專利名稱：一種用于離線生成機器人切割作業程序的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種用于離線生成機器人切割作業程序的方法 及離線編程軟件，特別適用于利用機器人對工件進行切割作業的領 域。
背景技術：
工業上常利用數控機床切割平面板材制成工件，這些工件在使用 時出于美觀、焊接工藝、或其它生產工藝的要求，還需進行如開口、 切坡口等二次加工，隨著工業機器人的推廣與普及，越來越多的廠家 開始使用切割機器人來完成對工件的二次加工了。
傳統的機器人作業程序的生成是在車間現場由操作人員一邊操 縱機器人在工件表面示教特征點， 一邊在示教編程器上編制程序的方
法完成的。傳統的機器人程序的生成方法如參考圖1,2，3所示。如想 把參考圖1所示的工件切割成參考圖2所示的樣子，即把工件上表面 的一條直邊和中間過孔上部邊緣都切成45度的坡口。操作人員需在 工件表面上示教至少5點，示教一條直線要求起點和終點共2點，示 教一條曲線要求至少需起點、終點、中間一點共3點，如參考圖3所 示，在對每個事先標好的點，如圖中的a,b,c,d,e等點進行示教的時 候，操作人員應操作機器人使其所持割槍的尖端點指向目標點，同時 還需把割槍的姿態調整到與工件的平面成45度角，在切直邊時應使 割槍在工件表面的投影與直邊垂直、切圓弧邊時應使割槍在工件表面 的投影指向圃弧的圓心，這樣才能達成最佳的加工效果。傳統的手工在線逐點編程生成機器人作業程序的方法由于需要 較多的人的參與，即使操作者有較高的技能也會有不同程度的誤差存 在。如選點是否合理、示教點的準確與否、工具與工件的夾角是否準 確等問題都可能導致實際切割工件時產生較大的誤差。另外工件越復 雜，需示教點越多的時候，往往在示教程序時就需投入較多的時間， 導致機器人的使用效率不夠髙。發明內容為了解決客戶在使用機器人切割時面臨的這些問題，我們發明了 離線生成機器人切割作業程序的方法。本發明涉及一種用于離線生成機器人切割作業程序的方法，該方法至 少包括如下步驟1、 將需切割的工件進行CAD三維圖形設計；2、 在CAD圖形上將工件需切割部位進行顏色標識；3、 將有顏色標識的CAD圖形輸入存有離線編程軟件的計算機中；4、 運行計算機的編程軟件，讀取工件的CAD圖形文件，生成機 器人切割作業程序；5、 將步驟4生成的機器人作業程序，輸入機器人的控制裝置中， 運行作業程序，機器人對工件進行切割作業。
用工程制圖軟件構造的工件的三維CAD圖形中，需要被機器人加 工的部位要用顏色線標識出，其中切割火焰進入工件表面和離開工件 表面所形成的曲線，須用約定好的不同的顏色標識出來，不妨以純綠 色給進入工件表面的曲線著色，以純紅色給離開工件表面的曲線著 色。離線編程軟件讀取的是工件CAD圖形的IGS格式文件，如以權利 要求3所述的給線著色的方式，離線編程軟件將提取文件中組成綠色 曲線的各線段的端點數據和線段的線型來確定機器人割槍的行走路 徑，提取組成紅色曲線的各線段的端點數據，并根據各綠色線段的端 點和與之對應的紅色線段的端點連線的方向確定機器人動作的姿態， 自動生成可直接用于生產加工的完整的機器人作業程序。機器人加工工件之前，在待加工工件上示教的機器人用戶坐標 系，與描述工件的IGS文件中建立的模型空間坐標系是對應重合的， 經過這樣的處理，工件在模型空間坐標系下的數據就轉化為了工件在 機器人系統中的三維位置坐標數據。本發明的有益效果是采用本發明的方法及離線編程軟件，通過 技術人員利用成熟的三維制圖軟件構造工件的CAD圖形，再利用離線 編程軟件讀取CAD圖形的IGS文件可直接、自動、迅速地生成完整的 機器人的加工作業程序。省去了繁瑣的示教過程，縮短了產品在機器 人側的加工時間，大大降低了人為因素對程序正確程度的影響，提高 了工件的加工精度和效率。
圖l， 2， 5為工件示意圖。 圖3為機器人加工示意圖。 圖4為該方法的流程圖。 圖6為機器人作業程序示例。圖7為標有特征點的機器人路徑曲線示意圖。 圖8為路徑組織的程序流程。 圖9為離線編程軟件的程序流程。
具體實施例方式結合附圖對該發明作進一步的描述該方法的主要特點在于使用離線編程軟件通過讀取工件的CAD圖形文件，可直接生成完整的可用于對工件進行二次加工的機器人作 業程序，該方法的主要流程如參考圖4所示。先由技術人員利用三維繪圖軟件(如ProE、 SolidWork、 UG等) 構建工件的CAD圖形，工件要構建成用戶期望的加工后的形狀，把工 件中需用機器人加工的部分用顏色線標識出來，按我們開發的離線編 程軟件規定的是把加工時切割火焰(高壓水、電弧等)進入工件表面所 形成的曲線著純綠色，其RGB值是(O， 255, 0)，把切割火焰(高壓水、 電弧等)離開工件表面所形成的曲線著純紅色，其RGB值為(255， 0， 0)，技術人員需先在圖形中標定曲線，然后才能著色。構建好圖形后， 把文件保存為IGS文件格式。在IGS文件中有一個模型空間坐標系， 工件的所有幾何特征數據都是建立在這個坐標系上的，由于這個坐標
系在以后的步驟中要用到，所以我們要盡量利用工件需加工的表面上 直觀可觀測到的尖點設為坐標系的原點，可觀測到的直邊設為坐標系的坐標軸。然后用我們開發的離線編程軟件讀取工件的IGS文件生成 機器人的作業程序。把離線生成的機器人作業程序傳入機器人的控制裝置中，加工之 前需在工件上示教一個用戶坐標系，這個用戶坐標系的位置是與前面 繪圖時的模型空間坐標系完全重合的，這樣的處理實現了工件的幾何 數據由模型空間坐標系數據到機器人用戶坐標系數據的轉換，也解決 了工件在機器人用戶坐標系下的定位問題。在實際加工工件時，現場操作人員可能希望決定工件加工部位的 先后次序，這點可由繪圖人員在構建CAD圖時，調整一下特征曲線的 標定次序就可實現，以參考圖5所示工件為例，如希望先切直邊的坡 口后切圓弧的坡口，則標定曲線的次序是先標定直線段后標定圓弧， 反之則先標定圓弧后標定直線段。最后一步就可以執行程序，進行加工作業了。圖9所示離線編程軟件的程序流程，離線編程軟件的任務是把工 件的加工信息提取出來，經過處理后，再依據機器人文件格式的要求 生成完整的可用于生產加工的機器人作業程序。首先讀取圖形的IGS 文件，然后進行搜索綠色和紅色曲線，提取并處理各線的端點數據形 成紅色數據集合和綠色點數據集合，分別按照規則排列各綠色點集合 和紅色點集合，各綠色點組成機器人的行走路徑，綠紅色線各對應點 確定機器人的行走姿態，生成機器人作業程序。
在這里我們將結合機器人的程序格式和IGS標準規范對軟件的 設計思想進行闡述。以參考圖6所示的離線編程生成的以參考圖2所 示工件為對象的SGM0T0MAN機器人程序為例，SGM0T0MAN機器人程序 是以JBI為后綴的文本文件，在示例程序的1 9行和18 - 22行是固 定的格式，這些語句分別定義了程序的名字、程序中有定義了多少個 變量、這些變量是定義在哪種坐標系下的、加工作業時使用了哪個已 定義好的工具等。在軟件的用戶界面中可以設置一些對話框，軟件將 根據這些對話框的輸入信息再按照程序格式的要求去生成這些內容。 在程序中的10-17行定義了機器人運行軌跡上的位置變量點， 這些位置變量點不僅確定了割槍尖端點指向的位置，還確定了割槍在 指向這些點時的姿態。位置變量點數目的多少取決于實際加工路徑的 復雜程度，如是一段直線段，則需定義起點和終點兩個位置變量點， 如是一段圓弧線段則需確定起點、終點、和大約中間一點共三個位置 變量點等。而在程序的23 - 36行則確定了機器人以何種運動方式運 動到這些點的。如MOVL語句是代表以直線運動方式、M0VC語句是代 表以圓弧運動方式、M0VS是代表以自由曲線運動方式等。軟件應能 通過讀取描述工件的IGS文件去自動生成這些語句。IGS文件中包含了所有構成工件實體的線實體、面實體等的信息，由于我們在構建工 件的CAD圖形時已通過給線著色的方式對加工部位進行了標識，所以 軟件只需把指定顏色的線的信息提取出來就可以獲得足夠的加工信 息了 。在描述工件的IGS文件的目錄條目段和參數數據段中詳細記錄了所有線實體的信息，在目錄條目段中每個線實體的定義域中有個域 是專門定義其實體顏色的，軟件根據指定顏色的域值去搜索所有線實 體的顏色域得到我們感興趣的紅色和綠色線實體的信息。搜索得到的曲線， 一般在機器人切割行業中常見的構成是由一些 直線段和圓弧線段組成的，對于直線段，軟件則只記錄其起點和終點 在模型空間坐標系下的數據，對于圓弧線段，依據機器人程序格式的 要求不僅記錄其起點和終點還要至少利用該圓弧線段的圓心、半徑、 所處面等數據生成圓弧線段上另外一點的數據，并進行記錄。離線編 程軟件就是根據這些記錄下來的坐標數據和對應線段的線型來確定 割槍的行走路徑和姿態的。組成綠色線的各特征點，直線段是兩端點， 圓弧線段是兩端點加中間任意一點等決定了機器人割槍的行走路徑， 綠色曲線上的特征點到紅色線上對應特征點的矢量方向決定了割槍的姿態。以參考圖5所示工件為例，繪圖時不妨把曲線1和3著為純 綠色，把曲線2和4著為純紅色，離線編程軟件讀取完這個工件的 IGS文件后，依據文件中各顏色線的特征點的信息，有可能產生的一 種機器人割槍行走路徑是la+lb—3a+3b+3c，對應的在各特征點的 割槍姿態分別是la點時割槍與直線la2a重合，lb時割槍與直線 lb2b重合等。所有的綠色曲線段決定了機器人割槍的行走路徑，離線編程軟件 應能夠把所有的綠色曲線段的特征點提取出來，并在綠色點集合中合 理地排列，用以生成割槍的行走路徑，在后來生成的作業程序中，這 些綠色的特征點就是程序中的位置變量點。相對應的紅色特征點的提 取和有序排列，可以用來確定割槍在指向各位置變量點時的姿態。 在軟件的路徑組織規則中，我們是先搜索斷點，再按照首尾相連的方式順序組織機器人的加工路徑的。如以參考圖7所示路徑曲線為 例說明路徑組織規則，并在參考圖8中給出了路徑組織的程序流程。 參考圖7所示曲線有兩個斷點U和4B即無其它點的坐標值與它們的 坐標值相等，從哪個斷點開始組織路徑都是可以的，不妨以直線段l 的1A點為路徑的起始點，則軟件將自動將直線段1的另外一個端點 1B設為路徑的第二個點，接下來軟件將嘗試在所有綠色點的集合中 搜索與1B坐標數據相等的點，圓弧線段2的端點2A將會被搜索到， 2A就是路徑的第三個點，由于2A是圓弧上的點，那么我們為每條圓 弧線段增加的那個特征點就是第四個點，該圓弧線段的另外一個端點 就是第五個點，如此順序一直排列到曲線的結束點4B,此時軟件發 現已無斷點可搜尋到，但還有特征點未被排列，那么剩下的點是封閉 曲線上的點，軟件會為該封閉曲線制造一個斷點5A,再按順序編排 路徑，如圓曲線5的路徑是5A今5B+5C。有了這些起始點和結東點， 軟件將在最后生成程序時，結合實際切割時的工藝要求在起始點所對 應的命令行后增加啟弧命令T00L0N，在結東點后增加息弧命令 T00L0F等的處理。在圖8的路徑組織程序流程中，步驟1首先在顏色點集合中搜索 斷點。步驟2判斷在顏色點集合中有無斷點存在，如有則直接進入步 驟3，步驟3中將從搜索到的斷點開始，按照路徑組織規則，以首尾 相連的方式順序組織各顏色點形成路徑，如沒有斷點存在，則判斷出 在顏色曲線中有封閉曲線，程序將進入步驟4。步驟4中，軟件將為顏色曲線制造一個斷點，然后再進入步驟3。步驟5是個判斷框，判 斷在步驟3后是否所有的顏色點都已編排了 ，如是則路徑組織結東， 如不是則返回到步驟1繼續對未排列的顏色點組織路徑。最后根據以上的處理和在用戶界面的輸入信息，軟件將按照機器 人程序格式的要求生成一個后綴名為jbi的文件，這個文件就是機器 人的作業程序。
權利要求
1、一種用于離線生成機器人切割作業程序的方法，其特征在于該方法至少包括如下步驟(1)將需切割的工件進行CAD三維圖形設計；(2)在CAD圖形上將工件需切割部分進行顏色標識；(3)將有顏色標識的CAD圖形輸入存有離線編程軟件的計算機中；(4)運行計算機的編程軟件，讀取工件的CAD圖形文件，生成機器人切割作業程序；(5)將步驟4生成的機器人作業程序，輸入機器人的控制裝置中，運行作業程序，機器人對工件進行切割作業。
2、 如權利要求1所述的用于離線生成機器人切割作業程序的方 法，其特征在于用工程制圖軟件構造的工件的三維CAD圖形中，需 要被機器人加工的部位要用顏色線標識出，其中切割火焰進入工件表 面和離開工件表面所形成的曲線，須用約定好的不同的顏色標識出來，不妨以純綠色給進入工件表面的曲線著色，以純紅色給離開工件 表面的曲線著色。
3、 如權利要求1所述的用于離線生成機器人切割作業程序的方 法，其特征在于離線編程軟件讀取的是工件CAD圖形的IGS格式文 件，如以權利要求3所述的給線著色的方式，離線編程軟件將提取文 件中組成綠色曲線的各線段的端點數據和線段的線型來確定機器人 割槍的行走路徑，提取組成紅色曲線的各線段的端點數據，并根據各 綠色線段的端點和與之對應的紅色線段的端點連線的方向確定機器 人動作的姿態，自動生成可直接用于生產加工的完整的機器人作業程 序。
4、如權利要求1所述的離線生成機器人切割作業程序的方法， 其特征在于，機器人加工工件之前，在待加工工件上示教的機器人用 戶坐標系，與描述工件的IGS文件中建立的模型空間坐標系是對應重 合的，經過這樣的處理，工件在模型空間坐標系下的數據就轉化為了 工件在機器人系統中的三維位置坐標數據。
全文摘要
本發明涉及一種能夠離線生成機器人切割作業程序的方法，特別是利用相配套開發的離線編程軟件讀取待加工工件的圖形文件，自動編程直接生成切割機器人的控制程序。技術方案是利用已有的成熟的三維制圖軟件構造工件的幾何圖形，并在圖形中利用給線著色的方式對待加工部位進行標識，運行離線編程軟件讀取圖形的IGS文件生成機器人的控制程序，傳至機器人后完成切割作業。這種方法的特點在于首次運用讀取含有加工信息的工件的CAD圖形的方法來直接生成完整的可用于生產加工的機器人作業程序，可有效地提高機器人的使用效率和工件的加工精度。
文檔編號B25J9/16GK101152717SQ200610152768
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月28日 優先權日2006年9月28日
發明者劉華明, 姚鵬程, 曾孔庚, 李曉燕, 平 楊, 袁軍民 申請人:首鋼莫托曼機器人有限公司