机器人离线编程与仿真核心技术优化方案

特征建模、对工件和机器人工作单元的标定、自动编程技术等是弧焊机器人离线编程与仿真的核心技术；稳定高效的标定算法和传感器集成是焊接机器人离线编程系统实用化的关键技术，具体内容如下所述：

1.支持CAD的CAM技术

在传统的CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）系统中，几何模型主要用来显示图形。而对于CAD/CAM集成化系统，几何模型更要为后续的加工生产提供信息，支持CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）。CAM的核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程或系统。对于机器人离线编程系统，不仅要得到工件的几何模型，还要得到工件的加工制造信息（如焊缝位置、形态、板厚、坡口等）。通过实体模型只能得到工件的几何要素，不能得到加工信息，而从实体几何信息中往往不能正确或根本无法提取加工信息，所以，无法实现离线编程对焊接工艺和焊接机器人路径的推理和求解。这同其他CAD/CAM系统面临的问题是一样的，因此，必须从工件设计上进行特征建模。焊接特征为后续的规划、编程提供了必要的信息，如果没有焊接特征建模技术支持，后续的规划、编程就失去了根基，另外，焊接特征建模的实现是同实体建模平台紧密联系在一起的。目前，在CAD/CAM领域，为解决CAD/CAM信息集成的问题，对特征建模技术的研究主要包括自动特征识别和基于特征的设计。

在机器人离线编程系统中，焊接工件的特征模型需要为后续的焊接参数规划、焊接路径规划等提供充分的设计数据和加工信息，所以，特征是否全面准确地定义与组织，就成了直接影响后继程序使用的重要问题。国内对焊接工件特征建模技术的研究主要应用装配建模的理论，通过装配关系组建焊接结构。哈尔滨工业大学以SolidWorks为平台开发了焊接特征建模系统，具有操作简单、功能强大、开放性好的特点，并根据焊接接头设计要求及离线编程系统的需要，对焊接特征重新分类，采用特征链方法对焊接接头特征进行组织，并给出了焊接特征建模系统的系统结构。系统实现了焊缝的几何造型，有效地提取了焊接特征，为后面焊接无碰路径规划及焊接参数规划提供了丰富的信息。

2.自动编程技术

自动编程技术是指机器人离线编程系统采用任务级语言编程，即允许使用者对工作任务要求到达的目标直接下命令，不需要规定机器人所做的每一个动作的细节。编程者只需告诉编程器“焊什么”（任务），而自动编程技术确定“怎么焊”。采用自动编程技术，系统只需利用特征建模获得工件的几何描述，通过焊接参数规划技术和焊接机器人路径规划技术给出专家化的焊接工艺知识以及机器人与变位机的自动运动学安排。面向任务的编程是弧焊离线编程系统实用化的重要支持。

焊接机器人路径规划主要涉及焊缝放置规划、焊接路径规划、焊接顺序规划、机器人放置规划等。弧焊接机器人运动规划要在很好地控制机器人在完成焊接作业任务的同时，避免机器人奇异空间、增大焊接作业的可达姿态灵活度、避免关节碰撞等。焊接参数规划对于机器人弧焊离线编程非常必要，对焊接参数规划的研究经历了从建立焊接数据库到开发基于规则推理的焊接专家系统，再到基于事例与规则混合推理的焊接专家系统，再后来基于人工神经网络的焊接参数规划系统，人工智能技术有效地提高了编程效率和质量。哈尔滨工业大学综合应用焊接结构特征建模、焊接工艺规划和运动规划技术，实现机器人弧焊任务级离线编程，并以提高焊接质量和焊接效率为目标对机器人焊接顺序规划和机器人放置规划进行了研究，改善了编程合理性，提高了系统的自动编程能力。

3.标定及修正技术(www.xing528.com)

在机器人离线编程技术的研究与应用过程中，为了保证离线编程系统采用机器人系统的图形工作单元模型与机器人实际环境工作单元模型的一致性，需要进行实际工作单元的标定工作。因此，为了使编程结果很好地符合实际情况，并得到真正的应用，标定技术成为弧焊机器人离线编程实用化的关键问题。

标定工作包括机器人本体标定和机器人变位机关系标定及工件标定。其中，对机器人本体标定的研究较多，大致可分为利用测量设备进行标定和利用机器人本身标定两类。对于工作单元，机器人本体标定和机器人/变位机关系标定只需标定一次即可。而每次更换焊接工件时，都需进行工件标定。最简单的工件标定方法是利用机器人示教得到实际工件上的特征点，使之与仿真环境下得到的相应点匹配。

Cunnarsson研究了利用传感器信息进行标定，针对触觉传感的方式研究实际工件和模型间的修正技术。通过在实际表面上测量数据，进行CAD数据描述与工件表面的匹配，于是就可以采用低精度且通用的夹具，从而适应柔性小批量生产的要求。而WorkSpace的技术则是利用机器人本身作为对工件的测量工具，其进行修正的原理是定义平面，利用平面间的相交重新定义棱边，或者重新定义模型上已知的位置。

4.机器人接口

国外商品化离线编程系统都有多种商用机器人的接口，可以方便地上传或下载这些机器人的程序。而国内离线编程系统主要停留在仿真阶段，缺少与商用机器人的接口。大部分机器人厂商对机器人接口程序源码不予公开，制约着离线编程系统实用化的进程。

实际上，所有机器人都是用某种类型的机器人编程语言编程的，目前，还不存在通用机器人语言标准，因此，每个机器人制造商都在各自开发自己的机器人语言，每种语言都有其自己的语法和数据结构。这种趋势注定还将持续下去。目前，国内研发的离线编程系统很难实现将离线编程系统编制的程序和所有厂商的实际机器人程序进行转换。而弧焊离线编程结果必须能够用于实际机器人的编程才有现实意义。

哈尔滨工业大学提出了将运动路径点数据转换为各机器人编程人员都易理解的运动路径点位姿的数据格式，实际机器人程序根据此数据单独生成的方法。离线编程系统实用化的目标就是应用于商用机器人。虽然不同的机器人，对应的机器人程序文件格式不同，但是对于这种采用机器人程序文件作为离线编程系统同实际机器人系统接口的方式，其实现方法是相同的。