CN100566951C - 一种用于离线生成机器人切割作业程序的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够离线生成机器人切割作业程序的方法，特别是利用相配套开发的离线编程软件读取待加工工件的图形文件，自动编程直接生成切割机器人的控制程序。技术方案是利用已有的成熟的三维制图软件构造工件的几何图形，并在图形中利用给线着色的方式对待加工部位进行标识，运行离线编程软件读取图形的IGS文件生成机器人的控制程序，传至机器人后完成切割作业。这种方法的特点在于首次运用读取含有加工信息的工件的CAD图形的方法来直接生成完整的可用于生产加工的机器人作业程序，可有效地提高机器人的使用效率和工件的加工精度。

Description

一种用于离线生成机器人切割作业程序的方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于离线生成机器人切割作业程序的方法及离线编程软件，特别适用于利用机器人对工件进行切割作业的领域。

技术背景

工业上常利用数控机床切割平面板材制成工件，这些工件在使用时出于美观、焊接工艺、或其它生产工艺的要求，还需进行如开口、切坡口等二次加工，随着工业机器人的推广与普及，越来越多的厂家开始使用切割机器人来完成对工件的二次加工了。

传统的机器人作业程序的生成是在车间现场由操作人员一边操纵机器人在工件表面示教特征点，一边在示教编程器上编制程序的方法完成的。传统的机器人程序的生成方法如参考图1，2，3所示。如想把参考图1所示的工件切割成参考图2所示的样子，即把工件上表面的一条直边和中间过孔上部边缘都切成45度的坡口。操作人员需在工件表面上示教至少5点，示教一条直线要求起点和终点共2点，示教一条曲线要求至少需起点、终点、中间一点共3点，如参考图3所示，在对每个事先标好的点，如图中的a，b，c，d，e等点进行示教的时候，操作人员应操作机器人使其所持割枪的尖端点指向目标点，同时还需把割枪的姿态调整到与工件的平面成45度角，在切直边时应使割枪在工件表面的投影与直边垂直、切圆弧边时应使割枪在工件表面的投影指向圆弧的圆心，这样才能达成最佳的加工效果。

传统的手工在线逐点编程生成机器人作业程序的方法由于需要较多的人的参与，即使操作者有较高的技能也会有不同程度的误差存在。如选点是否合理、示教点的准确与否、工具与工件的夹角是否准确等问题都可能导致实际切割工件时产生较大的误差。另外工件越复杂，需示教点越多的时候，往往在示教程序时就需投入较多的时间，导致机器人的使用效率不够高。

发明内容

为了解决在使用机器人切割时面临的这些问题，我们发明了离线生成机器人切割作业程序的方法。

本发明涉及一种用于离线生成机器人切割作业程序的方法，该方法包括如下步骤：

1、将需切割的工件进行CAD三维图形设计；

2、在CAD图形上将工件需切割部分进行颜色标识；其中对应于加工作业时切割火焰进入工件表面和离开工件表面所形成的曲线，用不同的颜色标识出来，以颜色a给切割火焰进入工件表面所形成的曲线着色，以颜色b给切割火焰离开工件表面所形成的曲线着色，颜色a和b可以任意选定；

3、将有颜色标识的CAD图形的IGS文件输入存有离线编程软件的计算机中；

4、运行计算机的编程软件，读取工件的CAD图形的IGS文件，生成机器人的作业程序；

5、将步骤4生成的机器人作业程序，输入机器人的控制装置中，运行作业程序，机器人对工件进行切割作业。

离编程软件将按照颜色a和颜色b的定义提取IGS文件中组成a色曲线的各线段的端点数据和线段的线型来确定机器人割枪的行走路径，提取组成b色曲线的各线段的端点数据，并根据各a色线段的端点和与之对应的各b色线段的端点连线的方向确定机器人的姿态。

机器人加工工件之前，在待加工工件上示教的机器人用户坐标系，与描述工件的IGS文件中建立的模型空间坐标系是对应重合的，经过这样的处理，工件在模型空间坐标系下的数据就转化为了工件在机器人系统中的三维位置坐标数据。

本发明的有益效果是：采用本发明的方法及离线编程软件，通过技术人员利用成熟的三维制图软件构造工件的CAD图形，再利用离线编程软件读取CAD图形的IGS文件可直接、自动、迅速地生成完整的机器人的加工作业程序。省去了繁琐的示教过程，缩短了产品在机器人侧的加工时间，大大降低了人为因素对程序正确程度的影响，提高了工件的加工精度和效率。

附图说明：

图1，2，5为工件示意图。

图3为机器人加工示意图。

图4为该方法的流程图。

图6为机器人作业程序示例。

图7为标有特征点的机器人路径曲线示意图。

图8为路径组织的程序流程。

图9为离线编程软件的程序流程。

具体实施方式：

结合附图对该发明作进一步的描述

该方法的主要特点在于使用离线编程软件通过读取工件的CAD图形文件，可直接生成完整的可用于对工件进行二次加工的机器人作业程序，该方法的主要流程如参考图4所示。

先由技术人员利用三维绘图软件(如ProE、SolidWork、UG等)构建工件的CAD图形，工件要构建成用户期望的加工后的形状，把工件中需用机器人加工的部分用颜色线标识出来，可以把对应于加工时切割火焰(高压水、电弧等)进入工件表面所形成的曲线着纯绿色，其RGB值是(0，255，0)，把切割火焰(高压水、电弧等)离开工件表面所形成的曲线着纯红色，其RGB值为(255，0，0)，技术人员需先在图形中标定曲线，然后才能着色。构建好图形后，把文件保存为IGS文件格式。在IGS文件中有一个模型空间坐标系，工件的所有几何特征数据都是建立在这个坐标系上的，由于这个坐标系在以后的步骤中要用到，所以要尽量利用工件需加工的表面上直观可观测到的尖点设为坐标系的原点，可观测到的直边设为坐标系的坐标轴。然后用离线编程软件读取工件的IGS文件生成机器人的作业程序。

把离线生成的机器人作业程序传入机器人的控制装置中，加工之前需在工件上示教一个用户坐标系，这个用户坐标系的位置是与前面绘图时的模型空间坐标系完全重合的，这样的处理实现了工件的几何数据由模型空间坐标系数据到机器人用户坐标系数据的转换，也解决了工件在机器人用户坐标系下的定位问题。

在实际加工工件时，现场操作人员可能希望决定工件加工部位的先后次序，这点可由绘图人员在构建CAD图时，调整一下特征曲线的标定次序就可实现，以参考图5所示工件为例，如希望先切直边的坡口后切圆弧的坡口，则标定曲线的次序是先标定直线段后标定圆弧，反之则先标定圆弧后标定直线段。

最后一步就可以执行程序，进行加工作业了。

图9所示离线编程软件的程序流程，离线编程软件的任务是把工件的加工信息提取出来，经过处理后，再依据机器人文件格式的要求生成完整的可用于生产加工的机器人作业程序。首先读取图形的IGS文件，然后进行搜索绿色和红色曲线，提取并处理各线的端点数据形成红色数据集合和绿色点数据集合，分别按照规则排列各绿色点集合和红色点集合，各绿色点组成机器人的行走路径，绿红色线各对应点确定机器人的行走姿态，生成机器人作业程序。

在这里我们将结合机器人的程序格式和IGS标准规范对软件的设计思想进行阐述。以参考图6所示的离线编程生成的以参考图2所示工件为对象的SGMOTOMAN机器人程序为例，SGMOTOMAN机器人程序是以JBI为后缀的文本文件，在示例程序的19行和18-22行是固定的格式，这些语句分别定义了程序的名字、程序中有定义了多少个变量、这些变量是定义在哪种坐标系下的、加工作业时使用了哪个已定义好的工具等。在软件的用户界面中可以设置一些对话框，软件将根据这些对话框的输入信息再按照程序格式的要求去生成这些内容。

在程序中的10-17行定义了机器人运行轨迹上的位置变量点，这些位置变量点不仅确定了割枪尖端点指向的位置，还确定了割枪在指向这些点时的姿态。位置变量点数目的多少取决于实际加工路径的复杂程度，如是一段直线段，则需定义起点和终点两个位置变量点，如是一段圆弧线段则需确定起点、终点、和大约中间一点共三个位置变量点等。而在程序的23-36行则确定了机器人以何种运动方式运动到这些点的。如MOVL语句是代表以直线运动方式、MOVC语句是代表以圆弧运动方式、MOVS是代表以自由曲线运动方式等。软件应能通过读取描述工件的IGS文件去自动生成这些语句。IGS文件中包含了所有构成工件实体的线实体、面实体等的信息，由于我们在构建工件的CAD图形时已通过给线着色的方式对加工部位进行了标识，所以软件只需把指定颜色的线的信息提取出来就可以获得足够的加工信息了。在描述工件的IGS文件的目录条目段和参数数据段中详细记录了所有线实体的信息，在目录条目段中每个线实体的定义域中有个域是专门定义其实体颜色的，软件根据指定颜色的域值去搜索所有线实体的颜色域得到我们感兴趣的红色和绿色线实体的信息。

搜索得到的曲线，一般在机器人切割行业中常见的构成是由一些直线段和圆弧线段组成的，对于直线段，软件则只记录其起点和终点在模型空间坐标系下的数据，对于圆弧线段，依据机器人程序格式的要求不仅记录其起点和终点还要至少利用该圆弧线段的圆心、半径、所处面等数据生成圆弧线段上另外一点的数据，并进行记录。离线编程软件就是根据这些记录下来的坐标数据和对应线段的线型来确定割枪的行走路径和姿态的。组成绿色线的各特征点，直线段是两端点，圆弧线段是两端点加中间任意一点等决定了机器人割枪的行走路径，绿色曲线上的特征点到红色线上对应特征点的矢量方向决定了割枪的姿态。以参考图5所示工件为例，绘图时不妨把曲线1和3着为纯绿色，把曲线2和4着为纯红色，离线编程软件读取完这个工件的IGS文件后，依据文件中各颜色线的特征点的信息，有可能产生的一种机器人割枪行走路径是1a→1b→3a→3b→3c，对应的在各特征点的割枪姿态分别是：1a点时割枪与直线1a2a重合，1b时割枪与直线1b2b重合等。

所有的绿色曲线段决定了机器人割枪的行走路径，离线编程软件应能够把所有的绿色曲线段的特征点提取出来，并在绿色点集合中合理地排列，用以生成割枪的行走路径，在后来生成的作业程序中，这些绿色的特征点就是程序中的位置变量点。相对应的红色特征点的提取和有序排列，可以用来确定割枪在指向各位置变量点时的姿态。

在软件的路径组织规则中，我们是先搜索断点，再按照首尾相连的方式顺序组织机器人的加工路径的。如以参考图7所示路径曲线为例说明路径组织规则，并在参考图8中给出了路径组织的程序流程。参考图7所示曲线有两个断点1A和4B即无其它点的坐标值与它们的坐标值相等，从哪个断点开始组织路径都是可以的，不妨以直线段1的1A点为路径的起始点，则软件将自动将直线段1的另外一个端点1B设为路径的第二个点，接下来软件将尝试在所有绿色点的集合中搜索与1B坐标数据相等的点，圆弧线段2的端点2A将会被搜索到，2A就是路径的第三个点，由于2A是圆弧上的点，那么我们为每条圆弧线段增加的那个特征点就是第四个点，该圆弧线段的另外一个端点就是第五个点，如此顺序一直排列到曲线的结束点4B，此时软件发现已无断点可搜寻到，但还有特征点未被排列，那么剩下的点是封闭曲线上的点，软件会为该封闭曲线制造一个断点5A，再按顺序编排路径，如圆曲线5的路径是5A→5B→5C。有了这些起始点和结束点，软件将在最后生成程序时，结合实际切割时的工艺要求在起始点所对应的命令行后增加启弧命令TOOLON，在结束点后增加息弧命令TOOLOF等的处理。

在图8的路径组织程序流程中，步骤1首先在颜色点集合中搜索断点。步骤2判断在颜色点集合中有无断点存在，如有则直接进入步骤3，步骤3中将从搜索到的断点开始，按照路径组织规则，以首尾相连的方式顺序组织各颜色点形成路径，如没有断点存在，则判断出在颜色曲线中有封闭曲线，程序将进入步骤4。步骤4中，软件将为颜色曲线制造一个断点，然后再进入步骤3。步骤5是个判断框，判断在步骤3后是否所有的颜色点都已编排了，如是则路径组织结束，如不是则返回到步骤1继续对未排列的颜色点组织路径。

最后根据以上的处理和在用户界面的输入信息，软件将按照机器人程序格式的要求生成一个后缀名为jbi的文件，这个文件就是机器人的作业程序。

Claims (3)

1、一种用于离线生成机器人切割作业程序的方法，其特征在于该方法至少包括如下步骤：

(1)将需切割的工件进行CAD三维图形设计；

(2)在CAD图形上将工件需切割部分进行颜色标识；其中对应于加工作业时切割火焰进入工件表面和离开工件表面所形成的曲线，用不同的颜色标识出来，以颜色a给切割火焰进入工件表面所形成的曲线着色，以颜色b给切割火焰离开工件表面所形成的曲线着色，颜色a和b可以任意选定；

(3)将有颜色标识的CAD图形的IGS文件输入存有离线编程软件的计算机中；

(4)运行计算机的编程软件，读取工件的CAD图形的IGS文件，生成机器人的作业程序；

(5)将步骤4生成的机器人作业程序，输入机器人的控制装置中，运行作业程序，机器人对工件进行切割作业。

2、如权利要求1所述的用于离线生成机器人切割作业程序的方法，其特征在于：离线编程软件将按照颜色a和颜色b的定义提取IGS文件中组成a色曲线的各线段的端点数据和线段的线型来确定机器人割枪的行走路径，提取组成b色曲线的各线段的端点数据，并根据各a色线段的端点和与之对应的各b色线段的端点连线的方向确定机器人的姿态。

3、如权利要求1所述的离线生成机器人切割作业程序的方法，其特征在于，机器人加工工件之前，在待加工工件上示教的机器人用户坐标系，与描述工件的IGS文件中建立的模型空间坐标系是对应重合的，经过这样的处理，工件在模型空间坐标系下的数据就转化为了工件在机器人系统中的三维位置坐标数据。

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