摘要：本文給出了在高級建模系統SolidWorks上開發機器人弧焊離線編程系統的方法，成功地開發出了一個功能較全的、實用化的機器人弧焊離線編程系統。本文給出了該系統的對象模型，并對各基本功能模塊的功能進行介紹。

 前言

隨著微機性能的不斷提高，許多大型的CAD設計軟件紛紛推出其微機版本，并且出現了直接運行在微機上的SolidWorks等軟件。在機器人領域，以往運行在高檔圖形工作站上的離線編程軟件，如ROBCAD、IGRIP、WORKSPACE等，紛紛推出了基于Windows的離線編程系統。這些軟件都是通用的離線編程軟件，尚缺乏對弧焊特殊應用的支持，如WORKSPACE更注重標定功能的開發[1]。用戶在編程程序時，很多時候還必須通過圖形示教方式建立機器人運動路徑，這對于大型工件或復雜路徑的編程，工作量是相當大的。從發展方向上看，離線編程系統正朝著智能化方向發展，用戶編程越來越簡單方便，自動編程技術成為人們追求的目標。
哈爾濱工業大學焊接實驗室開發的離線編程系統平臺AutoCAD2000，實踐證明，由于該軟件開發中的自身原因，使的該軟件存在一些的不足之處，三維設計中的實體造型能力不足，系統無法支撐較復雜工作單元的建模，無法實用化。目前具有一定自主規劃能力的離線編程系統將極大減少用戶的工作量，工件CAD信息的獲取成為后續規劃的數據輸入，這要求離線編程系統的平臺有較強的建模功能，能對各種焊接任務中的焊接工件進行建模。由于AutoCAD本身三維建模功能很弱，采用其他建模工具導入的模型，AutoCAD將無法得到足夠的工件建模信息，無法實現后續的自動規劃功能。
開發適合中國企業的、廉價且專業的弧焊離線編程系統，對于推廣離線編程的實際應用具有重要意義。

1 系統開發環境

SolidWorks由于價格便宜、具有一般用戶所需的功能，已成為全球3D主流設計市場用戶數最多、用戶滿意度最高、銷售額第一的軟件產品，在全球擁有超過325,000名用戶。并且它的二次開發功能很強大，能夠開發出弧焊離線編程系統。開發出的離線編程系統將具有較強的建模能力，從而具有較強的獲取工件和焊縫信息的能力，最大程度完成自動編程任務。這樣的弧焊離線編程系統很容易被中小企業接受。
本文應用COM技術的編程方法，以SolidWorks的API二次開發接口和VC++ 6.0、ATL作為開發工具，在SolidWorks平臺進行弧焊離線編程系統的開發。
SolidWorks API提供了大量的COM對象用于二次開發［2］，這些COM對象涵蓋了全部的SolidWorks的數據模型，通過對SolidWorks的COM對象的調用，用戶可以在自己開發的系統中實現與SolidWorks相同的功能。圖1為主要的SolidWorks API對象模型。

圖1 SolidWorks API對象模型［2］

2 機器人弧焊離線編程系統的對象建模

對象模型表示靜態的、結構化的系統“數據”性質。它是對模擬客觀世界實體的對象以及對象彼此間的關系的映射，描述了系統的靜態模型。類-&-對象間的關系可以概括為歸納關系、組合關系及關聯關系。
本文給出了三層的機器人工作單元中主要的數據結構：工作單元類，描述機器人等客觀對象的組合以及這些對象間的各種聯系和相互作用；設備類和關節類。
為了在圖形環境中可視地表征焊槍的運動過程，定義了路徑對象，路徑對象中有多個標簽點對象，一個路徑對象與一個部件對象之間存在受限關聯。根據以上分析，建立了離線編程與仿真系統的對象模型，如圖2所示。

圖2 系統對象模型

3 系統結構

從功能上講，機器人弧焊離線編程系統較一般的離線編程系統，增加了弧焊方面的功能。所以從功能上既包含了一般離線編程系統的功能，同時也突出了對弧焊的支持。本文對各功能模塊功能都做了改進。
機器人執行級弧焊離線編程系統的總體結構如圖3所示。

圖3 功能模塊劃分

下面對各模塊功能進行概括性介紹。
1）設備建模
該模塊用于定義機器人、焊接工件、變位機等周邊設備：將SolidWorks創建的裝配體定義為各種設備，定義設備的關節運動類型、定義設備工具參數、設定設備的運動學參數等。創建機器人設備庫、變位機等周邊設備庫。
2）工作單元布局
系統應提供建立多設備組成的工作單元的能力，即工作單元布局功能。在該模塊中提供了調用已有設備、定義設備間位姿關系、組建協調運動設備的功能。創建工作單元庫。圖4給出了一個搭建的工作單元示例。

圖4 工作單元仿真示例圖

3）運動仿真
該模塊主要提供以下功能：各種設備的關節運動、回到零位運動；單機器人設備和協調運動設備的目標點運動、圓弧運動、沿路徑移動；路徑運動運動方式和仿真步長設定等。
4）路徑
路徑功能是離線編程的一大特點，使得機器人工具的運動過程能可視的記錄下來，以便于用戶的編輯。對于焊接任務，本文實現了利用路徑記錄現場信息的功能，包括各路徑點處機器人輔助軸關節角值、機器人基坐標意義下的TCP位姿，焊接參數等。
5）編程
本文根據已有編程語言結合焊接應用，提供了一種弧焊離線編程語言（OLPWL），用戶可利用此語言進行離線編程工作。該語言的特點接近實際弧焊機器人的編程語言，即方便熟悉機器人操作的編程人員使用，又可對編程人員進行訓練。該模塊為集成編輯、調試和仿真功能于一體的離線編程器。
6）數據轉換
一般離線編程系統提供了同實際機器人程序進行轉換的模塊，即程序轉換模塊。但目前由于不同機器人廠商采用了不同的編程語言，最大的困難在于機器人運動數據的轉換，即運動路徑點數據轉換為實際機器人程序使用的路徑點（或關節角）數據，由于不同機器人廠商采用不同的描述方法和存儲格式，可能無法破譯這部分信息。IGRIP軟件也只提供了同IGM和MotoMan機器人的直接程序轉換。本文提出了一種將運動路徑點數據轉換為各機器人編程人員都易理解的數據格式，實際機器人程序根據此數據單獨生成的方法。本文規定了通用的路徑數據描述方法。
7）數據上載
離線編程系統也應能根據示教得到的機器人程序轉變成仿真工作單元中的路徑，同樣基于上述原因，本文提出了數據上載功能，將本文規定的通用的路徑數據上載到離線編程系統中，生成路徑。
8）狀態監測
該模塊包括了關節超限檢查、關節運動速度和加速度超限檢查、碰撞檢測。以往的離線編程系統通過預檢查的方法對關節角是否超限進行檢測，這種方法用戶不能形成對機器人整條路徑運動關節角變化過程的直觀感覺。對關節超限處路徑點位姿調整沒有幫助。本文采取了在動態運動過程中，監測機器人狀態變化的方法。給出提示信息，不終止機器人的運動過程。
9）標定
為了保證圖形工作單元模型與實際工作單元模型的一致性，需要進行實際工作單元的標定工作。
10）輔助模塊
針對弧焊的特殊應用，本文開發了弧焊參數數據庫管理功能。

4 結論

本文開發了運行在SolidWorks平臺上的廉價且專業的弧焊離線編程系統。該系統具有較強的建模能力，解決了以往系統因建模能力不足，只能對部分簡單工件提取工件幾何信息的問題。采用面向對象技術,建立了機器人弧焊離線編程與仿真系統的對象模型,開發了功能較全的機器人弧焊離線編程與仿真系統。