MOTOMAN_UP系列機(jī)器人離線編程系統(tǒng)

1、202機(jī)床與液壓第35巻MOTOMAN-UP系列機(jī)器人離線編程系統(tǒng)陳煥明，胡中華，熊震宇，江淑園（南昌航空工業(yè)學(xué)院材料學(xué)院南昌330034）:采用VISUAL C+6.0及OpenCL技術(shù)開(kāi)發(fā)了 MOTOMAN-UP列弧焊機(jī)器人離線綢程系統(tǒng)。建立了 MO1OMAN- UP系列機(jī)器人D刃坐標(biāo)系及連桿參數(shù)表，編寫(xiě)了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解模塊：針對(duì)典型馬鞍形工件的特點(diǎn).規(guī)劃出焊槍的運(yùn)動(dòng)路徑 與姿態(tài).且按比例同步顯示工件；隼成了機(jī)器人通信模塊MO1OCDM32和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿直模塊ROTSY并同步導(dǎo)入馬鞍形工件. 不僅能單步生成作業(yè)指令，且可自動(dòng)生成作業(yè)程序。通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行離線仿直試驗(yàn)及傳輸作業(yè)實(shí)焊.驗(yàn)證該丟統(tǒng)是切

2、 實(shí)可行的，:VELAL C+6.0: MO1OMAN-UP:離線編程；MOTOOOM32: ROTSY:TP242.2: A: 1001 - 3881 （2007） 9 201 3O fflhe-progranim hg Systan for MOTO AM N-UP Series RobotCHEN Huann in& HU Zhonghua, X DNG Zlicnyu, J PXNG Shuyuan(School of Material Science and Engineering, Nanchang hstitutcof Aeronautical Technology. N

3、anchang 330034. China)Abstract: 0filme-plognimn ing system forMOTOAMNP series wbotwas devebped by using V EUAL C +6. 0 and OpenCL A jpace cooniinate frame based on tlie D-A/ coordinate transfomatbn method and oonnectiiig-iod parameter table were built and inverse kinematics module was programmed In

4、allusion to saddle-shape wofk-piece, path and posture of motbn were p lanned and the woik piece was displayed on the intcriacc synch ion istically in piDportbn ROTSY for sinulatbn module and MOTOCOM 32 for ccmmunica- tbn were integrated bgetlier on the interface, and saddle shape woric-pce was in po

5、rted aunnatically in 初 ROTSY by which job in slmctiDn can be made step by step, and pb file can be made aukinatically Test by oftlme sinulation and practical weklmg piuves that the systan is feasibleKeywords: V EUAL C +6. 0; MOTOMAN-UP: Oftluie-piograiwn ing; MOTOCOM32: ROTSY© 1994-2009 China A

6、cademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 202機(jī)床與液壓第35巻/生成作業(yè)文件:航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（02H56007）0機(jī)器人焊接是焊接自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo) 志。從20世紀(jì)6（）年代誕生和發(fā)展到現(xiàn)在.焊接機(jī)器 人的研究經(jīng)歷了 3個(gè)階段.即示教在線編程、離線編 程和自主編程山。由于技術(shù)尚不成熟，目前國(guó)內(nèi)外大 量弧焊機(jī)器人系統(tǒng)從整體上看基本上都屬于第1代, 其軌跡、姿態(tài)和焊接工藝參數(shù)需在線示教.不僅占用 大量生產(chǎn)時(shí)間，而且示教質(zhì)量取決于操作者的經(jīng)驗(yàn), 在當(dāng)今產(chǎn)品的批量越來(lái)越少，而品種越來(lái)越多的形勢(shì) 下.

7、示教在線編程已成為新的生產(chǎn)模式的一大障礙。 離線編程可以克服以上不足.具有顯蓍的優(yōu)點(diǎn)。為滿 足小批量、多品種、成本低、時(shí)間短及焊接質(zhì)量髙等 要求.開(kāi)發(fā)離線編程系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。安川公司生產(chǎn) 的MO1OMAN-UP系列機(jī)器人在我國(guó)應(yīng)用較廣.而目 前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有針對(duì)UP系列機(jī)器人的實(shí)用性強(qiáng)、自動(dòng) 化程度高的離線編程系統(tǒng)：因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí) 產(chǎn)權(quán)的UP系列機(jī)器人編程系統(tǒng)意義車(chē)大。1MO7OMAN-UP系列弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)主 要包括“機(jī)器人及用戶接口、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、機(jī)器人通 信、焊接軌跡規(guī)劃及參數(shù)規(guī)劃、工作環(huán)埴建模、運(yùn)動(dòng) 學(xué)仿真、焊接作業(yè)文件自動(dòng)生成及保存.其相互關(guān)系 如圖1所示。建立MOTOMA

8、S （ PcAOflNK|系列機(jī)話人？ "坐杯劇_ 飛"* -cad圖形轉(zhuǎn)紈遜規(guī)劃冷二*I t件冷態(tài)顯示）I 運(yùn)動(dòng)星求解 關(guān)節(jié)屛施頑.tie心亦x刃圖1機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的組成2采用VISUAL C+6.0開(kāi)發(fā)系統(tǒng)用戶接口 '"，如 圖2所示，基本操作步驟及功能簡(jiǎn)介：（1）選擇機(jī)器人型號(hào)。如UP6、UP20等。（2）焊縫幾何參數(shù)規(guī)劃。選擇工件幾何形狀 （如圓形、馬鞅形等）并輸入幾何參數(shù)（空間位置, 尺寸大小、傾斜角度等），工件同步顯示且同步導(dǎo)入 仿真軟件ROTSY中。圖2 MO1OMAN - UP列機(jī)器人離線編程系統(tǒng)用戶接口（3）插補(bǔ)點(diǎn)個(gè)數(shù)計(jì)算。根據(jù)上一步

9、輸入的尺寸、 傾斜角度等參數(shù)確定滿足焊接質(zhì)量要求的插補(bǔ)點(diǎn)個(gè) 數(shù)，并顯示在用戶界面上。（4）通過(guò)微調(diào)按鈕去頂插補(bǔ)點(diǎn)序號(hào)。（5）插補(bǔ)點(diǎn)對(duì)應(yīng)機(jī)器人末端位姿。系統(tǒng)讀取插 補(bǔ)點(diǎn)序號(hào)，并調(diào)用焊接工件姿態(tài)規(guī)劃函數(shù).求出理想 狀態(tài)下機(jī)器人末端位姿，并顯示在界面上。（6）運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。系統(tǒng)讀取機(jī)器人末端位姿并 調(diào)用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解模塊，將結(jié)果顯示在標(biāo)簽關(guān)節(jié)角 及沖值下面。（7）單步生成指令。利用生成的六關(guān)節(jié)脈沖值 編寫(xiě)3條作業(yè)指令.并添加到作業(yè)文件的相應(yīng)位直.該程序符合日本安川機(jī)器人作業(yè)程序的語(yǔ)言格式。重 復(fù)步驟（4）（7）,直至完成所有插補(bǔ)點(diǎn)。（8）保存作業(yè)。將生成的作業(yè)文件包存到某個(gè) 路徑下。（9）離線仿真。調(diào)用R

10、OTSY進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。（10）機(jī)器人通信。調(diào)用MOTOCOM32將作業(yè)傳 輸?shù)綑C(jī)器人控制器XRC.遠(yuǎn)程操作機(jī)器人實(shí)焊?？紤]到簡(jiǎn)單實(shí)用，界面上自動(dòng)生成作業(yè)按 鈕可以實(shí)現(xiàn)一犍生成作業(yè)文件.無(wú)需車(chē)復(fù)步驟（4） 一 （7）.節(jié)省大量時(shí)間。3首先根據(jù)UP系列機(jī)器人坐標(biāo)系.列出機(jī)器 人連桿參數(shù)表：然后求出機(jī)器人各坐標(biāo)系（圖3）間 的齊次變泱矩陣。最后求運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。因?yàn)镸OIO- MANUP系列機(jī)器人有各種手臂形態(tài)，所以逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 的逆解不唯一.而機(jī)器人前3個(gè)關(guān)節(jié)變量?jī)H與機(jī)器人 末端點(diǎn)的位置有關(guān)，而后3個(gè)變量與末端點(diǎn)的姿態(tài)有 關(guān).故采用臂腕分離的方法結(jié)臺(tái)分離變量法，將機(jī)器 人末瑞的位姿分解為臂部和腕部?jī)刹糠?/p>

11、.分離變量法 即：保證左端僅有一個(gè)關(guān)節(jié)變量.尋找一個(gè)恰好右端 某項(xiàng)是常數(shù)或僅含該變量的等式，依次求出各關(guān)節(jié)變 量小。限于篇幅.這里未列出推導(dǎo)過(guò)程及求解公式。國(guó)3 MOTOMAN-UP列機(jī)器人DW坐標(biāo)丟 以MO1DMANPP20機(jī)器人為例.可得MOTO- MAN-UP20 機(jī)器人連桿參數(shù)，如表1所示。© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 202機(jī)床與液壓第35巻© 1994-2009 China Academic Journal Electroni

12、c Publishing House. All rights reserved 202機(jī)床與液壓第35巻1 MO TOMAN-UP20關(guān)節(jié)坐標(biāo)n坐標(biāo)變換連桿參數(shù)E （初值）/（）afl/Oq. /mmdn /nims嘰coCi w10Ale, (0)9015001021A2- 90)18073000-139A3e3 (0)901400-1043A404 (0)900-7651054A505(90)90001065A6©e(180)1800457.501© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House

13、. All rights reserved 202機(jī)床與液壓第35巻4通過(guò)該模塊.用戶選擇焊接工件的幾何形狀并輸 入幾何參數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的幾何形狀及幾何參 數(shù)自動(dòng)計(jì)算出符合焊接質(zhì)量要求的插補(bǔ)點(diǎn)個(gè)數(shù)及選擇 采用何種插補(bǔ)方式，并對(duì)插補(bǔ)點(diǎn)編號(hào)，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)對(duì) 應(yīng)的姿態(tài).即焊縫特征坐標(biāo)系。如選擇馬鞍形工件. 彈出的焊縫規(guī)劃對(duì)話框如圖4所示.不僅是用于正交 馬鞍形工件.而且對(duì)斜交馬鞍形工件同樣適用.功能 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第9期陳煥明尊：MO

14、TOMzXNHJP列機(jī)器人商線編程紊統(tǒng)203全是本系統(tǒng)的特點(diǎn)之一。圖中，工件的顯示、旋轉(zhuǎn)、 放大、縮小等功能的實(shí)現(xiàn)采用了 OpcnQ技術(shù)，用 戶可以清楚看到工件幾何形狀、個(gè)斜角度（圖中為 35°）。該界面圖文并茂，一目了然。圖4工件參數(shù)輸入及動(dòng)態(tài)顯示對(duì)話框5本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了焊接作業(yè)的兩種生成方式：一種是 單步指令生成，另一種是自動(dòng)生成。前一種生成焊接 作業(yè)文件需要執(zhí)行次數(shù)與插補(bǔ)點(diǎn)個(gè)數(shù)相等.即1個(gè)插 補(bǔ)點(diǎn)對(duì)應(yīng)1次編程操作，故插補(bǔ)點(diǎn)又叫編程點(diǎn)，缺點(diǎn) 是生成一個(gè)作業(yè)文件可能需要手動(dòng)重復(fù)步驟（3） （7）多次.易出錯(cuò).耗時(shí)長(zhǎng).但也存在優(yōu)點(diǎn)：方便用 戶查看某個(gè)編程點(diǎn)的機(jī)器人末端位姿及各關(guān)節(jié)相應(yīng)的

15、角度及脈沖值，其作用主要用于此；后一種是由計(jì)算 機(jī)自動(dòng)車(chē)復(fù)步驟（3）（7）.用戶只需按下按鈕自 動(dòng)生成作業(yè).就可以很快生成作業(yè)文件，并顯示在 界面的右上角，該方式可以節(jié)省大量時(shí)間.且不易出 錯(cuò).一般情況下.要生成焊接作業(yè)文件采用這種方 式。作業(yè)文件生成后，點(diǎn)擊按鈕保存作業(yè)，打開(kāi) 保存對(duì)話框.將文件保存到所需的路徑.在仿真及通 信傳輸操作中將用到此文件。6本系統(tǒng)將遠(yuǎn)程通信模塊MOTOCOVI32及運(yùn)動(dòng)學(xué) 仿真模塊ROTSY集成到一個(gè)界面上.用戶不再需要 另外啟動(dòng)這2個(gè)模塊，而只需點(diǎn)擊界面上的按鈕即 可。以焊接馬絃形工件為例.ROTSY仿真界面如圖5 所示.其中系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)入馬鞍形工件.而不需用戶導(dǎo)

16、 入.且焊接作業(yè)文件已經(jīng)保存到仿真軟件的默認(rèn)文件 夾下點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，可以觀寮到機(jī)器人焊槍沿著焊 縫軌跡焊接，其操作簡(jiǎn)單.自動(dòng)化程度高。通信模塊MO IOCCM32由3個(gè)模塊構(gòu)成，分別實(shí) 現(xiàn)髙速作業(yè)傳輸、主機(jī)控制及自動(dòng)作業(yè)更換的功能， 以髙速作業(yè)傳輸為例.其界面如圖6所示.在這一模 塊中.可對(duì)計(jì)算機(jī)中的程序和機(jī)器人控制器中的程序 進(jìn)行各種傳輸工作。如將計(jì)算機(jī)中的程序復(fù)制，移動(dòng) 到機(jī)器人控制器中：反之.也可以將機(jī)器人控制器中 的程序復(fù)制.移動(dòng)到計(jì)算機(jī)中。保存在計(jì)算機(jī)中的程 序，可以隨時(shí)打開(kāi)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編輯修改十分方 便。這樣就可以把離線編程生成的作業(yè).從計(jì)算機(jī)傳 到機(jī)器人控制器的內(nèi)存中.然后調(diào)

17、用主機(jī)控制模塊進(jìn) 行實(shí)際焊接.所有操作均在計(jì)算機(jī)上完成.且集成度 高，真正實(shí)現(xiàn)離線編程及遠(yuǎn)程操作。圖5馬鞍型焊縫運(yùn)動(dòng)學(xué)仿直圖6高速作業(yè)傳輸模塊7本研究采用VISUAL C +6.0編程工具開(kāi)發(fā)了 MOTOMANUP系列機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，適用于UP 系列的所有機(jī)器人該系統(tǒng)解決了運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的多解 優(yōu)化及仿真軟件ROTSY和通信軟件MOTOCOM32的 集成度不髙等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了焊接作業(yè)文件的單步生成 及自動(dòng)生成.結(jié)合先進(jìn)的圖形工具Opend技術(shù)實(shí)現(xiàn) 了工件的顯示、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等功能.使用戶對(duì) 嚇轉(zhuǎn)第207頁(yè)）在系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中.筆者選用了 C+Builder 作為開(kāi)發(fā)工具，C +Builder

18、同時(shí)支持CORBA和 DCOM.并內(nèi)置了 VisBiuker.其開(kāi)發(fā)環(huán)壇中還集成 T OORBA DL編譯器.是開(kāi)發(fā)分布式對(duì)象應(yīng)用系統(tǒng) 的優(yōu)秀工具。使用OMG DL描述系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)模型. 產(chǎn)生若干個(gè)IX文件.這些文件經(jīng)DL編譯器編譯 后，形成了給服務(wù)器使用的skcleion原始程序和給客 戶端使用的smb原始程序。然后編寫(xiě)客戶端應(yīng)用程 序處理客戶端的操作，再把slub原始程序包含在客 戶端應(yīng)用程序的項(xiàng)目中進(jìn)行聯(lián)編，生成可執(zhí)行的客戶 端程序。同樣的再編寫(xiě)能夠相應(yīng)并實(shí)現(xiàn)客戶端請(qǐng)求的 服務(wù)器端應(yīng)用程序之后.把skelefn原始程序包含在 服務(wù)器端應(yīng)用程序的頊目中進(jìn)行聯(lián)編.生成可執(zhí)行的 服務(wù)器端

19、程序.并且通過(guò)對(duì)象適配器將服務(wù)器對(duì)象類(lèi) 在實(shí)現(xiàn)庫(kù)中進(jìn)行注冊(cè).這樣.當(dāng)客戶端使用服務(wù)器對(duì) 象時(shí).服務(wù)器能夠自動(dòng)運(yùn)行。此外，OORBA應(yīng)用程 序是多線程的.在實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端對(duì)象時(shí)，要注 意防止線程沖突。我們可以利用VisiBmker環(huán)埴提供 的.包含頭文件的vdiread. h中的一些類(lèi)，其中包括： 互斥對(duì)象(VBVIulcx)、條件變量(VISCondilion)和 讀嗎鎖定對(duì)象(VISRWlock)來(lái)防止線程沖突。5軟件復(fù)用時(shí)在軟件開(kāi)發(fā)中避免瑩復(fù)勞動(dòng)的解決方 案。通過(guò)軟件復(fù)用，可以提高軟件開(kāi)發(fā)的效率和質(zhì) 量。基于構(gòu)件的復(fù)用是產(chǎn)品復(fù)用的主要形式.也是當(dāng) 前復(fù)用研究的焦點(diǎn)。基于構(gòu)件的開(kāi)發(fā)方法是

20、按照滿足 預(yù)先定義的功能要求將構(gòu)件隼成到應(yīng)用系統(tǒng)的過(guò)程。 從某種意義上說(shuō).構(gòu)件庫(kù)是軟件復(fù)用的基礎(chǔ).一個(gè)結(jié) 構(gòu)合理、功能齊全的構(gòu)件庫(kù)是進(jìn)行基干構(gòu)件的軟件開(kāi) 發(fā)的有力保證。目前，有多種途徑獲得構(gòu)件：從現(xiàn)有 的構(gòu)件中獲得符合要求的構(gòu)件.直接使用或作適應(yīng)性(上接第203頁(yè))工件一目了然。另外，還實(shí)現(xiàn)了焊接作業(yè)文件的自動(dòng) 讀取及工件模型文件的自動(dòng)導(dǎo)入功能，使得運(yùn)動(dòng)學(xué)仿 真的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。綜上所述，MOTOMAN- UP系列機(jī)器人離線編程系統(tǒng)具有功能全、集成度高、 速度快、自動(dòng)化程度髙、用戶接口友好、圖文并茂、 交互性好等特點(diǎn).它從真正意義上實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人離線 編程?！?】林尚揚(yáng)，陳本善.李成桐焊接

21、機(jī)器人及其應(yīng)用 M 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2000: 25 - 46.【2】劉永機(jī)器人離線編程研究D 南京：南京理工 大學(xué).2000.修改.得到可復(fù)用構(gòu)件；通過(guò)遺留系統(tǒng).將具有潛在 復(fù)用價(jià)值的構(gòu)件提取出來(lái).得到可復(fù)用構(gòu)件；從構(gòu)件 市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的商用構(gòu)件：開(kāi)發(fā)新的、符合要求的 構(gòu)件?？梢?jiàn)在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，提取 構(gòu)件并對(duì)構(gòu)件進(jìn)行開(kāi)發(fā)與積累是實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用的基礎(chǔ) 總之.本文分析了一類(lèi)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中構(gòu)件開(kāi)發(fā)模式，基 于ORBA方法實(shí)現(xiàn)構(gòu)件.為基于構(gòu)件的軟件開(kāi)發(fā)打下 了良好的基礎(chǔ)。軟件構(gòu)件技術(shù)的應(yīng)用正在促進(jìn)軟件產(chǎn) 業(yè)改革和重組分工.這對(duì)我國(guó)軟件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是個(gè)良 好的機(jī)遇。基干構(gòu)件的開(kāi)發(fā)方法作為軟件開(kāi)發(fā)的新手 段.是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物.必將取得進(jìn)一步突破。【1】王志堅(jiān)費(fèi)玉奎，等軟件構(gòu)件技術(shù)及其應(yīng)用|M. 科學(xué)出版社，2005.4.2】青鳥(niǎo)可境用軟件開(kāi)發(fā)指南青鳥(niǎo)工程項(xiàng)目組技術(shù)報(bào)告 R 北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系，1997.【3】楊芙清.梅宏.李克勤軟件貫用與軟件構(gòu)件技術(shù) J 電子學(xué)報(bào)，1999 ( 2): 1 5.4 NATO NATO Standard for Soffcvare Reuse Procedures |R1 . 1991, 3 (2) 5 HafedhMilL FainaMili. AliMili. Reusing Soflvare: Issues and Resea