馬　林，　劉　俊，　陳沼欣（.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 604；.福州大學(xué)廈門工藝美術(shù)學(xué)院，福建 廈門 604；.廈門思爾特機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，福建 廈門 60）

不規(guī)則焊縫的多層多道焊離線編程①

馬林1，劉俊2，陳沼欣3
（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福州大學(xué)廈門工藝美術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361024；3.廈門思爾特機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，福建 廈門 361023）

在robotstudio平臺上之上，基于TRIZ理論中IFR的自服務(wù)思想，通過c#編程語言對其進(jìn)行二次開發(fā)，利用反饋原理，采用交和互式特征方法對復(fù)雜曲線焊縫特征的有效識別.在獲取到的焊縫幾何信息基礎(chǔ)之上，提取坡口特征數(shù)據(jù)，對多層多道焊進(jìn)行路徑規(guī)劃.使用方向余弦矩陣對基路徑進(jìn)行平移與旋轉(zhuǎn)變換，解決了復(fù)雜路徑示教困難問題.仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法可靠、有效，提高了焊接效率.

離線編程；特征識別；多層多道

0　引言

由于機(jī)器人精確、高效、靈活性對代替人工在惡劣環(huán)境下作業(yè)起到至關(guān)重要的作用，因此，機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用.目前，機(jī)器人主要用于焊接、裝配、搬運(yùn)、涂裝、切割等方面，對工業(yè)機(jī)器人的編程大部分使用的是在線編程方法，通過示教盒使機(jī)器人末端（TCP）執(zhí)行器移動(dòng)到需要作業(yè)的一系列位姿上，并依次把位姿信息存儲起來，通過編輯并再現(xiàn)示教過的動(dòng)作.這種在線編程方式簡單、易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用在只需簡單作業(yè)軌跡并且大批量生產(chǎn)的情況下.使用這種方式，如果任務(wù)改變則要重新編程，隨著作業(yè)任務(wù)越來越復(fù)雜和應(yīng)用范圍越來越廣泛，在線編程不適應(yīng)當(dāng)今小批量、多品種的柔性生產(chǎn)的需要，便出現(xiàn)了離線編程技術(shù)［1～2］.

相對于其他研究，本文采用ABB機(jī)器人，基于TRIZ中的IFR自服務(wù)思想，在RobotStudio上進(jìn)行二次開發(fā)，導(dǎo)入三維模型后，提取三維模型的焊縫特征點(diǎn)，提取基路徑，用方向余弦矩陣對基路徑進(jìn)行偏移和旋轉(zhuǎn)得到多層多道路徑，解決了復(fù)雜路徑示教困難問題.

1　三維模型特征識別

1.1實(shí)體三維表示方法

目前常用的形體表示方法主要有掃描變換（Sweep）表示模型、構(gòu)造實(shí)體幾何（CSG）表示模型、邊界表示（B-Rep）模型、空間分割模型這四種表達(dá)方式［2］.每種表達(dá)方式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，因此三維軟件實(shí)體建模系統(tǒng)一般采用多種模型相互結(jié)合的方式.構(gòu)造實(shí)體幾何表示模型與邊界表示模型相互結(jié)合應(yīng)用的比較廣泛.對提取焊縫幾何信息，邊界表示模型能夠提供全面的邊界信息，如面、邊、點(diǎn)等.

在Robotstudio建模系統(tǒng)中采用的是b-rep（邊界表示法），如圖1.幾何實(shí)體是以Part（部件）的形式導(dǎo)入或創(chuàng)建到工作站（station）中.一個(gè)部件可以包含若干個(gè)實(shí)體（body）.實(shí)體是幾何模型中最高等級的對象，它是由其封閉的邊界表面（shell）來描述.而實(shí)體的封閉邊界表面是由面集合（faces）和線集合（Wires）構(gòu)成.每個(gè)面的邊界是由一個(gè)或多個(gè)封閉的環(huán)（loops）或邊（edges）來描述.除不屬于面以外的邊都包含在線集合中，環(huán)是由一組共邊（Coedges）所連接［3］.共邊一般可看做是邊，它保存著邊與鄰邊和邊與上級實(shí)體的關(guān)系.邊是由兩個(gè)頂點(diǎn)（vertex）所界定，一個(gè)為起始點(diǎn)，另一個(gè)為終止點(diǎn).頂點(diǎn)表示一個(gè)點(diǎn)（point）在空間的位置（position）.

圖1　邊界表示法

1.2焊縫特征提取方法

在ABB提供SDK文件供用戶二次開發(fā)，利用反饋原理可以通過Selection.SelectedObjects代碼獲取選中的面.然后通過對面的遍歷（face.loops［］.coedges［］.eges［］代碼）獲取面的各條邊.如果兩個(gè)面相交，可以獲取它們的相交線（wire）.在曲邊上任意一點(diǎn)做它的法平面P.P與選中的兩個(gè)平面相交AD、BC，如圖2.通過遍歷獲取這兩條交線的長度以及首末端點(diǎn)的坐標(biāo)，便可計(jì)算出坡口的高度（H）、坡口角度（β）、焊縫寬度（C）、根部寬度（b）等信息.獲取到的坡口參數(shù)對路徑規(guī)劃提供了信息基礎(chǔ).Robotstudio API提供了獲取和設(shè)置實(shí)體材料屬性的方法.通過對實(shí)體的遍歷，還可以求出板厚等其它的焊接特征.

先定義一個(gè)坡口參數(shù)的公共類，在主程序中對pokou類實(shí)例化，再把AD、BC的長度及首末端點(diǎn)的坐標(biāo)值賦給pokou類相應(yīng)的變量，再調(diào)用pokou. parameters（）計(jì)算出坡口參數(shù).具體參數(shù)代碼如下：

圖2　焊接工件示意圖

2　機(jī)器人路徑規(guī)劃

2.1基路徑位置確定

選取曲面1的下曲邊作為焊槍行走路徑的基路徑.對下曲邊離散出若干個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)越密集，行走路徑與曲線越接近.這些離散點(diǎn)只包含坐標(biāo)信息（參考系為大地坐標(biāo)）.給這些離散點(diǎn)賦予姿態(tài)并建立點(diǎn)坐標(biāo)系，如圖2.以離散點(diǎn)所在曲線上位置的切線方向?yàn)閄1軸方向，其方向矢量可由函數(shù)Edge. GetTangent Method（Vector3）求出.垂直并背離工件的方向?yàn)閆1軸方向，其向量與工件坐標(biāo)系的Z0方向一致.Z0方向矢量可以采用三點(diǎn)法建立工件坐標(biāo)系求得.Y1軸方向矢量可以由公式（1）和（2）求得.

把這些被賦予姿態(tài)的離散點(diǎn)稱為目標(biāo)點(diǎn)（target）.將這些目標(biāo)點(diǎn)添加到運(yùn)動(dòng)路徑Path中并添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，讓焊槍走直線（moveL）或圓?。╩oveC）.機(jī)器人將嚴(yán)格按著這些目標(biāo)點(diǎn)的位姿行走.

2.2路徑變換

通過之前獲取到的坡口參數(shù)（坡口角度β和根部寬度b）、板厚、材料等信息，調(diào)用焊接專家數(shù)據(jù)庫可以確定焊接所需要的總層數(shù)n、第i層有mi道、以及i層的每道焊縫的熔敷面積為Si（由焊接參數(shù)求出）.其中i，j的取值范圍分別［1，n］和［1，i］.因此可以計(jì)算出每道焊接所在坡口截面的偏移量.

圖3　焊槍姿態(tài)示意圖

圖4　交互界面

焊槍反向偏移量為：

垂直焊縫橫移量：

圖5　仿真路徑

圖6　焊接工件

圖7　焊接過程圖

焊槍運(yùn)動(dòng)到每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，在相應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)系中有不同的姿態(tài).為了避免焊槍與工件相碰，采用自服務(wù)的方式，對焊槍角度進(jìn)行一定的偏轉(zhuǎn).如圖3，焊槍的偏轉(zhuǎn)角度為該目標(biāo)點(diǎn)位置與焊縫坡口重新組成的坡口的平分線，焊槍的偏轉(zhuǎn)角度θ.已知坡口角度β，坡口高度H，則焊槍的偏轉(zhuǎn)角度θ為式（7）求得.

對焊槍姿態(tài)偏轉(zhuǎn)：

3　軟件實(shí)現(xiàn)與仿真

3.1軟件實(shí)現(xiàn)

首先在robotstudio中導(dǎo)入或創(chuàng)建要焊接的工件，運(yùn)行addin插件，彈出CreatePath窗口下的子窗口（基本）.如圖4.選擇焊接接頭、選取焊道表面，則自動(dòng)生成坡口示意圖.切換到生成路徑子窗口，連接專家數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)填充工藝參數(shù)，也可以根據(jù)焊接需要人工輸入焊接工藝參數(shù)并保存到專家數(shù)據(jù)庫，下次焊接可直接調(diào)用.點(diǎn)擊生成全路徑，則焊接路徑全部生成.通過仿真來檢驗(yàn)路徑是否生成正確，通過路徑調(diào)試子窗口可以插入、修改目標(biāo)點(diǎn)來修正焊接路徑.

3.2仿真分析

用ABB機(jī)器人做實(shí)驗(yàn)，在離線編程里面提取的第一條軌跡如圖5（a）所示，提取焊接專家?guī)炖镄畔?，通過方向余弦矩陣對基路徑進(jìn)行偏移和旋轉(zhuǎn)得到多層多道路徑，如圖5（b）所示，為三層六道焊接路徑.

4　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)工件板厚為10mm，開坡口角度為60度、坡口高度為8mm、底部寬度為4mm，如圖6.通過上述方法得到的焊接路徑，采用ABB機(jī)器人2400L配合福尼斯（Fronius）焊機(jī)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)

焊接結(jié)果表明，用該種方法進(jìn)行離線編程，容易得到不規(guī)則焊縫的焊槍控制，減少示教時(shí)間，解決了不規(guī)則焊縫難于示教問題，焊接效果質(zhì)量穩(wěn)定，提高了焊接效率.

5　結(jié)論

（1）采用交互式特征方法實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜曲線焊縫特征的有效識別.通過特征識別提取到的坡口信息為后續(xù)的路徑規(guī)劃提供了信息基礎(chǔ).

（2）使用方向余弦矩陣把點(diǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)點(diǎn)的平移與旋轉(zhuǎn)變換，對基路徑所有的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行變換，完成了對開梯形復(fù)雜曲線坡口進(jìn)行路徑規(guī)劃.

（3）仿真與實(shí)驗(yàn)證明，該方法能大大減少對復(fù)雜焊縫的示教困難和時(shí)間長問題，特別是配合中厚板焊接專家?guī)鞂Χ鄬佣嗟赖氖窘虝r(shí)間，并能保證焊接質(zhì)量.

［1］徐呈藝，許麗嬌，吳煒.基于DXF文件的工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)［J］.南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（3）：68-70.

［2］陳煥明，熊震宇，劉頻.弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，（42）：25-26.

［3］劉彤，田勁松，吳林.焊接工件特征建模中焊縫特征的識別方法［A］.第十次全國焊接會(huì)議論文（第二冊），2001.

Irregular Weld Multilayer Multichannel Welding off-line Programming

MA Lin1， LIU Jun2， CHEN Zhao-xin3
（1.Xiamen University of Technology，Xiamen 361000 China；2.Xiamen Academy of Arts and Design Fuzhou University，Xiamen 361000 China；3.Xiamen Siert Robot System Co.，LTD.Xiamen 361000 China）.

Arc welding，especially complex welding，often takes a lot of time for robot posture teaching. The off-line programming is quite important due to the welding robot walking instructions for arc and straight line，commonly for irregular curve need through many point to the path of this curve.complex welding，arc welding robot welding space of robot posture teaching often occupy a lot of time，and the welding robot walking instructions for arc and straight line，commonly for irregular curve need through many point to the path of this curve，therefore highlight important off-line programming.In robot studio platform，based on TRIZ theory in about the IFR since the service idea that the complex curve weld characteristics is effective recognition by using through the c#programming language for secondary development，the feedback principle and interactive method.The multilayer multipass welding path is planned by accessing to the weld geometry information，groove feature data extracted.for complex curve weld characteristics of effective recognition.In access to the weld geometry information，data，groove feature extracting of multilayer multipass welding path planning.Solving the complex path teaching difficult problem via using the direction cosine matrix on the base path for translation and rotation transformation.，to solve.Simulation and experimental results show that this method is reliable，effective，welding efficiency improved.

off-line programming；Feature recognition；Multilayer multichannel

TP242

A

1008-1402（2015）06-0884-04

2015-11-11

福建省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用體系建設(shè)（2012IM021500）.

馬林（1980-），男，吉林長春人，學(xué)士學(xué)位，廈門理工學(xué)院講師，創(chuàng)新方法TRIZ研究.