郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，馬國(guó)銳

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084；2.中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

郭吉昌1，朱志明1，閆國(guó)瑞2，馬國(guó)銳1

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084；2.中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900）

針對(duì)KUKA KR30L16型6自由度焊接機(jī)器人，應(yīng)用UG/Open二次開(kāi)發(fā)函數(shù)和C++編程語(yǔ)言，進(jìn)行了基于UG可視化平臺(tái)的離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人系統(tǒng)和常用焊接工件的三維建模及組裝、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、焊接軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)路徑仿真與檢測(cè)、焊接控制程序自動(dòng)生成等功能。詳細(xì)探討了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。仿真檢測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果表明，所開(kāi)發(fā)的離線編程系統(tǒng)能夠滿足車(chē)間常用工件焊接的離線編程要求，提高了焊接生產(chǎn)效率。

弧焊機(jī)器人；KUKA KR30L16；離線編程系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)求解；軌跡規(guī)劃

0 前言

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制程序主要通過(guò)在線示教和離線編程兩種方法實(shí)現(xiàn)。其中，在線示教法為大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所使用，但存在編程精度和生產(chǎn)效率低、CAD/CAM一體化程度不高、對(duì)示教者經(jīng)驗(yàn)要求高等問(wèn)題。相對(duì)于在線示教法，離線編程在提高機(jī)器人生產(chǎn)效率、復(fù)雜軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)仿真和控制程序自動(dòng)生成等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器人離線編程就是借助計(jì)算機(jī)圖形學(xué)建立機(jī)器人及其環(huán)境物的模型，采用機(jī)器人語(yǔ)言進(jìn)行編程，生成預(yù)加工運(yùn)動(dòng)軌跡代碼，經(jīng)過(guò)仿真和碰撞檢測(cè)，最后下載到控制器中控制實(shí)際機(jī)器人運(yùn)動(dòng)[1]。機(jī)器人離線編程技術(shù)的研究和應(yīng)用主要分為基于

CAD三維可視化軟件的二次開(kāi)發(fā)和機(jī)器人生產(chǎn)廠家的商業(yè)化離線編程系統(tǒng)兩大類。如KUKA、FANUC、ABB等機(jī)器人生產(chǎn)廠家都成功開(kāi)發(fā)了各自的離線編程系統(tǒng)，但其使用成本高、只針對(duì)廠家機(jī)器人型號(hào)和編程語(yǔ)言、工藝過(guò)程影響因素多等問(wèn)題。

機(jī)器人離線編程已成為工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]，因此，基于三維可視化軟件二次開(kāi)發(fā)的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于Auto-CAD 2000平臺(tái)，使用Object ARX開(kāi)發(fā)工具，成功開(kāi)發(fā)了弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，目前正在開(kāi)展基于SolidWorks二次開(kāi)發(fā)的離線編程系統(tǒng)研究[2]。

本研究基于UG NX8.5平臺(tái)，以C++作為編程語(yǔ)言，利用UG/Open提供的強(qiáng)大函數(shù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具，對(duì)UG NX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，針對(duì)KUKA公司KR30L16型6自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究。

1 弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)工作原理

1.1 離線編程系統(tǒng)組成

離線編程系統(tǒng)由4大模塊組成，分別為三維建模模塊、焊接軌跡規(guī)劃模塊、運(yùn)動(dòng)仿真與檢測(cè)模塊、機(jī)器人控制程序自動(dòng)生成模塊。各部分之間的邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)邏輯流程

1.2 離線編程系統(tǒng)工作原理

相對(duì)于其他CAD軟件，UG基于完全的實(shí)體復(fù)合建模和裝配建模技術(shù)，并提供了CAD/CAE/CAM編程工具集，且其開(kāi)放性的架構(gòu)為二次開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大的接口支持。因此，本研究基于UG平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。

首先，以Visual studio 2010為編程平臺(tái)，利用UG/Open中封裝的2000多個(gè)函數(shù)進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)和待焊工件的三維建模編程，編程完成后的文本文件在UG NX8.5中運(yùn)行，得到相應(yīng)的實(shí)體模型；機(jī)器人系統(tǒng)的裝配和常用焊接件模型庫(kù)都是基于函數(shù)的編程實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖2）。然后，根據(jù)焊接件在機(jī)器人系統(tǒng)模型中的裝配位置，確定焊縫位置坐標(biāo)。根據(jù)所確定的焊縫位置信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的正運(yùn)算和逆運(yùn)算，進(jìn)而規(guī)劃焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。最后根據(jù)所求得的軌跡規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真與檢測(cè)，即將軌跡規(guī)劃得到的機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方程設(shè)置為模型運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)。觀察仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程，若存在干涉和碰撞問(wèn)題，則返回建模模塊，重新對(duì)焊接件進(jìn)行裝配位置調(diào)整、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解和軌跡規(guī)劃過(guò)程，直至無(wú)干涉問(wèn)題。根據(jù)求得的軌跡規(guī)劃方程直接在UG中生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制代碼[3-4]。

圖2 基于UG/Open的機(jī)器人系統(tǒng)三維建模

需要注意的是，人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)貫穿離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，要易于操作者使用，且需要不斷完善和改進(jìn)。同時(shí)，焊接工件在變位機(jī)上裝配時(shí)要精確按照所在建?？臻g的位置安裝，否則會(huì)造成焊接軌跡誤差。

2 D-H建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

建模是運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。6自由度焊接機(jī)器人可以看作是6連桿組合的開(kāi)環(huán)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的本質(zhì)是經(jīng)過(guò)一系列的坐標(biāo)變換，分別求取焊槍末端點(diǎn)相對(duì)于基坐標(biāo)系的位置和焊縫相對(duì)于工作臺(tái)坐標(biāo)系的位置，進(jìn)而求得焊槍末端點(diǎn)相對(duì)于工作臺(tái)坐標(biāo)系的位置，為此，首先要對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)

系定義。坐標(biāo)系的定義不同，計(jì)算結(jié)果完全不同，甚至影響計(jì)算結(jié)果的正確性。本研究采用Craig修正D-H模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，坐標(biāo)系定義如圖3所示。θ1等于零時(shí)，基坐標(biāo)系0和坐標(biāo)系1重合。因關(guān)節(jié)4、5和6的軸線相交于同一點(diǎn)，故令此3個(gè)坐標(biāo)系重合[5]。

圖3 機(jī)器人操作臂D-H（Craig）模型坐標(biāo)系定義

根據(jù)所定義的坐標(biāo)系，機(jī)器人各軸基于Craig修正D-H模型的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。

表1 焊接機(jī)器人各軸D-H模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)

對(duì)弧焊機(jī)器人進(jìn)行高級(jí)編程與仿真，首先要對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解兩類基本問(wèn)題[6]。不同廠家、不同型號(hào)的機(jī)器人因其結(jié)構(gòu)不同，所以運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法各不相同。下面針對(duì)KR30L16型焊接機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)正運(yùn)算

對(duì)于兩個(gè)相鄰的連桿坐標(biāo)系i和i-1，由矩陣連乘計(jì)算出坐標(biāo)系變換的通用表達(dá)式為[4]

將表1中D-H模型參數(shù)分別帶入上式，可以得到機(jī)器人操作臂6個(gè)相鄰坐標(biāo)系的變換矩陣對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行連續(xù)矩陣變換，得到機(jī)器人腕部關(guān)節(jié)相對(duì)世界坐標(biāo)系（基坐標(biāo)系）的變換矩陣

式（1）為機(jī)器人操作臂變換矩陣，描述了機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系（6）相對(duì)于基坐標(biāo)系（0）的位姿，該矩陣是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)。將各矩陣代入式（1）進(jìn)行計(jì)算，有

令sinθi=si，cosθi=ci，c23=cos（θ2＋θ3），s23=sin（θ2＋θ3），則式（2）中矩陣各元素分別為：

r11=s6[c4s1-s4c1c23]+c6{c5[s1s4+c4c1c23]-s5c1s23}

r12=c6[c4s1-s4c1c23]-s6{c5[s1s4+c4c1c23]-s5c1s23}

r13=-s5[s1s4+c4c1c23]-c5c1s23

r21=-s6[c1c4+s4s1c23]-c6{c5[c1s4-c4s1c23]+ s5s1s23}

r22=s6{c5[c1s4-c4s1c23]+s5s1s23}-c6[c1c4+ s4s1c23]

r23=s5[c1s4-c4s1c23]-c5s1s23

r31=s4s6s23-c6[s5c23+c4c5s23]

r32=s6[s5c23+c4c5s23]+c6s4s23

r33=c4s5c2s3+c3s2-c5c2c3-s2s3

px=350c1+1 200c1c2-1 277c1s23+145c1c23

py=350s1+1 200c2s1-1 277s1s23+145s1c23

pz=-1 277c23-145s23-1 200s2

對(duì)于6自由度機(jī)器人而言，6個(gè)關(guān)節(jié)任意轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度，將轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ1～θ6輸入式（2），即可求得焊槍末端的空間坐標(biāo)，即px，py，pz。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算

運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算是指已知機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿，求解對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)變量的過(guò)程。6自由度機(jī)器人前3個(gè)關(guān)節(jié)決定機(jī)器人末端位置，后3個(gè)關(guān)節(jié)決定末端執(zhí)行器姿態(tài)。

式（2）兩端同乘[01T（θ1）]-1，有

令式（3）兩邊矩陣對(duì)應(yīng)元素（2，4）相等，得

由式（4）可求出

令式（6）兩邊矩陣對(duì)應(yīng)元素（1，4）和（3，4）分別相等，有

由式（4）、式（7）的平方和得到

令式（10）中兩邊矩陣的元素（1，4）和（2，4）分別對(duì)應(yīng)相等，可解得

由此可得

令式（10）中兩邊矩陣的元素（1，3）和（3，3）分別對(duì)應(yīng)相等，可得

式（11）中兩式相除，有

令式（13）中兩邊矩陣元素（1，3）和（3，3）對(duì)應(yīng)相等，有

由此可以求得θ5

其中s6、c6分別為

由式（9）求解θ3時(shí)，正負(fù)號(hào)取值的不同，使得θ2、θ3有兩組不同的解，由于關(guān)節(jié)4可以“翻轉(zhuǎn)”，因此θ4、θ5、θ6也有另外一組解，分別為

可見(jiàn)，將上述各解組合后，機(jī)器人系統(tǒng)共有8組解。具體應(yīng)用中，需要根據(jù)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)限位參數(shù)及軌跡要求等具體選擇相應(yīng)的解。

3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

機(jī)器人軌跡規(guī)劃是指給定機(jī)械手的初始位姿以及末端目標(biāo)位姿，在機(jī)械手的可達(dá)域范圍內(nèi)尋找最適于焊接工藝需要的軌跡。軌跡規(guī)劃的目的就是確定在達(dá)到最終目標(biāo)以前末端執(zhí)行器的行走路徑、運(yùn)動(dòng)時(shí)間以及速度[7-9]。

以圖4所示的角焊縫為例。焊接機(jī)器人要完成角焊縫焊接，焊槍需先沿著軌跡1運(yùn)動(dòng)至A點(diǎn)，然后再沿著ABCD的路徑移動(dòng)，在此過(guò)程中完成角焊縫的焊接，最后焊槍沿著軌跡3回到初始位置。下面分別就各段軌跡進(jìn)行規(guī)劃。

圖4 弧焊機(jī)器人軌跡規(guī)劃實(shí)例

在關(guān)節(jié)空間內(nèi)對(duì)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模結(jié)果可知，在初始位置時(shí)，（θ1～θ6）=（0，-90，0，0，0，0）。設(shè)A點(diǎn)的空間坐標(biāo)為（1 700，500，1 500），B點(diǎn)坐標(biāo)為（1 600，500，1 500），C點(diǎn)坐標(biāo)為（1 200，500，1500），D點(diǎn)坐標(biāo)為（1100，500，1500）。

已知焊槍末端距離坐標(biāo)系6沿Z軸方向距離為540（見(jiàn)圖5）。定義焊槍末端焊絲上的空間坐系

7方向與坐標(biāo)系6相同，則在焊接過(guò)程中，坐標(biāo)系7的原點(diǎn)與工件上待焊點(diǎn)坐標(biāo)重合。由坐標(biāo)系平移變換得到坐標(biāo)系7到坐標(biāo)系6的變換矩陣為

圖5 焊槍末端空間坐標(biāo)系變換示意

當(dāng)焊槍在軌跡規(guī)劃中的A、B、C、D點(diǎn)處時(shí)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系變換得到坐標(biāo)系6的坐標(biāo)原點(diǎn)為

將A、B、C、D各點(diǎn)的坐標(biāo)代入，有P6A=（1 700，500，960，1）T，P6B=（1 600，500，960，1）T，P6C=（1 200，500，960，1）T，P6D=（1 100，500，960，1）T。

即在A點(diǎn)時(shí)，Px=1 700，Py=500，Pz=960。假設(shè)焊槍垂直于焊縫且與角接試板呈45°夾角。則此時(shí)，ax=0，ay=0.707，az=-0.707，nx=0，ny=0.707，nz=0.707，將Px、Py、Pz代入空間坐標(biāo)系的變換矩陣06T，由上文逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解θ1～θ6過(guò)程，可獲得θ1～θ6的4組解（此處省略關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)6翻轉(zhuǎn)180°后的各組解）。

考慮表1中的各軸旋轉(zhuǎn)限位，對(duì)4組解進(jìn)行比較，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度最小（運(yùn)動(dòng)時(shí)間最短）原則，選擇解（1）為路徑1規(guī)劃中焊槍位于A點(diǎn)時(shí)的各軸轉(zhuǎn)角。

為了生成速度和位移連續(xù)的平滑運(yùn)動(dòng)軌跡，避免單純線性插值造成的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度不連續(xù)，采用三階多項(xiàng)式插值法進(jìn)行插值計(jì)算。假設(shè)機(jī)器人手臂由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)用時(shí)10 s，設(shè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方程為

求式（17）的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，并帶入相應(yīng)的邊界條件，可以得到

式中θ0為各軸初始角度；θf(wàn)為各軸運(yùn)動(dòng)末端轉(zhuǎn)角；tf為運(yùn)動(dòng)總時(shí)間。

將初始各關(guān)節(jié)角θ0=（θ1～θ6），θf(wàn)和tf=10代入式（18），可以得到焊接機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)方程

使用Matlab繪制出的方程組（19）的曲線如圖6所示。同理，可求得焊接機(jī)器人完成路徑2（ABCD）的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線，如圖7所示。

圖6 機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線（路徑1：OA）

圖7 機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線（路徑2：ABCD）

對(duì)于路徑3，為了避免焊槍返回過(guò)程中與焊件發(fā)生干涉碰撞，設(shè)置G（900，500，1 800）點(diǎn)，使焊槍返回路徑必須經(jīng)過(guò)G點(diǎn)。因此，將路徑3分為2段分別求解，從而得到如圖8、圖9所示的機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃曲線。圖6和圖9的仿真結(jié)果顯示，在初始位置時(shí)，機(jī)器人關(guān)節(jié)2從-90°開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，其他5個(gè)

關(guān)節(jié)從0°開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人完成規(guī)劃路徑回到O點(diǎn)時(shí)，關(guān)節(jié)2回到-90°位置，其他關(guān)節(jié)回到0°位置。此過(guò)程驗(yàn)證了軌跡規(guī)劃過(guò)程和運(yùn)動(dòng)學(xué)求解過(guò)程的正確性。將軌跡規(guī)劃中各軸運(yùn)動(dòng)方程以機(jī)器語(yǔ)言輸入機(jī)器人控制器，即可完成規(guī)劃的焊接任務(wù)。

圖8 機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線（路徑3：DG段）

圖9 機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線（路徑3：GO段）

4 結(jié)論

基于UG 8.5平臺(tái)，使用C++編程語(yǔ)言，利用UG/ Open的強(qiáng)大函數(shù)庫(kù)和工具集，進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。完成了針對(duì)KUKA KR30L16機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了清晰易用的交互界面開(kāi)發(fā)、焊接件三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真和檢測(cè)、自動(dòng)軌跡規(guī)劃和控制代碼生成等主要功能；仿真和焊接試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠滿足常用的焊接件離線編程要求，提高了該型號(hào)焊接機(jī)器人的生產(chǎn)效率。

對(duì)離線編程過(guò)程中的部分關(guān)鍵技術(shù)：運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)正運(yùn)算和逆運(yùn)算、路徑規(guī)劃、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線仿真等問(wèn)題，進(jìn)行了詳細(xì)探討，為今后實(shí)現(xiàn)功能更加全面的離線編程仿真系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

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[9]唐濤宇.機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

Development of off-line programming system for arc welding robot based on UG

GUO Jichang1，ZHU Zhiming1，YAN Guorui2，MA Guorui1
（1.Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Institute of Machinery Manufacturing Technology，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

By using UG/Open second development functions and Visual C++，an off-line programming system was developed based on UG visual platform for KUKA KR30L16 welding robot with 6 freedoms.The developed system has the functions such as 3D modeling of robotic system and workpieces to be joined，kinematics solution，welding path planning，motion simulation and testing，control program auto-generation，and so on.And the key technical problems in the developing process of an off-line programming system are discussed in detail.The simulation testing and experimental results show that the developed system can satisfy the off-line programming requirement of common workpieces to be joined in workshop.

arc welding robot；KUKA KR30L16；off-line programming system；kinematics solution；path planning

TP242

A

1001-2303（2016）10-0001-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.01

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：1-6.

2016-03-03；

2016-06-18

郭吉昌（1987—），男，在讀博士，主要從事焊接裝備、工藝及自動(dòng)化研究。