工业制造机器人的离线编程

摘要：介绍了一种用于制造作业的机器人程序自动生成方法。这里开发的离线编程系统包括机器人及其工作单元的图形仿真，机器人的运动模型，运动规划和制造过程的 NC 代码的创建。该系统应用于具有五个旋转接头的机器人制造操作和具有六个旋转接头的机器人焊接操作。

关键词：机器人 离线编程 仿真 焊接

1 介绍

机器人技术在制造业的应用导致了生产时间的缩短和工件质量的提高。生产多种产品的中小型企业重新设计了一种自动生成过程 NC 代码的方法。使用CAD系统的机器人离线编程有可能在执行任务时产生机器人的视觉预感，并在规划阶段消除机器人到达、可接近性、碰撞、定时等问题。通过这种方式，可以实现显著的时间经济性，因为实际制造只需要当新程序下载到工作单元控制计算机时，短暂中断。

利用计算机辅助设计系统进行程序设计是近年来研究的热点。机器人及其工作单元的计算机图形仿真可以通过不同的模型实现，如线框模型和实体模型[1]。这些模型和适当的算法可用于碰撞检测和机器人的运动学和动力学行为[2,3,4]。

本文介绍了制造用机械手程序设计的自动生成过程。这里开发的离线程序设计系统包括机器人及其工作单元的图形模拟、机器人的运动学、运动规划和数控代码的创建。借助这一程序，可以模拟机器人在这一过程中的行为。所开发的系统在两种情况下进行了演示：用于一般制造工艺的五自由度和五转动接头机器人（RV-M1）和用于焊接的六自由度和六转动接头机器人（RV6）。

2图形仿真

在程序的第一步中，使用SolidWorks程序[5]实现操纵器、刀具、工件和工作空间的图形模拟。将机器人连杆的尺寸、形状、运动学等几何特征引入数据库。机器人运动学描述包含自由度、关节类型、D-H矩阵参数[6]和关节功能限制等信息。在立体三维空间中绘制操纵器连杆后，考虑到关节的位置和相对位置，装配它们。链接之间的主动运动。图1显示了具有五个旋转关节的机器人的模拟模型。

机器人工作环境的模拟模型包含了包括工件在内的工作空间的几何数据，这些数据将被处理，并且可以以与机器人几何相同的方式描述。

3机器人运动学

为了规划和模拟机器人的运动，必须求解机器人的正运动学和逆运动学问题。在这个视图中，机器人由一个开放的空间运动链组成。图2显示了具有六个旋转关节的机器人的模拟模型。利用图2表格中给出的均匀变换矩阵和D-H矩阵参数，建立了机械手的运动方程。这些方程可用于机械手的正向或反向运动。

在给定的末端控制位置和方向下，对机械手的逆运动学问题进行了分析求解。图2中的操纵器有一个闭合形式的解，因为轴4、5和6相交[7]。这样，就可以确定关节变量组的所有八个解以及机器人的相应配置[8]。从关节变量集合中选择一个保证碰撞避免、关节限制和避免奇异配置的变量。所用的CAD软件包具有很高的碰撞检测潜力。使用FORTRAN编程语言，计算沿末端控制路径的每个点的关节角度。

4运动规划器

从工件CAD模型中，程序员生成每个运动的初始点和最终点的列表，以及要处理的工件特征，如位置、材料、宽度、加工深度等。运动规划器基于机器人和工件CAD模型，分为总体运动规划和最终运动规划。

总运动计划器负责规划进出工艺操作的端部控制室的进近和离港运动。无碰撞路径的生成是通过“假设和测试”方法实现的[9]。该方法利用启发式规则来提供一个有效的解决方案。对于从起点到终点的候选路径，用户可以确定点的数量，并使用线性或样条插值计算中间点。在每个位置处，求解逆运动学，并考虑关节限制，检查碰撞避免。如果发现碰撞，则通过检查碰撞中涉及的障碍物，提出新的候选路径。该过程将继续，直到找到无碰撞路径。由总运动规划器生成的无碰撞路径示例如图3所示。

精细运动计划器计划从每个流程的初始点到最终点的操作路径。在这个过程中，机器人必须将工具保持在正确的方向、正确的距离，并以恒定的速度移动。考虑到刀架的位置，确定了末端挡板相对于机器人底座的方向。由于这种方向有时会导致端部变形器与工件发生碰撞，因此用户可以修改端部变形器方向角，直到避免碰撞为止。轨迹规划采用线性插值法。

将获得的轨迹保存到文件中，图形模拟器在实际过程之前显示机器人运动顺序，以供验证。

5NC代码生成

为了生成 NC 代码，机器人运动程序完成了有关过程的命令 (脉冲速度，旋转速度，冷却液流等，用于加工过程和电弧电流，电弧电压, 焊接速度，送丝等焊接工艺)，考虑到工艺数据 (工件和电极材料、工艺位置等) 以及机器人控制器的插补设施。然后可以将程序下载到机器人控制器。

制造过程数控代码生成系统的结构如图4所示。路径规划部分是在Visual Basic环境中开发的，它用逆向运动学问题解来模拟机械手的运动，用 Fortran 语言求解，并与SolidWorks设计软件中构建的CAD模型并行。路径规划仿真软件在考虑工艺参数的同时，自动生成制造用数控代码。

开发了仿真软件，为用户提供了方便的自动轨迹编程方法[10]。本软件平台上设置的所有运动都与实体工作平台交互，确保用户对轨迹编程的监控。机器人的运动控制是通过末端控制位置和定向定义来实现的。为了提高过程仿真的精度，进行了沿选定轨迹插补点的过程。这种线性插值不仅指坐标，还指端部效应器的方向。轨迹保存到文件中，以便轻松访问每个轨迹。

开发的软件包括三种形式。称为“点基础”的主要形式如图5所示，包含沿着轨迹的点。末端偏转轨迹可以通过四种方式产生：

–通过选择预先设计的路径

–通过选择SolidWorks中设计的直线和样条曲线路径

–通过机器人3D工作空间中的设定点（属于末端控制装置的轨迹）。

–通过选择要处理的零件的顶点或边（直线、圆弧、样条曲线、抛物线和椭圆）。

路径点显示在表格中，并且可以更改所选点的参数。对于每个点，都可以根据工艺技术设置末端挡板的坐标（X、Y、Z）和方向角（A、B、C），以便以正确的方向接近目标点。给出了每个点的关节角度值，并能够看到关节角度极限的超越和机器人任何部分与工作区障碍物的碰撞。可以标记“焊接”和“OSAP”框，分别设置工艺（本例中的焊接）的起始点和“振荡辅助点”。还可以在最终轨迹点之间插入点，模拟整个轨迹，并检查点表中的点参数。

第二种称为“读取点”的形式是将用户与SolidWorks软件环境连接起来的通道。SolidWorks空间中的所有工件选择（点、曲线、表面等）都可以读取、识别和检查其中的顺序。可调插补点数是编程点可以添加到点的基本轨迹中。

机器人控制的数控代码是自动生成的，通过对三种形式的并行、虚拟和测试点的工作，检查关节极限和无碰撞运动，模拟运动，达到理想的轨迹效果。

6应用

上述方法应用于用于焊接办公家具框架的六自由度机械手[11]。图6给出了机器人的图形仿真示例以及在其工作台上调整的办公椅底座。图中也显示了末端影响路径（详图A）。四条直线段3–4、7–8、11–12和15–16用于焊接，三条中间样条曲线4–5–6–7、8–9–10–11和12–13–14–15用于避免碰撞移动，构成路径。为了缩短焊接过程的持续时间，选择了焊接线的顺序。下面介绍了该方法的另一个应用。机器人和待焊接工件的图形仿真如图7所示。整个路径的编程点插入到图5中的点表中。求解了轨道上所有点的逆运动学问题。

在SolidWorks环境中，焊接过程的四个要点如图6所示。

为了满足所有的焊接工艺条件，选择了表1所示的电流强度、电弧电压、送丝等应用中使用的焊接参数。这些参数在NC代码主程序调用的“Weldon”过程中确定。“焊接”程序使用线性极间运动（CP_线）和恒速。

图8所示的NC代码是使用整个路径的编程点创建的。将其应用于机器人控制器，它执行此代码，将末端挡板移动到指定位置，并生成如图9所示的接缝。

7结论

利用所开发的程序，可以生成过程的数控代码，同时考虑了过程的技术数据和机器人控制器的插补设备。所提出的系统可进一步用于通过缩短工作单元的周期时间来优化工件的工艺规划。

使用CAD/CAM系统的离线编程应用程序显著减少了机器人停机时间，生产过程变得更加高效。

为了改善末端控制装置的路径规划，减少对速度、加速度和执行器扭矩等运动控制的限制，需要对机器人的动态模型进行未来的开发。

参考文献

1.Megahed SM（1993）机器人建模与仿真原理。威利，纽约

2.Mitsi S，Bouzakis K-D，Mansour G（1995），考虑到碰撞避免和关节限制的反向运动学解中机器人连杆运动优化。J机械-马赫理论30:653–663

3.Mitsi S，Bouzakis K-D，Tsia Fis I，Mansour G（1997），考虑关节摩擦的自由度操纵器动态行为模拟。巴尔干摩擦学协会3:51–60

4.Mitsi S，Bouzakis K-D，Mansour G（2000），通过工业机器人自动生成用于焊接的NC代码。in:tcmm，技术出版社，布加勒斯特，40:311–316

5.SolidWorks（2001）用户指南。SolidWorks公司

6.Denavit J，Hartenberg RS（1955），基于矩阵的下副机构运动符号。ASME J应用机械22:215–221

7.Craig JJ（1986）机器人学、力学和控制导论。艾迪生·韦斯利，阅读

8.Mitsi S，Bouzakis K-D，Mansour G（1999），通过工业机器人考虑工作单元自动生成用于焊接的NC代码。in:proc 5th eedm conf mach tools manuf process，thessaloniki，第367–375页

9.McKerrow PJ（1993）机器人学导论。沃金汉·艾迪森·韦斯·利

10.Sagris D（2001）工业机器人RV6离线程序开发。塞萨洛尼基亚里士多德大学EEDM论文

11.REIS机器人手册。REIS GmbH和Co-Maschinenfabrik

图 1五个旋转关节机器人

图 2六自由度机器人及其 D-H矩阵参数

图3路径优化避障

图 4自动化机器人焊接系统结构

图 8焊接数控代码

图9在机器人实战中的应用工作区

工业机器人编程与控制集成体系结构

克拉斯·尼尔森A，，罗尔夫·约翰森B

摘要

由于机器人控制系统传统上是封闭的，因此很难添加补充智能。因此，基于用户视图的新概念，提出了一种分层的系统体系结构。考虑到计算效率和简单的工厂车间操作等工业需求，控制层通过功能运算符进行参数化，该功能运算符由编译代码组成，这些代码可以作为层之间的参数传递。从而有效地完成了特定于应用程序和内置运动控制之间所需的交互。实验评估和几个案例研究的结果表明，该体系结构在工业环境中也非常有用。copy;1999爱思唯尔科学有限公司版权所有。

1、引言

高级机器人系统这一术语是常用的，但根据应用领域的不同，其含义也不同。例如，考虑在定义明确的环境中用于制造目的的机器人，或在定义不明确的环境中操作的自主机器人。在前一种情况下，困难在于结合机器人生产率的高水平性能要求，使机器人灵活、易于为新应用编程。在后一种情况下，控制问题涉及以特定时间方式主动感知、感知、推理和驱动的协调任务。具体来说，所有类型的控制都需要支持引入传感和驱动的紧密软件耦合[42]。

由于目前可用的工业机器人控制系统通常无法提供灵活和强大的环境，从而无法实现复杂的任务级编程，同时也无法提高自主性和智能性[19]，因此我们需要一个适当的架构，为机器人控制提供框架。在这里，我们将主要考虑用于制造目的的机器人，同时铭记更智能的机器人。许多可用的高层控制概念/架构应该可以叠加在我们的基础上。

目前，尤其是未来，机器人能力的提高是一个复杂的问题。目前许多研究项目的目的是通过定义控制系统体系结构来应对这种复杂性。此外，这种体系结构还应促进控制和软件组件的现代化和重用，这是一个共同的目标。在工业机器人控制领域，机器人自动经济学正引起人们的极大兴趣。然而，忽视或忽视先进机器人对制造业的重要性会导致以下问题：

需要重新开发机械手控制子系统，以适应智能控制系统。利用工业机器人控制器的能力将通过共享大量经过广泛测试的模块的用户群来减少开发时间和成本。对于智能机器人控制系统的设计，采用一种纯粹的自上而下或功能分解的方法，“社区将被困住，永远创造出有趣、昂贵和独特的创造，而这些创造从未得到广泛的应用”[23]。

在本文中，我们提出了一种体系结构、体系结构原理和自下而上的方法，作为智能机器人控制中其他体系结构方法的基础和补充。这是通过以下方式实现的：

本节将对文献中的架构进行回顾和分类。

第2节讨论了所谓智能机器人的体系结构和抽象，特别关注在相对定义良好的环境中运行的机器人，如在制造业中。

我们提出的体系结构在第3节中介绍，其中还将介绍用户视图的概念。

第4节包含评估，第5节和第6节包含讨论和结论。

1.1.软件架构的作用

系统设计者不可能预见到每个应用程序的需求。这在运动控制中是非常明显的，在运动控制中，它的特性必须能够在高级应用中进行修改。此外，为了为任务级编程提供足够的范围，需要排除软件体系结构所带来的不必要的干扰或障碍，这是机器人研究中已被忽略的问题。“NASA/NBS遥控机器人控制系统体系结构标准参考模型（NASRM）”[

资料编号：[5539]