焊接机器人软件系统(升级版)设计与实现

摘要

工业机器人在焊接领域的应用是工业现代化的客观要求。本文结合“昆山一号”工业机器人项目研发和江苏省科技成果转化项目——“焊接机器人成套装备”项目的实施，设计实现了焊接机器人软件系统（升级版），包括机器人控制软件系统和机器人离线编程与仿真软件系统。 机器人控制软件设计中，针对“昆山一号”机器人原有软件存在的问题，依据硬件升级和功能需求变化，重新设计升级软件的框架结构，优化主控程序的总体框架，实现更可靠的实时多任务调度功能，提高软件规范性、安全性和可扩展性；增加了控制软件多项功能，以适应焊接机器人系统集成和大型辅助结构件焊接的应用要求。 本文设计实现了8轴机器人系统控制所需要的机器人控制软件系统。采用基于多线程技术和高精度毫秒定时器的软件框架，实现了满足10ms控制周期需要的多线程多任务调度流程。机器人控制软件可以完成示教编程、绝对位置处理、工具手校正、多种模式（包括单次、循环模式等）下机器人再现轨迹控制（包括联合关节轨迹运动、联合直线轨迹运动以及圆弧轨迹运动等），同时开发了焊接机器人在线速度调节、实时轨迹调整、机器人系统设置与参数管理、机器人自动回零、系统监视与出错处理等新增功能。 在机器人离线仿真编程软件设计开发中，结合工业应用的实际需要，采用OpenGL技术，在Visual C++平台下，实现了机器人系统三维建模、工件三维建模、CAD工件数据导入和焊缝信息导入、机器人系统工作场景及运动仿真、机器人生产线网络监视等功能。在软件开发中，采用便于实现多轴系统三维建模和运动仿真的“关节”数据结构，以及为了方便实现多轴系统联合协调运动，设定机器人与外部轴系统联合运动关系的“连接”方式。 通过多次现场调试与测试，对设计实现的两个软件系统进行实验，结果表明软件系统的功能和性能上，满足设计要求，满足工业现场对机器人系统控制和离线仿真的需要，能够完成焊接机器人作业轨迹安全、平稳、可靠控制。 本论文中设计实现的离线编程与仿真软件和机器人控制软件系统，对于推进自主研发的焊接机器人产业化应用，推进离线编程技术实用化，都具有比较重要的意义。

目录

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声明

第一章 绪 论

1.1 机器人控制软件的发展现状

1.2 机器人离线编程技术概述

1.3 机器人离线编程技术的国内外发展状况

1.4 课题背景及意义

1.5 本论文的主要工作

1.6 本论文的内容安排

第二章 软件开发的主要方法和技术

2.1 开发过程模型

2.2 软件设计方法

2.2.1 LIML设计方法

2.2.2 设计模式应用

2.3 软件编码技术

2.3.1 开发环境

2.3.2 版本控制

2.3.3 开发规范与代码重用

2.4 软件测试方法

第三章 机器人控制软件系统总体设计

3.1 系统总体方案

3.1.1“昆山一号”机器人整体结构简介

3.1.2“昆山一号”机器人功能需求

3.1.3 控制软件的功能模块划分

3.1.4 控制软件的层次结构

3.2 机器人控制软件基本功能模块设计

3.2.1 多任务管理与实时任务控制

3.2.2 通信接口与处理

3.2.3 人机接口与处理

3.2.4 语言解释接口

3.2.5 系统监视与处理

3.2.6 机器人系统管理

3.2.7 机器人实时控制

第四章 机器人控制软件系统详细设计与实现

4.1 系统关键数据结构

4.1.1 运动表示数据结构

4.1.2 控制任务数据结构

4.1.3 机器人系统状态表示数据结构

4.2 控制过程设计与实现

4.2.1 示教模式

4.2.2 再现模式

4.2.3 实时控制过程

4.2.4 系统管理功能

4.3 软件测试与数据分析

4.3.1 控制软件确认测试

4.3.2 控制软件验证测试

第五章 焊接机器人离线编程系统总体设计

5.1 软件的需求分析

5.2 软件系统结构设计

第六章 焊接机器人离线编程系统详细设计与实现

6.1 基本支撑功能模块组成

6.1.1 三维仿真渲染功能

6.1.2 基本仿真模型数据结构

6.1.3 CAD数据与焊缝信息导入功能

6.1.4 仿真系统运动模型与运动仿真

6.1.5 文件与网络接口

6.2 其他功能模块设计与实现

6.2.1 模型建立与编辑

6.2.2 文件系统管理

6.2.3 运动模型联动关系及网络通信设置

6.2.4 机器人示教编程

第七章 离线编程实用化技术与软件测试

7.1 离线仿真环境中机器人工具坐标系校正

7.2 机器人生产线运动仿真与监视实验

第八章 课题总结与展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文

附录