MOTOMAN_UP系列機器人離線編程系統(tǒng)

1、202機床與液壓第35巻MOTOMAN-UP系列機器人離線編程系統(tǒng)陳煥明，胡中華，熊震宇，江淑園（南昌航空工業(yè)學院材料學院南昌330034）:采用VISUAL C+6.0及OpenCL技術開發(fā)了 MOTOMAN-UP列弧焊機器人離線綢程系統(tǒng)。建立了 MO1OMAN- UP系列機器人D刃坐標系及連桿參數表，編寫了運動學逆解模塊：針對典型馬鞍形工件的特點.規(guī)劃出焊槍的運動路徑 與姿態(tài).且按比例同步顯示工件；隼成了機器人通信模塊MO1OCDM32和運動學仿直模塊ROTSY并同步導入馬鞍形工件. 不僅能單步生成作業(yè)指令，且可自動生成作業(yè)程序。通過對焊接過程進行離線仿直試驗及傳輸作業(yè)實焊.驗證該丟統(tǒng)是切

2、 實可行的，: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機床與液壓第35巻/生成作業(yè)文件:航空科學基金資助項目（02H56007）0機器人焊接是焊接自動化技術現代化的主要標 志。從20世紀6（）年代誕生和發(fā)展到現在.焊接機器 人的研究經歷了 3個階段.即示教在線編程、離線編 程和自主編程山。由于技術尚不成熟，目前國內外大 量弧焊機器人系統(tǒng)從整體上看基本上都屬于第1代, 其軌跡、姿態(tài)和焊接工藝參數需在線示教.不僅占用 大量生產時間，而且示教質量取決于操作者的經驗, 在當今產品的批量越來越少，而品種越來越多的形勢 下.

7、示教在線編程已成為新的生產模式的一大障礙。 離線編程可以克服以上不足.具有顯蓍的優(yōu)點。為滿 足小批量、多品種、成本低、時間短及焊接質量髙等 要求.開發(fā)離線編程系統(tǒng)是必然趨勢。安川公司生產 的MO1OMAN-UP系列機器人在我國應用較廣.而目 前國內尚沒有針對UP系列機器人的實用性強、自動 化程度高的離線編程系統(tǒng)：因此，開發(fā)具有自主知識 產權的UP系列機器人編程系統(tǒng)意義車大。1MO7OMAN-UP系列弧焊機器人離線編程系統(tǒng)主 要包括“機器人及用戶接口、運動學計算、機器人通 信、焊接軌跡規(guī)劃及參數規(guī)劃、工作環(huán)埴建模、運動 學仿真、焊接作業(yè)文件自動生成及保存.其相互關系 如圖1所示。建立MOTOMA

8、S （ PcAOflNK|系列機話人？ "坐杯劇_ 飛"* -cad圖形轉紈遜規(guī)劃冷二*I t件冷態(tài)顯示）I 運動星求解 關節(jié)屛施頑.tie心亦x刃圖1機器人離線編程系統(tǒng)的組成2采用VISUAL C+6.0開發(fā)系統(tǒng)用戶接口 '"，如 圖2所示，基本操作步驟及功能簡介：（1）選擇機器人型號。如UP6、UP20等。（2）焊縫幾何參數規(guī)劃。選擇工件幾何形狀 （如圓形、馬鞅形等）并輸入幾何參數（空間位置, 尺寸大小、傾斜角度等），工件同步顯示且同步導入 仿真軟件ROTSY中。圖2 MO1OMAN - UP列機器人離線編程系統(tǒng)用戶接口（3）插補點個數計算。根據上一步

9、輸入的尺寸、 傾斜角度等參數確定滿足焊接質量要求的插補點個 數，并顯示在用戶界面上。（4）通過微調按鈕去頂插補點序號。（5）插補點對應機器人末端位姿。系統(tǒng)讀取插 補點序號，并調用焊接工件姿態(tài)規(guī)劃函數.求出理想 狀態(tài)下機器人末端位姿，并顯示在界面上。（6）運動學逆解。系統(tǒng)讀取機器人末端位姿并 調用運動學逆解模塊，將結果顯示在標簽關節(jié)角 及沖值下面。（7）單步生成指令。利用生成的六關節(jié)脈沖值 編寫3條作業(yè)指令.并添加到作業(yè)文件的相應位直.該程序符合日本安川機器人作業(yè)程序的語言格式。重 復步驟（4）（7）,直至完成所有插補點。（8）保存作業(yè)。將生成的作業(yè)文件包存到某個 路徑下。（9）離線仿真。調用R

10、OTSY進行運動學仿真。（10）機器人通信。調用MOTOCOM32將作業(yè)傳 輸到機器人控制器XRC.遠程操作機器人實焊。考慮到簡單實用，界面上自動生成作業(yè)按 鈕可以實現一犍生成作業(yè)文件.無需車復步驟（4） 一 （7）.節(jié)省大量時間。3首先根據UP系列機器人坐標系.列出機器 人連桿參數表：然后求出機器人各坐標系（圖3）間 的齊次變泱矩陣。最后求運動學逆解。因為MOIO- MANUP系列機器人有各種手臂形態(tài)，所以逆運動學 的逆解不唯一.而機器人前3個關節(jié)變量僅與機器人 末端點的位置有關，而后3個變量與末端點的姿態(tài)有 關.故采用臂腕分離的方法結臺分離變量法，將機器 人末瑞的位姿分解為臂部和腕部兩部分

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

12、c Publishing House. All rights reserved 202機床與液壓第35巻1 MO TOMAN-UP20關節(jié)坐標n坐標變換連桿參數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機床與液壓第35巻4通過該模塊.用戶選擇焊接工件的幾何形狀并輸 入幾何參數。系統(tǒng)根據用戶輸入的幾何形狀及幾何參 數自動計算出符合焊接質量要求的插補點個數及選擇 采用何種插補方式，并對插補點編號，計算每個點對 應的姿態(tài).即焊縫特征坐標系。如選擇馬鞍形工件. 彈出的焊縫規(guī)劃對話框如圖4所示.不僅是用于正交 馬鞍形工件.而且對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列機器人商線編程紊統(tǒng)203全是本系統(tǒng)的特點之一。圖中，工件的顯示、旋轉、 放大、縮小等功能的實現采用了 OpcnQ技術，用 戶可以清楚看到工件幾何形狀、個斜角度（圖中為 35°）。該界面圖文并茂，一目了然。圖4工件參數輸入及動態(tài)顯示對話框5本系統(tǒng)實現了焊接作業(yè)的兩種生成方式：一種是 單步指令生成，另一種是自動生成。前一種生成焊接 作業(yè)文件需要執(zhí)行次數與插補點個數相等.即1個插 補點對應1次編程操作，故插補點又叫編程點，缺點 是生成一個作業(yè)文件可能需要手動重復步驟（3） （7）多次.易出錯.耗時長.但也存在優(yōu)點：方便用 戶查看某個編程點的機器人末端位姿及各關節(jié)相應的

15、角度及脈沖值，其作用主要用于此；后一種是由計算 機自動車復步驟（3）（7）.用戶只需按下按鈕自 動生成作業(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)省大量時間.且不易出 錯.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，點擊按鈕保存作業(yè)，打開 保存對話框.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)將遠程通信模塊MOTOCOVI32及運動學 仿真模塊ROTSY集成到一個界面上.用戶不再需要 另外啟動這2個模塊，而只需點擊界面上的按鈕即 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)自動導入馬鞍形工件.而不需用戶導

16、 入.且焊接作業(yè)文件已經保存到仿真軟件的默認文件 夾下點擊運行按鈕，可以觀寮到機器人焊槍沿著焊 縫軌跡焊接，其操作簡單.自動化程度高。通信模塊MO IOCCM32由3個模塊構成，分別實 現髙速作業(yè)傳輸、主機控制及自動作業(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.可對計算機中的程序和機器人控制器中的程序 進行各種傳輸工作。如將計算機中的程序復制，移動 到機器人控制器中：反之.也可以將機器人控制器中 的程序復制.移動到計算機中。保存在計算機中的程 序，可以隨時打開，在計算機上進行編輯修改十分方 便。這樣就可以把離線編程生成的作業(yè).從計算機傳 到機器人控制器的內存中.然后調

17、用主機控制模塊進 行實際焊接.所有操作均在計算機上完成.且集成度 高，真正實現離線編程及遠程操作。圖5馬鞍型焊縫運動學仿直圖6高速作業(yè)傳輸模塊7本研究采用VISUAL C +6.0編程工具開發(fā)了 MOTOMANUP系列機器人離線編程系統(tǒng)，適用于UP 系列的所有機器人該系統(tǒng)解決了運動學逆解的多解 優(yōu)化及仿真軟件ROTSY和通信軟件MOTOCOM32的 集成度不髙等問題，實現了焊接作業(yè)文件的單步生成 及自動生成.結合先進的圖形工具Opend技術實現 了工件的顯示、旋轉、放大、縮小等功能.使用戶對 嚇轉第207頁）在系統(tǒng)的開發(fā)過程中.筆者選用了 C+Builder 作為開發(fā)工具，C +Builder

18、同時支持CORBA和 DCOM.并內置了 VisBiuker.其開發(fā)環(huán)壇中還集成 T OORBA DL編譯器.是開發(fā)分布式對象應用系統(tǒng) 的優(yōu)秀工具。使用OMG DL描述系統(tǒng)的軟件體系結構模型. 產生若干個IX文件.這些文件經DL編譯器編譯 后，形成了給服務器使用的skcleion原始程序和給客 戶端使用的smb原始程序。然后編寫客戶端應用程 序處理客戶端的操作，再把slub原始程序包含在客 戶端應用程序的項目中進行聯編，生成可執(zhí)行的客戶 端程序。同樣的再編寫能夠相應并實現客戶端請求的 服務器端應用程序之后.把skelefn原始程序包含在 服務器端應用程序的頊目中進行聯編.生成可執(zhí)行的 服務器端

19、程序.并且通過對象適配器將服務器對象類 在實現庫中進行注冊.這樣.當客戶端使用服務器對 象時.服務器能夠自動運行。此外，OORBA應用程 序是多線程的.在實現服務器與客戶端對象時，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，其中包括： 互斥對象(VBVIulcx)、條件變量(VISCondilion)和 讀嗎鎖定對象(VISRWlock)來防止線程沖突。5軟件復用時在軟件開發(fā)中避免瑩復勞動的解決方 案。通過軟件復用，可以提高軟件開發(fā)的效率和質 量?；跇嫾膹陀檬钱a品復用的主要形式.也是當 前復用研究的焦點。基于構件的開發(fā)方法是

20、按照滿足 預先定義的功能要求將構件隼成到應用系統(tǒng)的過程。 從某種意義上說.構件庫是軟件復用的基礎.一個結 構合理、功能齊全的構件庫是進行基干構件的軟件開 發(fā)的有力保證。目前，有多種途徑獲得構件：從現有 的構件中獲得符合要求的構件.直接使用或作適應性(上接第203頁)工件一目了然。另外，還實現了焊接作業(yè)文件的自動 讀取及工件模型文件的自動導入功能，使得運動學仿 真的自動化程度進一步提高。綜上所述，MOTOMAN- UP系列機器人離線編程系統(tǒng)具有功能全、集成度高、 速度快、自動化程度髙、用戶接口友好、圖文并茂、 交互性好等特點.它從真正意義上實現了機器人離線 編程。【1】林尚揚，陳本善.李成桐焊接

21、機器人及其應用 M 北京：機械工業(yè)出版社.2000: 25 - 46.【2】劉永機器人離線編程研究D 南京：南京理工 大學.2000.修改.得到可復用構件；通過遺留系統(tǒng).將具有潛在 復用價值的構件提取出來.得到可復用構件；從構件 市場上購買現成的商用構件：開發(fā)新的、符合要求的 構件?？梢娫谲浖_發(fā)過程中.對系統(tǒng)進行分析，提取 構件并對構件進行開發(fā)與積累是實現軟件復用的基礎 總之.本文分析了一類系統(tǒng)開發(fā)中構件開發(fā)模式，基 于ORBA方法實現構件.為基于構件的軟件開發(fā)打下 了良好的基礎。軟件構件技術的應用正在促進軟件產 業(yè)改革和重組分工.這對我國軟件產業(yè)的發(fā)展是個良 好的機遇?；蓸嫾拈_發(fā)方法作為軟件開發(fā)的新手 段.是時代發(fā)展的產物.必將取得進一步突破?！?】王志堅費玉奎，等軟件構件技術及其應用|M. 科學出版社，2005.4.2】青鳥可境用軟件開發(fā)指南青鳥工程項目組技術報告 R 北京大學計算機科學系，1997.【3】楊芙清.梅宏.李克勤軟件貫用與軟件構件技術 J 電子學報，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