2012(1):125-128.

[3] 焦恩璋,陳美宏.弧焊機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)和軌跡控制[J].焊接技術(shù),2009(12):53-55.

[4] 宋鵬飛,和瑞林,苗金鐘,等.基于Solidworks的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013(5):1-4.

[5] 劉圣祥,高洪明,張廣軍,等.弧焊機(jī)器人離線編程與仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].焊接,2007(7):21-27.

[6] 孟國(guó)軍.工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2011.

[7] 胡中華,王艷.弧焊機(jī)器人MOTOMAN—UP20離線編程系統(tǒng)[J].電焊機(jī),2008(6):34-36.

[8] 殷際英,尹峰.機(jī)器人離線編程系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2011(11):71-74.

[9] 鄭紅梅,鄔亞蘭.6R機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(3):5-7.

[10] 袁安富,沈思思,余莉,等.基于ADAMS和MATLAB的噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(8):44-48.

[11] 陳其忠,鄒焱飚,張鐵,等.噴涂機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)床與液壓,2013,41(11):122-124.

[12] 陜軍峰,魚海翔,朱學(xué)軍.機(jī)器人碼垛離線仿真與遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011(4):70-73.

[13] 宋立杰,張桂香,趙杰,等.激光焊接機(jī)器人離線編程分析與實(shí)現(xiàn)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2008(12):113-116.

[14] Saeed B. Niku.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M]. 孫富春,譯. 北京:電子工業(yè)出版社, 2013.

[15] 曹巖,方舟.SolidWorks開發(fā)篇[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

(編輯李秀敏)

Research on Off-line Programming System of OTC Arc Welding Robot

ZHUGE Yan1,2, ZHUO Xue-yan1, LIAO Xiao-ping1,XIA Wei1

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.The Comprehensive Training Base of Guangzhou Military Area, Guilin Guangxi 541002, China)

For the majority of commercial arc welding robot off-line programming systems are private, expensive, and lack of complex welding and equipment modeling capabilities, the approach of developing an economic and reingistic off-line programming system which is based on 3D design software is proposed. In order to achieve this idea, the OTC robot off-line programming system is built by using the SolidWorks 3D modeling capabilities and its secondary development interface platform and VC + + 6.0 software. This system has realized the functions of 3D modeling, off-line teaching, collision detection and it can write programs which can be directly imported to the robot’s control cabinet. By comparing the real robot reproduce trajectory and the planning trajectory of system, the result shows that this system is feasible.

arc welding robot; entity modeling; off-line programming; SolidWorks; secondary development

1001-2265(2015)11-0091-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.026

2015-01-12；

2015-02-09

廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目(桂科攻：1348012-10)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(13-051-09512)

諸葛琰(1988—)，男，廣西桂林人，廣西大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化，(E-mail)250695033@qq.com； 廖小平(1965—)，男，長(zhǎng)沙人，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化。

TH166;TG506

A