DXF與機(jī)器人軌跡規(guī)劃

劉建星　陳淑玲　蘭志鵬　龔本強(qiáng)　邢紅義

摘 要：CAD是目前工業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)必須使用的設(shè)計(jì)手段，可以說(shuō)工業(yè)設(shè)計(jì)離不開(kāi)CAD，AutoCAD是歷史最悠久的CAD系統(tǒng)。DXF是AutoCAD的一種矢量圖形交換文件，有兩類存儲(chǔ)格式：ASCII格式和二進(jìn)制格式，ASCII格式具備良好的可讀性，DXF已被廣泛使用，絕大多數(shù)CAD軟件都能讀入或輸出DXF文件。DXF文件由多個(gè)Section（段）組成，每個(gè)Section描述一個(gè)矢量元素，DXF是完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，進(jìn)行機(jī)器人加工軌跡規(guī)劃的優(yōu)選手段之一。工件坐標(biāo)系是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)里以工件為參照所建立的直角坐標(biāo)系，ABB工業(yè)機(jī)器人工件坐標(biāo)系是很完善的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，包括了坐標(biāo)平移和旋轉(zhuǎn)。有了工件坐標(biāo)系，有了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的DXF，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人TCP（工具中心點(diǎn)）軌跡規(guī)劃就很方便了，可從DXF中提取軌跡的矢量特征，從而引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)規(guī)劃軌跡循跡。自編軟件提取矢量特征切實(shí)可行，自主算法適用于教學(xué)。

關(guān)鍵詞：CAD與DXF格式;C++與矢量特征提取;RAPID編程;ABB工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡引導(dǎo)

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)離不開(kāi)CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）。AutoCAD是歷史最悠久且應(yīng)用廣泛的CAD系統(tǒng)，DXF格式是AutoCAD軟件系統(tǒng)的一種圖形交換文件，絕大多數(shù)CAD軟件都能導(dǎo)入和輸出DXF格式的文件。DXF是一種矢量數(shù)據(jù)格式，詳細(xì)描述了繪圖矢量的全部特征。DXF有兩種存儲(chǔ)格式：ASCII格式和二進(jìn)制格式。其中，ASCII具有良好的可讀性，可使用眾多的文本編輯器查看和修改。

智能制造是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向和重要環(huán)節(jié)。柔性生產(chǎn)系統(tǒng)則是智能制造過(guò)程中無(wú)可替代的加工方法和制作手段。工業(yè)機(jī)器人（又稱機(jī)械手或機(jī)械臂）是柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已具備：重復(fù)定位精度高、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單易行、配套設(shè)備齊全，是柔性生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的設(shè)備。現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)已具備可自行定義的工件坐標(biāo)系，它以工件的基準(zhǔn)面為參考，是一種全面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包括原點(diǎn)位移和坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，為我們的使用工業(yè)機(jī)器人提供了極大的便利。

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的工作過(guò)程是對(duì)“機(jī)器人IO”、“TCP軌跡”、“工作節(jié)拍”，這三大要點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，做好了，就能使機(jī)器人優(yōu)質(zhì)高效的工作。如果加工路線都能發(fā)生偏離，那么，何以言優(yōu)質(zhì)加工。故此，軌跡規(guī)劃就是機(jī)器人優(yōu)質(zhì)工作的重要前提之一。有了產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖，加工工件上各個(gè)加工軌跡點(diǎn)的相對(duì)位置就能準(zhǔn)確定位，在工件坐標(biāo)系下，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人TCP的軌跡規(guī)劃就有章可循，定位準(zhǔn)確。

C語(yǔ)言在1970年由Bell實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，結(jié)合了匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，代碼少、高效靈活、易移植。C++是C語(yǔ)言的拓展延伸。既能實(shí)現(xiàn)C語(yǔ)言的過(guò)程化程序設(shè)計(jì)，又能進(jìn)行以抽象數(shù)據(jù)類型為特點(diǎn)的基于對(duì)象的封裝型程序設(shè)計(jì)。C++我們并不陌生，編程簡(jiǎn)單易行，因此，我們可以自行編寫(xiě)C++程序，從DXF文件中讀取產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖中的軌跡矢量特征，形成TCP運(yùn)動(dòng)軌跡引導(dǎo)文件。

RAPID編程環(huán)境是工業(yè)機(jī)器人的編程手段之一，ABB工業(yè)機(jī)器人就是采用RAPID編程環(huán)境進(jìn)行機(jī)器人程序編制的，本文就是利用ABB機(jī)器人的程序?qū)CP運(yùn)動(dòng)軌跡引導(dǎo)文件進(jìn)行解讀，根據(jù)TCP運(yùn)動(dòng)軌跡引導(dǎo)文件的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人TCP運(yùn)動(dòng)軌跡引導(dǎo)。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 AutoCAD之DXF 與軌跡特征

AutoDesk CAD是AutoDesk公司開(kāi)發(fā)的CAD軟件。是歷史最悠久的CAD軟件，也是應(yīng)用最廣泛的CAD軟件之一。產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，產(chǎn)品上各個(gè)點(diǎn)的相對(duì)位置就是已知的，不管是哪一種設(shè)計(jì)軟件，只要將產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖輸出成DXF格式，我們就能進(jìn)行機(jī)器人TCP的軌跡規(guī)劃與引導(dǎo)。

DXF是AutoCAD定義的圖形交換文件，是一種開(kāi)放型數(shù)據(jù)格式，用于與其它軟件進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)圖形數(shù)據(jù)交換，DXF文件里包含了產(chǎn)品軌跡特征，絕大多數(shù)CAD系統(tǒng)都能導(dǎo)入和輸出DXF格式文件。DXF有二種存儲(chǔ)格式：ASCII格式和二進(jìn)制格式。本文只討論ASCII格式。

ASCII格式的DXF文件由幾個(gè)“段”組成，其基本元素是“數(shù)據(jù)對(duì)”，若干“數(shù)據(jù)對(duì)”組成一個(gè)“段”。“數(shù)據(jù)對(duì)”由“組碼”和“組值”組成，“組碼”和“組值”各自獨(dú)占一行?！敖M碼”是正整數(shù)型字符串，“組值”是實(shí)數(shù)型或文本型字符串。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)DXF文件包括“標(biāo)題（HEADER）”段、“類（CLASSES）”段、“表（TABLES）”段、“快（BLOCKS）”段、“實(shí)體（ENTITIES）”段、“對(duì)象（OBJECTS）”段及“EOF（文件結(jié)束）”標(biāo)志組成。

組碼“0””和字符串“SECTION”為段頭，組碼“0”和字符串“ENDSEC”為段尾。組碼“2”和段名（如HEADER、ENTITIES等等）聲明本段的作用。

特別說(shuō)明：與本文相關(guān)的是“實(shí)體（ENTITIES）”段，本段描述了軌跡的相關(guān)數(shù)據(jù)，如：軌跡的類型（直線、圓弧線、圓形）、軌跡特征點(diǎn)的坐標(biāo)值。根據(jù)這些特征值就能實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的TCP軌跡引導(dǎo)。

2.2 工業(yè)機(jī)器人

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人具備重復(fù)定位復(fù)精度高、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)，是柔性加工系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)備。在所有加工過(guò)程中，加工軌跡直接影響加工質(zhì)量，因此，機(jī)器人的軌跡規(guī)劃是機(jī)器人編程工作的重中之重。

2.2.1 工業(yè)機(jī)器人的工件坐標(biāo)系

絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都提供了可由用戶自行定義的工件坐標(biāo)系，這是一個(gè)完美的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能。用戶可以以待加工產(chǎn)品（即工件）的基準(zhǔn)平面來(lái)定義工件坐標(biāo)。這個(gè)工件坐標(biāo)系與機(jī)器人的安裝位置無(wú)關(guān)，必須在機(jī)器人的可達(dá)范圍內(nèi)，只與工件的擺放位置相關(guān)。

定義工件坐標(biāo)系時(shí)，需要選定坐標(biāo)系原點(diǎn)、確定X軸和Y軸的方向?？梢远x多個(gè)工件坐標(biāo)系，在機(jī)器人工作時(shí)按需使用;自行定義的工件坐標(biāo)系可以在機(jī)器人基座標(biāo)系里實(shí)現(xiàn)偏移和旋轉(zhuǎn)。

使用已完成定義工件坐標(biāo)系時(shí)，機(jī)器人控制器自動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，根據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人TCP的運(yùn)動(dòng)軌跡控制。

2.2.2 工業(yè)機(jī)器人TCP軌跡規(guī)劃

本文擬采用：從產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖輸出DXF文件，在DXF文件里，提取軌跡特征，根據(jù)軌跡特征，進(jìn)行TCP運(yùn)動(dòng)軌跡控制，實(shí)訓(xùn)TCP軌跡規(guī)劃。

DXF文件里的軌跡特征皆是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)面為參考的，因此TCP軌跡規(guī)劃以產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)參考面來(lái)實(shí)現(xiàn)才能更精準(zhǔn);前節(jié)所述的工件坐標(biāo)系可為我們實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃提供極大的幫助。

2.2.3 工業(yè)機(jī)器人編程

工業(yè)機(jī)器人自帶程序編輯器，提供了直線運(yùn)動(dòng)指令、圓弧運(yùn)動(dòng)指令。直線與圓弧軌跡直接使用運(yùn)動(dòng)指令，復(fù)雜圖形（如橢圓）則采用短直線段多次逼近來(lái)模擬。

2.3 C語(yǔ)言

C語(yǔ)言是目前很常見(jiàn)的一種計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言。具備跨平臺(tái)通用性強(qiáng)、編譯方式簡(jiǎn)單易行、生成后機(jī)器代碼少的特點(diǎn)。

本文以Microsoft的Visual Studio 2019中的VC++為編譯平臺(tái)，自編程序，實(shí)現(xiàn)DXF軌跡特征提取。

3 軟件設(shè)計(jì)

C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Microsoft的Visual Studio官網(wǎng)提供的免費(fèi)Community版[1]。

關(guān)于VC++的詳細(xì)內(nèi)容可參考相關(guān)資料[2]。

關(guān)于DXF的內(nèi)容可參考相關(guān)資料[3][4]。

關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)容可參考相關(guān)資料[5][6]。

CAD軟件早已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)，因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與DXF文件生成本文不作討論。本文只闡述DXF特征提取和機(jī)器人TCP軌跡規(guī)劃。

3.1 提取軌跡特征

DXF文件包含了產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的圖層、線型、視窗、輪廓等等。這些都是產(chǎn)品的關(guān)鍵特征，我們進(jìn)行機(jī)器人TCP軌跡規(guī)劃與引導(dǎo)時(shí)，只需要軌跡特征。因此，我們只需要將軌跡特征提取出來(lái)，利用軌跡特征進(jìn)行軌跡規(guī)劃。

DXF文件軌跡特征簡(jiǎn)述：

說(shuō)明：每對(duì)雙引號(hào)內(nèi)的字符獨(dú)占一行，小寫(xiě)字母d代表十進(jìn)制數(shù)字。

“2”和“ENTITIES”：本段為實(shí)體段;

“100”和“AcDBLine”：直線軌跡特征數(shù)據(jù)開(kāi)始;

“10”和“ddd.dd”：直線段起點(diǎn)X坐標(biāo);

“20”和“ddd.dd”：直線段起點(diǎn)Y坐標(biāo);

“30”和“ddd.dd”：直線段起點(diǎn)Z坐標(biāo);

“11”和“ddd.dd”：直線段終點(diǎn)X坐標(biāo);

“21”和“ddd.dd”：直線段終點(diǎn)Y坐標(biāo);

“31”和“ddd.dd”：直線段終點(diǎn)Z坐標(biāo);

“100”和“AcDBCircle”：圓形軌跡特征數(shù)據(jù)開(kāi)始;

“10”和“ddd.dd”：圓心X坐標(biāo);

“20”和“ddd.dd”：圓心Y坐標(biāo);

“30”和“ddd.dd”：圓心Z坐標(biāo);

“40”和“ddd.dd”：圓半徑;

更多特征描述，可參考DXF的相關(guān)資料[3][4]。

知道了軌跡特征的含義，從ASCII格式的DXF文件中提取就簡(jiǎn)單易行了，自行編寫(xiě)一個(gè)小程序即可。

軌跡特征提取流程圖見(jiàn)圖1：

3.2 軌跡規(guī)劃

自行編寫(xiě)軌跡規(guī)劃輔助程序從特征文件生成引導(dǎo)數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單圖形，如直線線段、圓弧線段、圓形圖形可直接應(yīng)用移動(dòng)指令進(jìn)行軌跡引導(dǎo);復(fù)雜圖形，如橢圓、樣條曲線，則需依據(jù)設(shè)計(jì)公差進(jìn)行多線段逼近。

軌跡規(guī)劃的所有目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)值皆以工件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，與機(jī)器人坐標(biāo)無(wú)關(guān)，進(jìn)行機(jī)器人引導(dǎo)時(shí)，必須在工件坐標(biāo)系里進(jìn)行。

參考DXF文件格式，根據(jù)已提取到的軌跡特征文件，自定義軌跡引導(dǎo)文件;根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)指令的特點(diǎn)，軌跡引導(dǎo)文件格式如下：

（1）以ASCII格式存儲(chǔ)，便于識(shí)別;（2）以數(shù)據(jù)組的形式組成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)數(shù)據(jù)，便于機(jī)器人程序編程;（3）一個(gè)引導(dǎo)數(shù)據(jù)組獨(dú)占一行，行首字母代表運(yùn)動(dòng)方式，后續(xù)若干運(yùn)動(dòng)參數(shù)。（4）引導(dǎo)參數(shù)以半角逗號(hào)“，”為參數(shù)分隔符、以半角分號(hào)“;”為數(shù)據(jù)組終止符。（5）L代表直線段軌跡，后續(xù)行為3個(gè)實(shí)數(shù)數(shù)值，分別代表X、Y、Z軸坐標(biāo)值;（6）C代表圓弧，后續(xù)行為6個(gè)實(shí)數(shù)數(shù)值，分別代表2個(gè)（圓弧）點(diǎn)的X、Y、Z軸坐標(biāo)值。（7）復(fù)雜圖形采用多線段逼近。（8）引導(dǎo)文件只包括軌跡數(shù)據(jù)。節(jié)拍控制、工具指向等，在機(jī)器人編程時(shí)完成。

生成引導(dǎo)數(shù)據(jù)流程圖，見(jiàn)圖2：

3.3 RAPID編程實(shí)習(xí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)

有了機(jī)器人TCP運(yùn)動(dòng)軌跡的引導(dǎo)數(shù)據(jù)，根據(jù)引導(dǎo)數(shù)據(jù)指定的運(yùn)動(dòng)方式和參數(shù)，正確調(diào)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)指令，以中間變量傳遞運(yùn)動(dòng)指令參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人TCP運(yùn)動(dòng)軌跡的引導(dǎo)。

從引導(dǎo)數(shù)據(jù)文件的第一行開(kāi)始，每讀入一行引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)，至最后一行結(jié)束;根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在需要的時(shí)候，插入工作過(guò)渡點(diǎn)、插入節(jié)拍控制、IO控制指令等。

如：

在第一個(gè)軌跡循跡結(jié)束，移至非連續(xù)的下一個(gè)軌跡起點(diǎn)時(shí)，就需要離開(kāi)加工面，避開(kāi)可能干涉的區(qū)域，然后，再移至下一個(gè)軌跡起始點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程就需要添加一些移動(dòng)指令;

節(jié)拍控制和IO控制也不能在DXF文件里體現(xiàn)出來(lái)，只有在RAPID編程環(huán)境下添加。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）DXF格式的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖包含了易提取的軌跡特征，可用于工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。（2）自編寫(xiě)程序從DXF文件里快速提取軌跡特征，忽略與軌跡無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)。（3）機(jī)器人的移動(dòng)指令不能完全擬合軌跡，需在加工公差范圍內(nèi)采用短直線段逼近。（4）RAPID編程環(huán)境可實(shí)現(xiàn)利用軌跡特征的圖形交換文件進(jìn)行機(jī)器人TCP的軌跡引導(dǎo)。（5）非連續(xù)軌跡間的過(guò)渡移動(dòng)指令需另行添加。（6）機(jī)器人IO控制、節(jié)拍控制指令需另行添加。

參考文獻(xiàn)：

[1]Visual Studio官網(wǎng)：https：//visualstudio.microsoft.com/zh-hans/downloads/.

[2]明日科技.Visual C 從入門(mén)到精通。清華大學(xué)出版社.

[3]DXF文件分析：https：//wenku.baidu.com/view/ab13d7fcd5bbfd0a78567311.html.

[4]DXF組碼址：https：//wenku.baidu.com/view/739eda482e3f5727a5e962a8.html？sxt s=1563506815490.

[5]葉暉，管小清.工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與應(yīng)用技巧.機(jī)械工業(yè)出版社.

[6]龔仲華，龔曉雯.ABB工業(yè)機(jī)器人編程全集.人民郵電出版社.