趙鳳申

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，南通 226010)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人以其高效、焊接質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中代替人力完成焊接、搬運(yùn)、噴涂等繁重、重復(fù)性勞動(dòng)工作。為提高作業(yè)效率，多采用在線(xiàn)示教編程，該方式主要針對(duì)圓弧、直線(xiàn)等簡(jiǎn)單作業(yè)軌跡，對(duì)復(fù)雜曲線(xiàn)（如相貫線(xiàn)等）只能通過(guò)人為設(shè)定多個(gè)控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的近似擬合，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與理論曲線(xiàn)的重合度受控制點(diǎn)數(shù)量和插補(bǔ)方式的影響，而較多的控制點(diǎn)則需要較多的設(shè)備調(diào)整和程序錄入時(shí)間，造成實(shí)際焊接效率低下，且焊接質(zhì)量受到操作人員主觀因素、技術(shù)水平的影響。為解決在線(xiàn)示教對(duì)復(fù)雜曲線(xiàn)等作業(yè)任務(wù)適用性一般的問(wèn)題，需要借助離線(xiàn)編程方法，即由計(jì)算機(jī)完成工件、機(jī)器人的三維模型構(gòu)建，并采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄍ瓿陕窂揭?guī)劃并生成作業(yè)文件，傳送至計(jì)算機(jī)執(zhí)行，提高作業(yè)質(zhì)量和效率。

本文在UG中利用UG/Open二次開(kāi)發(fā)功能，建立安川工業(yè)機(jī)器人和工件的三維模型，通過(guò)在UG中拾取關(guān)鍵點(diǎn)并獲取精確坐標(biāo)，計(jì)算出曲線(xiàn)的解析式，然后經(jīng)由通訊協(xié)議驅(qū)動(dòng)機(jī)器人連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成焊接過(guò)程。

1 UG中虛擬模型的建立及運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

UG軟件功能強(qiáng)大，能夠接受多種格式的三維工件模型，并提供了高效的UG/Open二次開(kāi)發(fā)接口，因而對(duì)于工件與機(jī)器人模型建立和虛擬仿真十分方便。

UG/Open有外部和內(nèi)部?jī)煞N運(yùn)行模式，內(nèi)部模式在程序被加載到UG系統(tǒng)分配內(nèi)存后，作為子進(jìn)程長(zhǎng)駐內(nèi)存，并可以通過(guò)UG的交互界面獲取和創(chuàng)建模型，通過(guò)圖形窗口查看運(yùn)行結(jié)果，外部模式則為一個(gè)獨(dú)立的可執(zhí)行程序，多用于數(shù)據(jù)管理而非幾何操控。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部模式，在Visual C++中利用向?qū)Ы⑤敵鰹镈LL的工程文件，并修改入口函數(shù)名為ufusr()作為入口函數(shù)[1]。

1.1 用戶(hù)界面的建立

用戶(hù)界面采用可視化工具UIStyler模塊，UIStyler提供了強(qiáng)大的UG風(fēng)格界面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以自動(dòng)生成與對(duì)話(huà)框?qū)?yīng)的C語(yǔ)言模板文件，方便用戶(hù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)UG與用戶(hù)程序的無(wú)縫銜接。

通過(guò)UG的用戶(hù)界面編輯器進(jìn)入U(xiǎn)IStyle模塊，點(diǎn)擊添加各種控件圖標(biāo)并修改其位置參數(shù)即可完成用戶(hù)界面的構(gòu)建。通過(guò)設(shè)置控件的標(biāo)識(shí)符并在控件屬性對(duì)話(huà)框中設(shè)置回調(diào)函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)在控件的各種事件響應(yīng)。保存該用戶(hù)界面后，系統(tǒng)自動(dòng)生成對(duì)話(huà)框、模板和頭文件(.dlg、.c和.h文件),使用UF_STYLER_create_dialog()函數(shù)完成對(duì)話(huà)框調(diào)用，并修改、補(bǔ)充.c文件中的對(duì)應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)控件事件響應(yīng)。

1.2 機(jī)器人模型裝配

在進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真前，必須進(jìn)行實(shí)體模型的裝配，在裝配模式下，由于機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的多解性等原因，實(shí)體模型只能作UG 的Motion Simulation動(dòng)力學(xué)分析, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)給定路線(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，造成視覺(jué)效果偏差。因此，本文按照裝配體的形式用“實(shí)體移動(dòng)法”將各個(gè)部件裝配在一起組成一個(gè)整體[2]，通過(guò)程序進(jìn)行坐標(biāo)變換改變每個(gè)關(guān)節(jié)連桿的位姿，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前關(guān)節(jié)及其后續(xù)關(guān)聯(lián)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，最終形成一個(gè)整體上視覺(jué)效果和實(shí)體機(jī)器相似的虛擬機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)二者的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

首先使用UF_PART_new()生成裝配文件并獲得該裝配文件的標(biāo)識(shí)(tag)，然后利用UF_ASSEM_add_part_to_assembly()函數(shù)將各部件添加到裝配體中并獲得各部件實(shí)例(Occurrence)，由于部件添加時(shí)是以各自部件的工作坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，為保持各關(guān)節(jié)的相互關(guān)系有兩種方式：一是若各個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心與其工作坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)重合，在使用前述函數(shù)添加部件時(shí)，設(shè)定形參origin[3]和csys_matrix[6]數(shù)值改變部件在裝配文件的初始位置和姿態(tài)；二是在UG中建立部件文件時(shí)，以實(shí)體機(jī)器人的基座坐標(biāo)系作為UG中各部件的工作坐標(biāo)系，各部件模型與工作坐標(biāo)系的相互位置關(guān)系依據(jù)其在實(shí)體機(jī)器人中與基座坐標(biāo)系的關(guān)系而定，只要添加各部件即自動(dòng)“裝配”成了工業(yè)機(jī)器人。本文采用第二種方式，實(shí)際裝配效果如圖1所示。

圖1 “裝配”出的虛擬機(jī)器人

機(jī)器人各關(guān)節(jié)及其后續(xù)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)采用UF_ASSEM_reposition_part_occurrence()函數(shù)并引用該部件的實(shí)例完成，其參數(shù)xform[4][4]即為部件繞著繞旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)各個(gè)軸旋轉(zhuǎn)特定角度對(duì)應(yīng)的變換矩陣。由于旋轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)方向受前級(jí)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響，因而必須計(jì)算出前級(jí)各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)后新的旋轉(zhuǎn)中心和軸線(xiàn)方向。根據(jù)機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和UG/Open的API函數(shù)，按照如下流程實(shí)現(xiàn)矩陣生成和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)：根據(jù)機(jī)器人DH參數(shù)、旋轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)角度，由UF_MTX4_rotation()生成旋轉(zhuǎn)矩陣，然后利用UF_MTX4_multiply()將該旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矩陣相乘，得到單關(guān)節(jié)最終變換矩陣，然后將該變換矩陣與前級(jí)關(guān)節(jié)最終變換矩陣?yán)肬F_MTX4_multiply()函數(shù)相乘，得出該關(guān)節(jié)的最終變換矩陣，以供后級(jí)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變換使用。由于某關(guān)節(jié)的最終變換矩陣影響了次級(jí)所有關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，因而需要在函數(shù)UF_ASSEM_reposition_part_occurrence()中依次引用各次級(jí)關(guān)節(jié)的實(shí)例，完成關(guān)節(jié)位姿變換。

對(duì)于復(fù)雜曲線(xiàn)，本設(shè)計(jì)中采取提取若干關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)曲線(xiàn)解算出未知幾何參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建曲線(xiàn)方程。其中關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)的獲取采用uc1616()函數(shù)，在彈出點(diǎn)構(gòu)造器后選取關(guān)鍵點(diǎn)，其最后一個(gè)參數(shù)的返回值即為該點(diǎn)在工作坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。

2 實(shí)體機(jī)器人的通訊控制與運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)器人通訊協(xié)議及控制流程

實(shí)體機(jī)器人型號(hào)為安川SSF2000，該機(jī)器人主控制器與PC機(jī)遵循MotoCom32協(xié)議，可通過(guò)以太網(wǎng)或RS485總線(xiàn)進(jìn)行通訊，用戶(hù)只需要調(diào)用其動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(DLL)文件中的相應(yīng)函數(shù)即可與主控制器通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的狀態(tài)讀取和命令發(fā)送。

在示教盒切換至遠(yuǎn)程(REMOTE)模式下，PC機(jī)依次使用BscOpen()、BscSetEther()建立通訊文件、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過(guò)函數(shù)BscConnect()完成與主控制器的連接，由BscServoOn()、BscServoOf()完成伺服上電、斷電操作，由BscIsLoc()讀取機(jī)器人關(guān)節(jié)碼盤(pán)數(shù)值，使用BscPMovj()指定機(jī)器人以關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)到特定位置，或使用BscImov()使機(jī)器人在直角坐標(biāo)系下以增量方式運(yùn)動(dòng)。通過(guò)BscWriteIO()函數(shù)完成對(duì)主控制器的IO操作，利用BscSelectJob()和BscStartJob()調(diào)用焊接文件實(shí)現(xiàn)起弧、收弧以及焊接參數(shù)設(shè)定[3]。

2.2 復(fù)雜曲線(xiàn)的模型構(gòu)建

由于復(fù)雜曲線(xiàn)參數(shù)較多，因而需要根據(jù)其未知參數(shù)數(shù)量指定若干關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)使用uc1616()函數(shù)，獲取特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，作為已知量，帶入曲線(xiàn)方程，進(jìn)而解出曲線(xiàn)的未知數(shù)。本文以工程中常見(jiàn)的相貫線(xiàn)為例進(jìn)行說(shuō)明，一個(gè)典型的正交相貫線(xiàn)如圖2所示，其中水平圓柱體直徑為R，垂直圓柱體直徑為r，兩圓柱體軸線(xiàn)相交于點(diǎn)O(x0,y0,z0)，則在圖示坐標(biāo)系下，相貫線(xiàn)的方程為：

圖2 相貫線(xiàn)示意圖

因而，只需要在UG中獲得其交點(diǎn)O的坐標(biāo)值以及半徑R、r，就可以解算出該相貫線(xiàn)的曲線(xiàn)方程。采用UG Open中的uc1616()函數(shù)產(chǎn)生點(diǎn)構(gòu)造器并拾取交點(diǎn)，獲得軸線(xiàn)交點(diǎn)O的坐標(biāo)值。在選定圓柱體后，由函數(shù)UF_MODL_ask_cylinder_parms()獲取其直徑。

2.3 插補(bǔ)方式的選擇及偏差控制

由于機(jī)器人接受的基本運(yùn)動(dòng)模式指令只有點(diǎn)位、直線(xiàn)和圓弧，這三種模式都以位置坐標(biāo)作為路徑規(guī)劃參考，因而必須采用一定的插補(bǔ)方式完成相貫線(xiàn)路徑擬合。點(diǎn)位模式下兩點(diǎn)之間的軌跡按照廠(chǎng)家預(yù)設(shè)的優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)無(wú)法選擇，圓弧運(yùn)動(dòng)指令則需要較多的點(diǎn)才能構(gòu)成圓形軌跡。為提高程序效率，本設(shè)計(jì)采用直線(xiàn)插補(bǔ)模式，即相貫線(xiàn)的一段圓弧之間用直線(xiàn)連接，因而必然產(chǎn)生一定的路徑偏差，且該偏差與圓弧曲率半徑相關(guān)，為防止偏差過(guò)大，需要根據(jù)相貫線(xiàn)曲率半徑調(diào)節(jié)擬合圓弧端點(diǎn)位置，曲率半徑與圓心角誤差關(guān)系如圖3所示，以軌跡誤差為0.1為例，則對(duì)應(yīng)的圓心角為：

以R=100為例，α為5.125°，整個(gè)圓周只需要將劃分為約71次即可，具有較高的執(zhí)行效率。以α角作為式(1)中參量t的增量值，求出各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖3 圓弧曲率半徑與插補(bǔ)誤差關(guān)系

圖4 相貫線(xiàn)曲率半徑隨r/R變化圖

針對(duì)實(shí)際相貫線(xiàn)，需要計(jì)算出其最小曲率半徑值。按照文獻(xiàn)[4]所述方法計(jì)算曲率半徑解析式，由于其極值符號(hào)解較為復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。本設(shè)計(jì)中，依據(jù)不同r/R比值，繪制出曲率半徑圖如圖4所示。圖中R=100，沿著圖中箭頭①②方向r/R的比值依次從0.10～0.95。由圖4可見(jiàn)，根據(jù)r/R比值不同，最小曲率半徑出現(xiàn)的位置和寬度各不相同，實(shí)際使用中只要根據(jù)r/R的比值即可估算出最小曲率半徑出現(xiàn)的位置和寬度，在該段范圍內(nèi)，使用最小曲率半徑值代入(2)式計(jì)算出角度增量值α。

3 實(shí)際運(yùn)行效果

本實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人未配備良好的工裝夾具，機(jī)器人本體與工件間的相對(duì)坐標(biāo)待定，而規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線(xiàn)則可避免此類(lèi)問(wèn)題。為克服此問(wèn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)效果造成的影響，在將經(jīng)過(guò)線(xiàn)切割的相貫線(xiàn)接口管子放置于V型架后，調(diào)整實(shí)體機(jī)器人末端至管子定位點(diǎn)（本設(shè)計(jì)為切割時(shí)人為切割的中點(diǎn)）并獲取該點(diǎn)坐標(biāo)，在UG軟件中按照實(shí)際工件位置調(diào)整虛擬工件模型，然后利用前文所述方式拾取模型上的相貫線(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)而生成相貫線(xiàn)模型，并驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)器人和實(shí)體機(jī)器人同步運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖5為實(shí)際運(yùn)行截圖，可以看出二者姿態(tài)是一致的。圖6為機(jī)器人實(shí)際焊接的焊縫，可見(jiàn)其軌跡重合度較高，焊縫質(zhì)量較好，證實(shí)了前文方案的有效性，其結(jié)束點(diǎn)的焊瘤是由于收弧時(shí)人為設(shè)定的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成的，可以避免。

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)的基于UG/Open的離線(xiàn)編程系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)實(shí)體機(jī)器人通訊控制，避免了復(fù)雜曲線(xiàn)在線(xiàn)示教的低效率問(wèn)題，充分利用了虛擬仿真和實(shí)體結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的遠(yuǎn)程虛擬示教，實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑與理論路徑重合度較好，初步解決了復(fù)雜曲線(xiàn)的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

圖5 虛擬、實(shí)體機(jī)器人的同步運(yùn)動(dòng)

圖6 實(shí)際焊縫圖

當(dāng)然，系統(tǒng)還有需要進(jìn)一步完善之處，如焊接參數(shù)、焊槍姿態(tài)調(diào)整和優(yōu)化、避免外置焊槍與工件碰撞、焊槍與機(jī)器人自身干涉、“橫焊”“立焊”策略等問(wèn)題都需要進(jìn)一步研究，以提高系統(tǒng)的適用性。

[1] 侯永濤,丁向陽(yáng).UG/Open二次開(kāi)發(fā)與實(shí)例精解[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2] 孔凡斌,姜培剛,等.基于UG Open C的FANUC M-16iB/20工業(yè)機(jī)器人動(dòng)態(tài)仿真[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用于軟件,2008,25(6):169-170.

[3] MOTOCOM32 OPERATION MANUAL [Z].Japan:Yaskawa Electric Corporation,2008.

[4] 張學(xué)東.空間曲線(xiàn)的曲率計(jì)算方法[J].塔里木農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2002,14(2):39.