李正杰, 雷玉成

(江蘇大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 前言

在全自動白車身焊接生產線中，設計開放式柔性總拼點焊這種焊接機器人[1]分布較為密集的工位時，必須根據機器人的動態(tài)仿真[2]結果進行干涉檢查，從而進行設計優(yōu)化。

Tecnomatix是SIEMENS PLM Software提供的數字化制造解決方案，通過將制造規(guī)劃包括從工藝布局規(guī)劃和設計，工藝過程仿真和驗證到制造執(zhí)行與產品設計連接起來，實現在3D的環(huán)境下進行制造工藝過程的設計。SIEMENS NX軟件是集成產品設計、工程與制造于一體的解決方案，具有先進的概念設計、三維建模功能。

NX與Tecnomatix均采用三維笛卡爾坐標系下的世界坐標系作為原點基準，并且可以訪問*.CSV格式文件，也有共同的3D數據格式*.jt，為NX與Tecnomatix的交互提供了前提條件。

Tecnomatix環(huán)境中干涉狀態(tài)容易獲得，但建模功能并不突出，NX 3D建模軟件無法直接進行機器人動態(tài)焊接仿真，不利于保證設計質量，縮短設計周期。為此該文根據SIEMENS NX函數庫[3]，結合visual stu-dio 2012開發(fā)工具開展實現動態(tài)仿真結果批量導入建模環(huán)境進行交互的NX二次開發(fā)[4-6]工作。

1 Tecnomatix 工具坐標系變換分析

在Tecnomatix中定義仿真機器人的工具坐標系(Tool control frame,TCF)[7]。對機器人進行示教得到機器人的焊接軌跡[8]，也就是TCF的位置與姿態(tài)。TCF的設置如圖1所示，在伺服焊槍的電極帽頂端。+Z方向由靜電極臂指向動電極臂，+X方向為機器人的前進方向。

圖1 TCF設置示意圖

通過示教機器人TCF到達焊點處之后再根據干涉情況進行位姿調整。首先，因為焊點的位置也就是相對絕對坐標系的X,Y,Z值是已知的，所以就得到該焊點處相應的TCF的位置。然后，通過繞X,Y,Z軸的旋轉來調整TCF的姿態(tài)，繼而可以得到相應的旋轉角度。對于這種現象，可以引用機器人運動學中齊次變換[9]的理論來分析工作坐標系相對于絕對坐標系的變換情況。

1.1 基本旋轉矩陣推導

假設坐標系OabsXabsYabsZabs按照右手定則，繞+Z軸逆時針旋轉θ角，得到新坐標系OwcsXwcsYwcsZwcs如圖2所示，將其各軸投影到原坐標系的坐標軸上而建立旋轉矩陣Rabswcs。得出各相對兩坐標軸單位向量的點積列表如式(1)所示，旋轉矩陣如式(2)所示。式(2)矩陣也稱為基本旋轉矩陣，引入更具描述性的符號RZ,θ來表示。同理，繞Xabs軸和Yabs軸轉動的基本旋轉矩陣如式(3)與式(4)所示。

圖2 構建坐標系示意圖

(1)

(2)

(3)

(4)

1.2 相對于當前坐標系的旋轉矩陣推導

如圖3所示，旋轉矩陣R為分別繞Xwcs0軸旋轉α角, 繞Ywcs0軸旋轉β角,繞Zwcs0軸旋轉θ角疊加的結果。根據矩陣運算理論，矩陣相乘不滿足交換律，因此必須遵循旋轉序列執(zhí)行的順序，也必須嚴格要求對應的旋轉矩陣相乘的順序。

圖3 相對于當前坐標系旋轉疊加過程示意圖

1.3 相對于固定坐標系的旋轉矩陣推導

Tecnomatix中的仿真數據均是相對固定坐標系旋轉給出，上面的旋轉疊加公式并不適用，可引用相似變換理論推導出。

(5)

以Owcs0Xwcs0Ywcs0Zwcs0為固定坐標系，繞Zwcs0軸基本旋轉RZ,θ，經相似變換在新坐標系Owcs1Xwcs1Ywcs1Zwcs1中表示如式(6)所示：

(6)

繞Ywcs0軸旋轉疊加的結果如式(7)：

(7)

經過相似變換后在新坐標系Owcs1Xwcs1Ywcs1Zwcs1中表示為，繞Xwcs0軸旋轉疊加表示如式(8)所示：

(8)

式(9)為旋轉矩陣Rwcs0wcs3表示固定坐標系Owcs0Xwcs0Ywcs0Zwcs0分別繞Xwcs0軸旋轉α角,繞Ywcs0軸旋轉β角 ,繞Zwcs0軸旋轉θ角的推理表達式。疊加過程如圖4所示，Owcs0Xwcs0Ywcs0Zwcs0為原始坐標系，Owcs1Xwcs1Ywcs1Zwcs1為分別旋轉后的新坐標系，Owcs2Xwcs2Ywcs2Zwcs2為旋轉疊加后的最終坐標系。

圖4 相對于固定坐標系旋轉疊加過程示意圖

(9)

2 批量導入仿真數據程序開發(fā)

將Tecnomatix中機器人的TCF位姿數據以及對應坐標系的焊槍3D數據的導入這一過程雖然可以由設計者可手動從Tecnomatix中逐個導入仿真數據但效率低且極易出錯。文中利用相似變換理論開發(fā)了旋轉矩陣的程序算法，基于C++平臺的NX二次開發(fā)系統(tǒng)框圖如下圖5所示?；贑++平臺創(chuàng)建可訪問的程序架構并生成用戶界面。Application用來存放UI BLOCK對話框設計生成的.dll文件和通過對主程序編譯生成的.dll文件，Source用來存放源程序，Startup用來存放菜單*.men文件。

圖5 基于C++平臺的NX二次開發(fā)系統(tǒng)框圖

圖6為主程序開發(fā)流程圖，NX開發(fā)向導創(chuàng)建環(huán)境，UI Block對話框設計自動生成代碼，旋轉矩陣函數寫入，批量導入part文件。訪問矩陣，創(chuàng)建坐標系和導入部件的實現通過調用UFUN函數UF_CSYS_create_matrix,UF_CSYS_create_csys,UF_PART_import。文中以NX6之前版本UI樣式編輯器來顯示界面設計結果，如圖7所示。

圖6 主程序開發(fā)流程圖

圖7 UI BLOCK界面設計對話框

3 程序算法驗證

在Tecnomatix中示教完機器人的路徑之后可以直觀的獲得TCF的位姿X,Y,Z，RX,RY,RZ的數值并導出，干涉點坐標如圖8所示，整理成*.CSV文件，并在NX中按圖7導入，便可進行直觀地檢驗焊槍與夾具等干涉軌跡演示，如圖9所示為未導入仿真結果之前的環(huán)境，圖10為導入仿真結果之后的狀態(tài)。

圖8 完成機器人示教后的TCP位姿圖

圖9 未導入仿真結果環(huán)境示意圖

圖10 導入仿真結果環(huán)境示意圖

4 結論

(1)針對焊接機器人分布十分密集的自動點焊工位，借助NX的二次開發(fā)，成功實現將Tecnomatix平臺下仿真結果導入到NX設計環(huán)境，從設計端分析自動點焊焊接軌跡的合理性并進行準確的模型修正。

(2)仿真數據與設計數據的成功結合，在設計端獲得焊槍與其他裝備的干涉狀況這一現象驗證了針對NX二次開發(fā)程序具有較好的實用性和可靠性。

(3)解決了Tecnomatix仿真軟件在檢測出問題后無法進行3D圖形的修改，而NX 3D建模軟件中不方便進行動態(tài)仿真檢測干涉狀態(tài)的問題。