摘要：本文給出了在高級建模系統(tǒng)SolidWorks上開發(fā)機器人弧焊離線編程系統(tǒng)的方法，成功地開發(fā)出了一個功能較全的、實用化的機器人弧焊離線編程系統(tǒng)。本文給出了該系統(tǒng)的對象模型，并對各基本功能模塊的功能進行介紹。

 前言

隨著微機性能的不斷提高，許多大型的CAD設計軟件紛紛推出其微機版本，并且出現(xiàn)了直接運行在微機上的SolidWorks等軟件。在機器人領域，以往運行在高檔圖形工作站上的離線編程軟件，如ROBCAD、IGRIP、WORKSPACE等，紛紛推出了基于Windows的離線編程系統(tǒng)。這些軟件都是通用的離線編程軟件，尚缺乏對弧焊特殊應用的支持，如WORKSPACE更注重標定功能的開發(fā)[1]。用戶在編程程序時，很多時候還必須通過圖形示教方式建立機器人運動路徑，這對于大型工件或復雜路徑的編程，工作量是相當大的。從發(fā)展方向上看，離線編程系統(tǒng)正朝著智能化方向發(fā)展，用戶編程越來越簡單方便，自動編程技術成為人們追求的目標。
哈爾濱工業(yè)大學焊接實驗室開發(fā)的離線編程系統(tǒng)平臺AutoCAD2000，實踐證明，由于該軟件開發(fā)中的自身原因，使的該軟件存在一些的不足之處，三維設計中的實體造型能力不足，系統(tǒng)無法支撐較復雜工作單元的建模，無法實用化。目前具有一定自主規(guī)劃能力的離線編程系統(tǒng)將極大減少用戶的工作量，工件CAD信息的獲取成為后續(xù)規(guī)劃的數(shù)據(jù)輸入，這要求離線編程系統(tǒng)的平臺有較強的建模功能，能對各種焊接任務中的焊接工件進行建模。由于AutoCAD本身三維建模功能很弱，采用其他建模工具導入的模型，AutoCAD將無法得到足夠的工件建模信息，無法實現(xiàn)后續(xù)的自動規(guī)劃功能。
開發(fā)適合中國企業(yè)的、廉價且專業(yè)的弧焊離線編程系統(tǒng)，對于推廣離線編程的實際應用具有重要意義。

1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

SolidWorks由于價格便宜、具有一般用戶所需的功能，已成為全球3D主流設計市場用戶數(shù)最多、用戶滿意度最高、銷售額第一的軟件產(chǎn)品，在全球擁有超過325,000名用戶。并且它的二次開發(fā)功能很強大，能夠開發(fā)出弧焊離線編程系統(tǒng)。開發(fā)出的離線編程系統(tǒng)將具有較強的建模能力，從而具有較強的獲取工件和焊縫信息的能力，最大程度完成自動編程任務。這樣的弧焊離線編程系統(tǒng)很容易被中小企業(yè)接受。
本文應用COM技術的編程方法，以SolidWorks的API二次開發(fā)接口和VC++ 6.0、ATL作為開發(fā)工具，在SolidWorks平臺進行弧焊離線編程系統(tǒng)的開發(fā)。
SolidWorks API提供了大量的COM對象用于二次開發(fā)［2］，這些COM對象涵蓋了全部的SolidWorks的數(shù)據(jù)模型，通過對SolidWorks的COM對象的調(diào)用，用戶可以在自己開發(fā)的系統(tǒng)中實現(xiàn)與SolidWorks相同的功能。圖1為主要的SolidWorks API對象模型。

圖1 SolidWorks API對象模型［2］

2 機器人弧焊離線編程系統(tǒng)的對象建模

對象模型表示靜態(tài)的、結構化的系統(tǒng)“數(shù)據(jù)”性質。它是對模擬客觀世界實體的對象以及對象彼此間的關系的映射，描述了系統(tǒng)的靜態(tài)模型。類-&-對象間的關系可以概括為歸納關系、組合關系及關聯(lián)關系。
本文給出了三層的機器人工作單元中主要的數(shù)據(jù)結構：工作單元類，描述機器人等客觀對象的組合以及這些對象間的各種聯(lián)系和相互作用；設備類和關節(jié)類。
為了在圖形環(huán)境中可視地表征焊槍的運動過程，定義了路徑對象，路徑對象中有多個標簽點對象，一個路徑對象與一個部件對象之間存在受限關聯(lián)。根據(jù)以上分析，建立了離線編程與仿真系統(tǒng)的對象模型，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)對象模型

3 系統(tǒng)結構

從功能上講，機器人弧焊離線編程系統(tǒng)較一般的離線編程系統(tǒng)，增加了弧焊方面的功能。所以從功能上既包含了一般離線編程系統(tǒng)的功能，同時也突出了對弧焊的支持。本文對各功能模塊功能都做了改進。
機器人執(zhí)行級弧焊離線編程系統(tǒng)的總體結構如圖3所示。

圖3 功能模塊劃分

下面對各模塊功能進行概括性介紹。
1）設備建模
該模塊用于定義機器人、焊接工件、變位機等周邊設備：將SolidWorks創(chuàng)建的裝配體定義為各種設備，定義設備的關節(jié)運動類型、定義設備工具參數(shù)、設定設備的運動學參數(shù)等。創(chuàng)建機器人設備庫、變位機等周邊設備庫。
2）工作單元布局
系統(tǒng)應提供建立多設備組成的工作單元的能力，即工作單元布局功能。在該模塊中提供了調(diào)用已有設備、定義設備間位姿關系、組建協(xié)調(diào)運動設備的功能。創(chuàng)建工作單元庫。圖4給出了一個搭建的工作單元示例。

圖4 工作單元仿真示例圖

3）運動仿真
該模塊主要提供以下功能：各種設備的關節(jié)運動、回到零位運動；單機器人設備和協(xié)調(diào)運動設備的目標點運動、圓弧運動、沿路徑移動；路徑運動運動方式和仿真步長設定等。
4）路徑
路徑功能是離線編程的一大特點，使得機器人工具的運動過程能可視的記錄下來，以便于用戶的編輯。對于焊接任務，本文實現(xiàn)了利用路徑記錄現(xiàn)場信息的功能，包括各路徑點處機器人輔助軸關節(jié)角值、機器人基坐標意義下的TCP位姿，焊接參數(shù)等。
5）編程
本文根據(jù)已有編程語言結合焊接應用，提供了一種弧焊離線編程語言（OLPWL），用戶可利用此語言進行離線編程工作。該語言的特點接近實際弧焊機器人的編程語言，即方便熟悉機器人操作的編程人員使用，又可對編程人員進行訓練。該模塊為集成編輯、調(diào)試和仿真功能于一體的離線編程器。
6）數(shù)據(jù)轉換
一般離線編程系統(tǒng)提供了同實際機器人程序進行轉換的模塊，即程序轉換模塊。但目前由于不同機器人廠商采用了不同的編程語言，最大的困難在于機器人運動數(shù)據(jù)的轉換，即運動路徑點數(shù)據(jù)轉換為實際機器人程序使用的路徑點（或關節(jié)角）數(shù)據(jù)，由于不同機器人廠商采用不同的描述方法和存儲格式，可能無法破譯這部分信息。IGRIP軟件也只提供了同IGM和MotoMan機器人的直接程序轉換。本文提出了一種將運動路徑點數(shù)據(jù)轉換為各機器人編程人員都易理解的數(shù)據(jù)格式，實際機器人程序根據(jù)此數(shù)據(jù)單獨生成的方法。本文規(guī)定了通用的路徑數(shù)據(jù)描述方法。
7）數(shù)據(jù)上載
離線編程系統(tǒng)也應能根據(jù)示教得到的機器人程序轉變成仿真工作單元中的路徑，同樣基于上述原因，本文提出了數(shù)據(jù)上載功能，將本文規(guī)定的通用的路徑數(shù)據(jù)上載到離線編程系統(tǒng)中，生成路徑。
8）狀態(tài)監(jiān)測
該模塊包括了關節(jié)超限檢查、關節(jié)運動速度和加速度超限檢查、碰撞檢測。以往的離線編程系統(tǒng)通過預檢查的方法對關節(jié)角是否超限進行檢測，這種方法用戶不能形成對機器人整條路徑運動關節(jié)角變化過程的直觀感覺。對關節(jié)超限處路徑點位姿調(diào)整沒有幫助。本文采取了在動態(tài)運動過程中，監(jiān)測機器人狀態(tài)變化的方法。給出提示信息，不終止機器人的運動過程。
9）標定
為了保證圖形工作單元模型與實際工作單元模型的一致性，需要進行實際工作單元的標定工作。
10）輔助模塊
針對弧焊的特殊應用，本文開發(fā)了弧焊參數(shù)數(shù)據(jù)庫管理功能。

4 結論

本文開發(fā)了運行在SolidWorks平臺上的廉價且專業(yè)的弧焊離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強的建模能力，解決了以往系統(tǒng)因建模能力不足，只能對部分簡單工件提取工件幾何信息的問題。采用面向對象技術,建立了機器人弧焊離線編程與仿真系統(tǒng)的對象模型,開發(fā)了功能較全的機器人弧焊離線編程與仿真系統(tǒng)。