李 偉，奚春彥

(1.中國科學(xué)院 研究生院，北京 10039;2.中國科學(xué)院 沈陽計算技術(shù)研究所，沈陽 110168)

0 引言

在當(dāng)今迅猛發(fā)展的工業(yè)自動化時代里，越來越多的環(huán)節(jié)需要自動化程度更高的設(shè)備來完成，加之人工成本的不斷上升，工業(yè)環(huán)境更高要求，工業(yè)機器人的應(yīng)用大大提高了工作效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，并且工業(yè)機器人是“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專項中重要的功能部件［1］。在工業(yè)機器人的應(yīng)用過程中，需要對應(yīng)用了機器人的加工生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)試，由于數(shù)控設(shè)備的價格昂貴，調(diào)試人員的誤操作可能會危及機床設(shè)備甚至操作者自身的人身安全。因此，先期的工作不適合在實際設(shè)備上運行。

機器人仿真系統(tǒng)作為機器人設(shè)計和研究中安全可靠、靈活方便的工具，具有重要的作用，它可應(yīng)用于機器人的許多方面［2］。仿真系統(tǒng)的應(yīng)用使調(diào)試人員在實際操作之前能在數(shù)控系統(tǒng)上進(jìn)行模擬操作，減少失誤以及提高工作效率。另外，對于剛接觸工業(yè)機器人的操作員來說，此系統(tǒng)可以提供與現(xiàn)實工業(yè)機器人幾乎相同的操作步驟，在操作員真正操作工業(yè)機器人之前，可以增加其操作的熟練程度，增加安全系數(shù)［3］。

本文基于GLS25 桁架自動化加工單元，設(shè)計了基于OpenCASCADE 的應(yīng)用了桁架機器人的數(shù)控加工生產(chǎn)線的仿真系統(tǒng)，通過離線示教編程，模擬桁架機器人在數(shù)控加工生產(chǎn)線上的運動過程，在調(diào)試機器人之前，能夠檢測程序的正確性。避免了直接操作實體可能造成的事故和不必要的損失。

1 仿真系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 桁架機器人的工作流程分析

桁架機器人即直接坐標(biāo)機器人，由3 個相互垂直的移動運動軸(PPP 型)組成。一般情況下X、Y 軸為水平軸，Z 軸為垂直軸，而且三個軸都是主動軸，其自由度為3。桁架機器人的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由相互垂直的三個軸構(gòu)成空間直角坐標(biāo)系，空間中的任意一點即可用空間坐標(biāo)(x，y，z)來表示［4-5］。

圖1 桁架機器人結(jié)構(gòu)示意圖

其中GLS25 桁架自動化加工單元的運動軸為兩軸，其工作流程示意圖如圖2 所示，主要由以下幾部分組成:1 為雙面工件爪，2 為第一數(shù)控加工機床，3 為反轉(zhuǎn)盤，4 為工件盤，5 為第二數(shù)控加工加床。工件爪的移動方向如圖中方向所示。具體工作流程如下［6-7］。

圖2 GLS25 工作流程圖

①雙面工件爪移動到工件盤上方抓取未加工的工件。

②雙面工件爪將移動到第一數(shù)控加工機床，將工件放入卡盤，卡盤卡住工件，雙面工具爪松開工件，開始對工件進(jìn)行第一次加工。

③雙面工具爪移動到工件盤上方，如果下方有未加工的工件，抓取工件，如果沒有則工件盤轉(zhuǎn)動，將有未加工工件的一列轉(zhuǎn)動到工件爪下方，然后再抓取工件，如果工件盤已沒有未加工的工件則工作停止。

④移動到第一數(shù)控加工機床，卡盤松開工件，雙面工具爪未抓取工件的一面抓取已加工一次的工件，雙面工具爪翻轉(zhuǎn)，重復(fù)②過程。

⑤雙面工具爪移動到反轉(zhuǎn)盤處，將已加工一次的工件反轉(zhuǎn)后再抓起。

⑥移動到第二數(shù)控加工機床，將已加工一次的工件放入卡盤，卡盤卡住工件，雙面工具爪松開工件，開始對工件進(jìn)行第二次加工。

⑦重復(fù)①～⑤過程

⑧移動到第二數(shù)控加工機床，卡盤松開工件，雙面工具爪未抓取工件的一面抓取加工完成的工件，雙面工具爪翻轉(zhuǎn)，重復(fù)⑥過程。

⑨移動到工件盤，將加工完成的工件放入工件盤的一列中。

⑩重復(fù)上述過程。

1.2 基本框架設(shè)計

OCAF 對于Open CASCADE 是一個其類庫的輔助工具，是一種基于Open CASCADE 的RAD(Rapid Application Development，快速開發(fā)工具)框架，為用戶(即開發(fā)人員)提供了一個快速開發(fā)的手段［8］。

首先利用OCAF 建立了一套獨立的支撐框架，這個支撐框架的主要作用就是為系統(tǒng)的建模模塊、可視化模塊及數(shù)據(jù)管理模塊等提供與模塊無關(guān)的底層支撐，這樣就實現(xiàn)了系統(tǒng)模塊化設(shè)計。在這個支撐框架的基礎(chǔ)上，完成了離線示教編程模塊、模型仿真模塊、運動仿真模塊、機器人語言編譯模塊的設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)中使用的類庫模型包括應(yīng)用框架、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類、建模數(shù)據(jù)類以及可視化類。其中每個類庫模型及其內(nèi)容如表1 所示［8］。

表1 類庫模塊及其內(nèi)容

1.3 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

基于GLS25 桁架自動化加工單元，仿真系統(tǒng)對桁架機器人以及數(shù)控加工生產(chǎn)線等物體建立初始實體模型，根據(jù)系統(tǒng)各組成部件的位置信息和幾何信息，形成加工環(huán)境的三維實體顯示，通過離線示教編程界面獲取調(diào)試程序，系統(tǒng)根據(jù)調(diào)試程序控制桁架機器人運動，從而檢測調(diào)試程序是否正確，并且輸出能夠應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)上的G 代碼，同時能夠載入用戶編寫的G 代碼，通過運動檢測其正確性。仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計如圖3 所示。

圖3 仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 離線示教編程模塊

2.1.1 界面以及控制指令

以MFC 的SDI(Single Document Interface)應(yīng)用程序為基礎(chǔ)，通過向MFC 框架類中添加相應(yīng)的OpenCASCADE 類庫提供的相關(guān)方法，完成基于

OCAF (Open CASCADE Application Framework)的單文檔程序框架的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上設(shè)計離線示教編程界面，離線示教編程界面如圖4 所示。

圖4 離線示教編程界面

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的G 代碼，設(shè)計指令集如表2 所示。

表2 指令集合

2.1.2 數(shù)據(jù)的存儲

根據(jù)程序指令設(shè)計其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲離線示教編程的數(shù)據(jù)［4］。本課題設(shè)計了線性鏈表，方便控制指令的添加刪除。線性鏈表中每個節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

根據(jù)每個命令參數(shù)設(shè)置其具體參數(shù)的數(shù)據(jù)，具體參數(shù)的結(jié)構(gòu)如下:

2.2 模型仿真模塊

根據(jù)桁架機器人的工作流程，將其模塊化，運動部分為雙面工件爪、工件盤、反轉(zhuǎn)盤，每個必須單獨進(jìn)行建模仿真;而支架、數(shù)控加工機床為非運動模塊，可將其作為整體建模［9］。

OpenCASCADE 能夠自己創(chuàng)建一些基本模型，本課題通過自己創(chuàng)建模型，然后將其導(dǎo)入到本課題中使用。通過UG，對桁架機器人及其生產(chǎn)線進(jìn)行建模仿真，將模型導(dǎo)出為IGES 格式。在系統(tǒng)中通過OpenCASCADE 類庫模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類中的接口函數(shù)將IGES 格式文件轉(zhuǎn)換為OpenCASCADE 能夠使用的模型文件。其過程為:載入文件、檢查文件一致性、設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)、完成模型轉(zhuǎn)換、提取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.3 機器人語言編譯模塊

通過設(shè)計的指令集，在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行判斷編譯。首先獲取存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)鏈表，然后通過遍歷鏈表［6］，檢查每個節(jié)點的命令標(biāo)識，根據(jù)不同的命令標(biāo)志，進(jìn)行相應(yīng)的處理。根據(jù)每次處理的不同，將相應(yīng)的G 代碼添加一個字符串變量中，最終將其寫入文件，此文件能夠被數(shù)控加工系統(tǒng)讀取。同時本系統(tǒng)也可以載入其他符合格式的G 代碼文件，并通過運動檢驗其正確性。其偽代碼為:

2.4 運動仿真模塊

桁架機器人為3 自由度機器人，本系統(tǒng)的桁架機器人只有兩軸，故在空間上只設(shè)計Y 軸以及Z 軸坐標(biāo)［10］。

在Y 軸運動方向上設(shè)計6 個關(guān)鍵點，依次為雙面工具爪?？吭c(非零點)、第一加工點、反轉(zhuǎn)點、抓取工件點、下料放置點、第二加工點。離線示教編程過程中，當(dāng)要添加直線運動操作時，會要求輸入運動終點Z 以及Y。此時會對此點進(jìn)行判斷:當(dāng)Z 不為零時，Y 的位置必須為上述六個關(guān)鍵中的后五個點，否則判斷示教程序錯誤;當(dāng)Z 為零時，Y 的值不能超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最大運動范圍，否則運動越界，示教程序錯誤。圖為運動仿真效果圖5 所示。

圖5 運動仿真界面

3 結(jié)論

本文基于OpenCASCADE 設(shè)計并實現(xiàn)了桁架機器人應(yīng)用于數(shù)控加工生產(chǎn)線的仿真系統(tǒng)。用戶可以利用本系統(tǒng)進(jìn)行離線示教編程，仿真出桁架機器人運動過程，能夠方便調(diào)試人員調(diào)試桁架機器人控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)已成功測試桁架機器人控制程序。今后的開發(fā)工作中，在對模型仿真有初步研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合硬件數(shù)控信號的操作，建立完善的加工仿真系統(tǒng)。

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