VC++和Open Inventor下工业机器人切割软件开发

　　摘要：为了解决不具有离线编程功能的切割机器人对形状复杂的工件作业时, 在线示教和调试的难题, 开发了一套基于VC++与Open Inventor开发环境的工业机器人切割仿真系统。该仿真系统采用计算机图形学、虚拟现实、计算机编程等技术和方法, 建立了六自由度工业机器人运动学、动力学、轨迹规划以及管件切割的仿真平台, 并具有文件管理、参数输入、结果输出、图形显示等功能。利用KUKA KR16工业机器人, 以管件切割为对象, 进行了机器人切割的算法验证、三维图形显示与动画仿真。结果表明:该仿真系统能较好地满足交互性与实时性要求, 验证了切割仿真系统的有效性。

　　关键词：切割仿真系统; 工业机器人; VC++; Open Inventor;

　　Abstract：In order to solve the problem when off-line programming capability cutting robot working on complex parts don't have the function of on-line programming by demonstration and debugging, we developed a new industrial robot cutting simulation based on the development of VC + + and Open Inventor. This simulation system use the technology and manner of computer graphics, virtual reality, computer programming etc. to build a 6-DOF industrial robot simulation platform, which has the kinematics, dynamics, trajectory planning and cutting pipe function, meanwhile has the function of file management, parameter input, result output, graphic display etc. We used the KUKA KR16 industrial robot to verify the algorithm validation, display the 3-D graphics and simulate animation. The result showed that, the simulation system can satisfy the requirement of interactivity and real-time, and verify the effectiveness of cutting simulation system.

　　Keyword：cutting simulation system; industrial robot; VC + +; Open Inventor;

　　切割机器人因具有切割质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等优点, 而广泛应用于在汽车、工程机械、石油化工等领域。然而, 切割机器人目前的编程方法主要以在线示教编程为主[1], 机器人运动路径上的关键位置点仍必须通过示教方式获取, 对于一些复杂形状的零部件, 众多的示教点必须花费大量的示教时间, 不但降低了机器人的使用效率, 也增加了编程人员的劳动强度[2]。因此, 利用计算机动态仿真技术对其进行离线示教和仿真, 将是切割机器人应用的一次革命性的改善[3]。

　　为此, 加拿大Robot Simualtion公司、以色列Tecnomatix公司、美国Deneb Robotics公司以及ABB机器人公司、安川公司、FANUC公司等相继推出了商用的离线示教编程系统。然而这些商业化的离线编程系统成本较高, 使用复杂, 且只支持自家品牌的机器人, 兼容性较差[4]。国内学者也对机器人离线编程系统进行了研究。陈庚顺等[5]针对6自由度关节型焊接工业机器人工作空间任一点的灵活度分析和仿真, 为检验机器人的灵活度性能指标是否满足机器人的设计要求提供了基础。曲兵兵等[6]研究了利用FANUC机器人的离线编程软件Roboguide对FANUC弧焊机器人进行离线编程的问题。然而, 针对切割机器人尤其是KUKA KR16切割机器人的离线编程系统还未见报道。

　　KUKA KR16是目前国内自动生产线中使用较为广泛的切割机器人。由于KUKA机器人目前采用的是示教再现的编程方法。因此, 在实际作业过程中, 管管相交或连接时, 受到管径、管厚、相交类型等参数影响, 切割线往往是复杂空间曲线, 占用机器人示教再现的编程方法难以在生产中完成调试, 因此, 开发切割机器人离线编程系统, 对机器人在切割作业的应用具有重要的意义。

　　机器人离线示教编程系统是在计算机上通过机器人几何模型与实际工作环境的模型, 建立机器人系统运动的数字模型, 并对机器人运动的空间轨迹点进行编辑, 通过进行机器人的运动仿真, 对工作过程中的碰撞和干涉进行检查, 最后对编制的程序进行后置[7]。因此, 实现机器人切割仿真是开发离线示教编程系统的基础。

　　本文以KUKA KR16工业机器人的管件切割为例, 开发了一套基于VC++与Open Inventor的工业机器人切割软件, 完成了工业机器人运动学、动力学及轨迹规划的分析与仿真, 具有实现文件管理、参数输入、结果输出、图形显示等功能, 并实现了机器人切割管件的三维图形显示与动画仿真。

　　1、系统的需求分析

　　作业条件、运动轨迹和作业顺序可以灵活改变是工业机器人切割加工的主要特征。为了满足其特征要求, 其仿真系统需求分析, 需从作业条件、运动轨迹和作业顺序入手。因此, 本切割仿真系统的设计, 从几何建模开始实现切割主、支管正交、斜交, 偏心或不偏心, 不同的坡口, 不同的切割方向, 并满足火焰切割工艺要求。所开发的软件具有以下功能:

　　(1) 可以满足各种壁厚、直径的管-管相贯或板-管相贯在正交或斜交、带坡口或不带坡口、偏心和不偏心情况下马鞍形轨迹及管子切割的计算。具有较好的适应性。

　　(2) 切割仿真系统是基于KUKA工业机器人开发的管件切割系统, 可同时向ABB、REIS、FANUC等工业机器人系统扩展。具有较好的扩展性。

　　(3) 在输入已知的管件结构参数、切割工艺参数及工业机器人参数后, 能很快计算出管件切割后的几何形状、坡口面形状及切割轨迹线, 并在图形显示区以三维的形式实时显示。具有较好的实时性。

　　(4) 在计算完成后, 能生成控制工业机器人所需的数据文件。将生成的工业机器人数据文件送到机器人仿真系统, 就可以进行工业机器人管件切割仿真。具有较好的数据接口, 实现数据的无缝连接。

　　(5) 将生成的机器人数据文件送到机器人控制柜中, 就可以控制工业机器人进行管件切割。具有较好的便捷性。

　　(6) 能够计算的管件切割类型多, 操作方便, 功能齐全, 能够满足用户在切割管件方面的工艺、精度要求。

　　2、仿真系统的设计

　　2.1、总体设计

　　机器人切割仿真系统主要包括机器人管件切割计算系统和机器人离线仿真系统, 如图1所示。机器人管件切割计算系统主要是根据用户的实际需要, 生成实现机器人管件切割的控制数据, 包括:切割路径轨迹点数据、切割姿态欧拉角以及控制管件旋转的变位机转角等。机器人离线仿真系统主要是对机器人管件切割计算软件系统所生成的数据进行仿真模拟, 在离线环境下检验计算结果数据的准确性。最后, 将校核后的数据生成机器人离线程序并输入机器人控制系统中, 实现机器人对管件的切割。

　　2.2、软件各功能模块设计

　　机器人切割计算系统包括四大模块, 分别是人机交互功能模块、图形显示功能模块、割枪切割控制数据计算功能模块以及计算结果后处理功能模块。软件系统结构框图如图2所示。

　　2.2.1、人机交互功能模块

　　人机交互功能模块主要是实现计算数据的输入与计算结果的显示。软件提供友好的人机交互接口, 用户根据实际需求, 在软件提示下完成相应计算参数的输入与修改。输入计算参数主要包括以下3个部分: (1) 管件结构参数; (2) 切割工艺参数; (3) 机器人工作状态参数。

　　2.2.2、计算模块

　　机器人管件切割计算模块是仿真系统的核心部分。该计算模块可根据用户的输入参数, 通过程序计算最终生成控制割枪切割的数据, 包括:割枪切割方向曲线、割枪切割轨迹曲线、割枪切割修正轨迹曲线、割枪切割姿态及变位机旋转角度。通过这些数据可控制机器人实现管件切割。

　　2.2.3、图形显示功能模块

图形显示功能模块主要是实现程序计算结果的图形显示。图形显示功能模块根据程序计算结果, 动态地显示主/支管坡口的马鞍型曲线、坡口曲面以及割枪切割轨迹线。通过图形显示功能模块可以直观形象地显示切割坡口以及割枪切割时的轨迹线。

　　2.2.4、后处理模块

　　机器人管件切割计算系统在计算得到结果数据后, 还可根据机器人类型的不同输出相应的离线程序。该离线程序可直接输入机器人离线仿真系统对计算结果进行检验。将该离线程序输入机器人控制系统中即可控制机器人进行管件切割。

　　3、仿真系统的实现

　　3.1、开发环境的选择

　　VC++6.0是Microsoft公司推出的一个基于Windows系统平台、可视化的集成开发环境, 它的程序按C++语言编写, 并加入了功能强大的MFC类库。MFC中封装了大部分Windows API函数和Windows控件, 它包含的功能涉及到整个Windows操作系统。MFC不仅给用户提供了Windows图形环境下应用程序的框架, 而且还提供了创建应用程序的组件[8]。因此, 使用VC++提供的高度可视化的开发工具和MFC类库, 可使应用程序开发变得简单。

　　Open Inventor是在SGI公司的Open GL基础上建立的支持不同硬件平台的三维图形开发库。它具有一个相对独立的三维显示窗口, 能方便地实现简单的缩放、旋转、平移等操作, 并为用户提供了一个统一的操作和支持多种三维图形格式。另外, 它还专门为VC++6.0提供了API接口, 便于程序员快速、简洁地开发各种类型的交互式三维图形程序[9-10]。用户可以根据此优点, 建立良好稳定的机器人仿真系统。

　　3.2、切割过程仿真的实现

　　3.2.1、切割系统参数的设定

　　切割系统参数的输入界面如图3所示。点击确定输入该参数, 程序会随之计算出相贯线轨迹[6]。根据相贯线轨迹, 得到机器人末端运动轨迹, 然后根据该轨迹进行机器人运动学反解, 得到各个关节随时间而改变的转角, 将转角值实时输入到每个运动关节中, 仿真即可实现。轨迹规划是根据作业任务要求, 计算出预期的运动轨迹。首先对机器人的任务, 运动路径和轨迹进行描述。用户只需设定手部的目标位姿, 然后确定到达该目标的路径点、持续时间、运动速度等参数轨迹。并且在计算机内部描述所要求的轨迹, 即选择习惯规定及合理的软件数据结构。

　　3.2.2、动态仿真过程的实现

　　动态仿真过程主要是利用传感器和旋转变化来实现的[11]。利用定时器传感器, 以一定的时间间隔, 回调一个旋转节点, 该旋转的角度由机器人运动学的反解确定。根据Open Inventor中旋转变换独特的几何积聚效应, 在较小的时间间隔下, 将产生连续运动的视觉效果。

　　以上程序是机器人中一个关节的动态角度控制部分。

　　在主函数中, 定义一个定时器传感器rotating Sensor1。同时也指定了该定时器传感器的回调函数rotating Sensor Callback1以及用户自定义的数据即旋转节点Rot1。使用set Interval设置调度间隔为每秒调度10次, 通过“rotating Sensor1->schedule () 控制调度开始。在回调函数中, 将Joint Theta1[][]中所包含的旋转角度值一次赋给旋转节点。这样可分别设定6个关节的转动角度, 形成动态仿真效果。

　　3.2.3、仿真系统的实现

　　系统在经过编译、重建, 运行后, 会弹出一个窗口, 如图4所示。

　　点击“打开”, 可选择打开“主管”, 如图5所示, 进入输入参数的界面, 如图6所示。也可以直接通过“数据”, 将新的数据参数进行输入。

　　依次点击“计算仿真”的计算、仿真, 弹出动态仿真窗口, 如图7所示。

　　4、结语

　　开发了一套基于VC++与Open Inventor的6R工业机器人切割仿真系统, 完成了工业机器人运动学、动力学及轨迹规划的分析与仿真, 并实现了工业机器人及切割管件的三维图形显示与动画仿真。经过测试, 该仿真系统达到了设计的要求, 为KUKA KR16切割机器人离线示教编程系统开发提供了依据。也为其它焊接机器人离线示教编程系统开发提供了一种方法参考。

　　参考文献
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　　[3]许燕玲林涛陈善本.焊接机器人应用现状与研究发展趋势[J].金属加工:热加工, 2010 (8) :32-36.
　　[4]魏志丽等.工业机器人离线编程商业软件系统综述[J].机械制造与自动化, 2016, 45 (6) :180-183.
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　　[6]曲兵兵, 房术荣, 张伟强, 等.基于Roboguide的弧焊机器人离线编程研究[J].煤矿机械, 2016, 36 (4) , 50-52.
　　[7]王洪雨.基于Solid Works的工业机器人离线仿真系统分析[J].企业导报, 2016 (13) :190.
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　　[9]阎锋欣.Open Inventor程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社, 2007.
　　[10]王伟东, 钱东海.基于Open Inventor的机器人运动学仿真和轨迹规划研究[J].机械与电子, 2010 (5) :59-63.
　　[11]王海鹏, 陈和平, 朱英韬, 等.工业机器人在板材切割生产线的应用[J].组合机床与自动化加工技术, 2015 (5) :141-144.