激光焊接机器人离线编程分析与实现

激光焊接机器人离线编程 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与实现 Techn0and工艺与 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 激光焊接机器人离线编程分析与实现 宋立杰张桂香赵杰吴占涛 (湖南大学机械与汽车工程学院,湖南长沙410082) 摘要:在分析激光焊接工艺要求之后得出激光焊接机器人的位姿要求.重点阐述 了激光焊接机器人离线 编程过程中位姿的求解原理以及求解过程,利用UG软件二次开发工具 UGOpenGrip实现了机器 人位姿的求解,结合KUKASim软件实现了激光焊接机器人的离线编程和仿真. 关键词:激光焊接离线编程法向量位姿 AnalysisonandRealizationofOff—linePr0grammingSystemofLaserWeldingRobot SONGLijie,ZHANGGuixiang.ZHAOJie,WUZhantao (CollegeofMechanicalandAutomobileEngineering,HunanUniversity,Changsha41008 2,CHN) Abstract:Afteranalyzingtheoperationalcharacteristicoflaserweldinganddiscussingthe commandsforlaserweld- ingrobot-thepaperfocusesonthetheoreticalprinciplesandmethodsofhowtocalculatethe poseofla— serweldingrobot,andrealizesitwiththeUGsecondarydevelopingtoolUGOpenGrip.The noff—line programmingandsimulationfortheweldingrobothavebeendoneinKUKASimsoftware. Keywords:LaserWelding;Off—lineProgramming;NormalVector;Pose 激光焊接具有功率密度高,焊缝熔深大,速度快, 效率高,焊缝窄,热影响小,易于实现自动化等特 点…,在现代制造中发挥着越来越重要的作用.目 前,激光焊接在汽车车身制造中应用十分广泛.采用 激光焊接不仅可以提高焊接质量,改善车身部件的机 械力学性能,而且可以节省材料,降低车身的制造成 本. 机器人离线编程技术,是利用计算机图形学的成 果,建立起机器人及其工作环境的模型,利用一些规划 算法,通过对图形的控制和操作在脱离生产线的情况 下进行机器人的轨迹规划.机器人离线编程技术已经 被证明是一个有利的工具,用以提高生产效率,降低成 本和增加安全性等. 本文结合激光焊接对机器人的位姿要求,利用 KUKA机器人配套的仿真软件KUKASim实现了激光 焊接机器人的离线编程. 光焊接机器人的位姿有了严格的要求. 根据激光焊接的工艺要求,得出焊接机器人的位 姿要求(如图l所示):(1)激光束光轴和被加工点P 点的曲面法线共线(也可成一角度,本文只考虑共线 情况);(2)激光焊枪和被加工点的距离保持为. 机器 激光柬光轴 1激光焊接工艺要求和机器人位姿分析2位姿求解 激光焊接加工过程中,加工工艺不仅对激光束的 传输特性要求比较严格,即要求激光束光轴与被加工 工件表面垂直或与其法线成某一固定的空间角度引; 而且为了保证焊缝有较高的质量,在焊接过程中要求 激光聚焦透镜和工件表面的距离维持恒定.这就对激 l年-’ t.Kl~簪, 图1激光焊接机器人 在进行离线编程时,为了使机器人满足工作要求, 需要计算出机器人在每个工作关键点处的位姿,根据 焊接工艺要求,机器人的位姿跟被加工点的空间位置 和该点的曲面法向量有关.下面分别分析机器人位姿 求解过程和表面位姿求解过程. 2.1机器人位姿求解 工艺与检测Techgyand 如图1所示,机器人具有多个坐标系,基坐标系 ),手坐标系(H系),工具坐标系(E系),工件坐 (B系 标系(P系),通用坐标系(u系),这五个坐标系之间 通过不同的变换矩阵可以进行相互转换.在离线编程 过程中,一般采用手坐标系和工具坐标系进行编程. 本文采用工具坐标系来进行编程,也即通过对激光焊 枪上的q点进行编程,这样就需要解决两个问题,一是 把工件坐标系中的任意一加工点P点映射到工具坐标 系中的q点;二是建立基于工具坐标系进行编程的编 程坐标系.其求解过程如下: (1)坐标映射如图1所示,设工件坐标系中任 意加工点P的坐标列向量为(P,P,P),P点所在曲 面的单位法向量为(P…P,P),激光头和P点间的 距离为L,P点对应到工具坐标系中的g点,设q点的 坐标列向量为(q,q,q;),q点曲面单位法向量为 (q…q,q:).根据激光焊接工艺条件,要求激光束 的光轴和被加工点P点处的曲面法向重合,则有: (gqqz)=(PPp)+L(pP,p;) (1) (gqqz.)=一(pPp)(2) 根据式(1)和式(2),就可以将工件坐标系中加工 关键点坐标和法向量映射到工具坐标系. (2)建立工具坐标系KUKASim默认的编程坐标 系为手坐标系,建立工具坐标系时,只要计算从手坐标 系到工具坐标系的变换矩阵.变换矩阵通过计算激光 焊枪的几何尺寸即可建立,在此就不再赘述. 在建立工具坐标系之后,还需要解决坐标变换问 题.由于对表面位姿的求解和离线编程分别在UG软 件和KUKASim软件中完成,因此,同一加工点P,其坐 标值和法向量值在UG和KUKASim两个软件中就不 一 定相同.现假设在KUKASim软件中,P系到u系的 变换矩阵为(4X4方阵),在UG软件中,P系到u 系的变换矩阵为UT,把KuKAsim软件中任意一点P 相对于u系的位置用4×1的列向量P=(P,P,P:, )来表示.同理,相对于P系的位置用 1)(齐次坐标 列向量p表示,在UG软件中任意一点P相对于u系 位置用列矢量叭P表示,相对于P系的位置用列矢量n P表示,则有如下关系: P=TPpP1P(3)=Lj ? = UI P(4PP11P)= 把UG和KUKASim环境中的工件坐标系的原点 设置在相对工件的同一位置(比如都设置在工件的某 一 定位基准点),则对于工件中的同一点P,P和P相 同,由式(3)和式(4)可得: P=T-1Ulp(5) 由式(5)可实现两种不同软件环境中的坐标系变 换. 2.2表面位姿求解 在机器人位姿求解过程中,我们需要知道被加工 工件表面任意点处曲面的法 线方向.对于表面形状数学 模型已知的曲面,其表面的 法线可以通过曲面的法线方 程求出,这样我们就很容易 得到曲面上任意点的坐标及 其法向矢量.但是对于汽车 白车身的焊接加工,工程师 很多情况下不能获取白车身 零件的数学模型,而该类零 件表面的法线方向可能各不 相同,这样就对我们求解模 型上任意点的法线矢量提出 了要求.现在常用的求解方 法是通过在任意点周围离散 l获取曲面u.v参数 l求解法向量,绘制法线线 坐标变换,数据保存 Y:==V/’ 图2表面位姿求解流程图 的选取三个坐标点,通过这三个点构成平面,用这个平 面的法向来近似表达该点的曲面法向. 在计算机辅助设计中,非均匀有理B样条(Non— UniformRationalB—Spline,简称NURBS)曲面因其具 有表示范围广和各种良好性质,而成为当今CAD/ CAM中的主流几何表示 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 .NURBS曲面可用双参 ,=,.(u,)表示,现考虑参数曲面r 数M和的矢函数 :,(,)中一条曲线/Z=U(t),=(t)则,=,(t)=, ((t),(t))为参数曲面,.=,(//,,)上的一条参数曲 线,曲面上曲线的切向量可以通过,.(f)对参数t求导 并应用链式法则得到j: r(t)=rM+rvV(6) 曲面上任意一点P处的切平面可以看作曲面上所 有通过点P的曲线,(t)的切向量的集合.点P对应的 参数记为.,Up,由于切向量式(6)中包含了曲面沿两 ,导数的线性组合,所以在,(u., 个参数线方向,和 )处,以,为参数的切平面方程为 (M,)=,.(11,P,)+”(Mp,Up)+(,) (7) 曲面的法向量垂直于切平面,因此单位法向量为 N:(8)=-—l_(8)I ,.×,l 根据式(8)可知,要求出空间曲面中任意一点的 簪,woI’ 法线方向,只需要知道该点所在曲面方程的”,参数. 本文利用CAD软件UG的二次开发工具UGOpen Grip来求解未知数学模型曲面的任意点法向量.本文 中求解曲面法线方向的UGOpenGrip程序框图如图2 所示. 通过UGOpenGrip程序,可以求得加工点处曲面 的法向量,再通过坐标变换,就可以将P点坐标和法向 量映射到对应q点的坐标和法向量,这样可完成机器 人位姿的求解.图3是利用UGOpenGrip求解曲面 法向量.图中曲面上的线段方向为法向量方向,远离 曲面的线段端点就是所求P点坐标. 图3曲面任意点法向求解 3离线编程实现 一 个完整的离线编程系统需要包括三维几何造 型,运动学计算,轨迹规划,机器人运动图形仿真,用户 接口,语言转换等功能J.KUKASim是和KUKA机器 人配套的离线编程软件.KUKASim软件不仅可以非 常方便地在离线状态下对整个生产过程进行编程,而 且可以完全仿真整个实际工作.借助KUKASim软件 进行离线编程时,运动学计算,机器人图形仿真,用户 接口,语言转换等功能都可以由KUKASim软件辅助 完成,用户主要完成三维几何造型,轨迹规划,位姿求 解等任务. 离线编程实现的具体过程如下: ,机器人 (1)建立CAD模型.CAD模型包括工件 和焊枪的CAD模型.CAD模型可以通过KUKASim 建立,也可以使用其他CAD软件建立; (2)确定焊接关键点.通过对工件CAD模型进 行工艺分析,轨迹规划,确定焊接关键点; 在KUKASim软件中,导人 (3)建立工具坐标系. 工件,机器人和焊枪的CAD模型,确定工具坐标系原 点,建立工具坐标系; 塑L;l平幂l’朋 UU(~篓耋 Techn010gyand工艺与检测 (4)求解机器人位姿.根据焊接关键点,利用 “UGOpenGrip”程序求解机器人位姿; (5)编程仿真.根据机器人位姿数据,对机器人 进行离线编程,确定机器人活动半径,进行碰撞检测和 优化,生成代码; (6)实现与机器人通信. 将仿真生产代码导入KUKAE匮圆 OfficeLite软件,实现和机器匦辈--- 围---- 匡塑1 人之f.q的通信.孥l 在KUKASim软件中进匝 行激光焊接机器人离线编程一 流程图如图4所示.图4离线编程流程图 图5是在KUKASim中进行激光焊接机器人离线 编程仿真状态图. 图5KUKASim中的离线编程 本文以某型号汽车白车身前门内板总成焊装工序 的”前门铰链加强总成和前门内板的焊接”工位进行 了激光焊接离线编程.本工位根据激光焊接的工艺要 求确定了14个焊接关键点.在KUKASim中的编程结 果如图6,图中的坐标点P,P即为离线编程的关键 点. 4结语 图6自车身零件激光焊接编程 本文通过UG软件二次开发工具”UGOpenGrip” 实现了对激光焊接机器人的位姿求解,并且借助KU. 工艺与检测TeChn010gyand MasterCAM后处理中R与IJK的选用 韩益建 (南通龙腾机械有限责任公司,江苏南通226400). 摘要:介绍在MasterCAM后处理中怎样选用冠或IJK,主要说明各自的优缺点, 便于读者区分不同情况 下选择更合适的或IJK. 关键宇:MasterCAM后处理圆弧RIJK SelectionofRorlJK,nPostProcessorofMasterCAM HANYijian (NantongLongtengMachineryCo.,Ltd.,Nantong226400,CHN) Abstract:ThisarticleintroducestheselectionofRorIJKinpostprocessorofMasterCAM, mainlyexplainsthead- vantagesanddisadvantagesofeachselection,SOthatthereaderscanchooseappropriateRo rIJKunder diflferentcircumstances. Keywords:MasterCAM;Arc;PostProcessor;R;IJK MasterCAM软件是美国CNCSoftware,INC开发的 CAD/CAM系统,是最经济有效率的全方位的软件系 统.由于MasterCAM相比于其它编程软件来说简单 易学,因此在中小企业的数控编程领域应用十分广泛. MasterCAM最新版本为Mas- terCAMX系列,此版本的后 处理部分功能为开放式的窗 口形式,修改比较直观方便,” 本文以此版本为例讨论后处 理中IJK与的选用及相关 问题. 一 般数控机床圆弧插补 都支持圆弧半径与IJK(起 点至圆弧中心点的向量在各 坐标轴上的分量值)两种不 ,o 图1 0 .38923 同的用法.不可以走全圆,大于180.的圆弧必须用 负值指定.我们在后处理时究竞选尺还是IJK好呢? 下面分析各自的优缺点.为了便于说明,先举一个二 维的例子.如图1为加工时刀具中心所走的半圆轨迹 线(为实际加工图形中抽出的一段轨迹).采用Mas— terCAMX编好刀具路径后.点击加工群组中的文件 一编辑一控制器定义圆弧,如图2,发现默认的后处 理中圆心形式为半径,打断形式为打断圆弧为180. 时,生成的程序如下: % ooooo Nl0oG2l N102GOG17G40G49G80G90 N1O4T1M6 N106GOG90G54X一64.954Y170.389$400M3 N108G43H1Z100. Nl1OZ2. Nll2G1Z一10.F5O. N114G3X64.954Y一170.389R182.35F250. Nl16G1Z2.0o. N】】8GOZ100. KA机器人离线编程软件KUKASim实现了激光焊接 机器人的离线编程和仿真.为快速求解激光焊接机器 人的位姿和进行机器人离线编程探讨了一种方法;实 ,保证了焊接生产 现了焊接自动化的CAD/CAM生产 过程的高效率和高质量. 参考文献 1卢本.汽车机器人焊接工程.北京:机械工业出版社,2006. 2林尚杨,陈善本.李成桐.焊接机器人及其应用.北京:机械工业出版 社,2Ooo. 3虞钢,虞和济.集成化激光智能加工工程.北京:冶金工业出版社, 2002. 4M.PatrikalakisandTakashiMaekawa.Shapeinterrogationforcomputer aideddesignandmanufacturing.Berlin:Springer—Verlag,2002 5KUKASim2.0Tutorials (编辑汪艺)(收稿日期:2008—07一o8) 黧.纛如果您想发表对本文的看法请}文章编号填入读蓍意见串扮棋趱?g 等’wO?,