DXF與機器人軌跡規劃

劉建星　陳淑玲　蘭志鵬　龔本強　邢紅義

摘 要：CAD是目前工業設計時必須使用的設計手段，可以說工業設計離不開CAD，AutoCAD是歷史最悠久的CAD系統。DXF是AutoCAD的一種矢量圖形交換文件，有兩類存儲格式：ASCII格式和二進制格式，ASCII格式具備良好的可讀性，DXF已被廣泛使用，絕大多數CAD軟件都能讀入或輸出DXF文件。DXF文件由多個Section（段）組成，每個Section描述一個矢量元素，DXF是完成產品設計后，進行機器人加工軌跡規劃的優選手段之一。工件坐標系是工業機器人系統里以工件為參照所建立的直角坐標系，ABB工業機器人工件坐標系是很完善的坐標系轉換，包括了坐標平移和旋轉。有了工件坐標系，有了產品設計的DXF，進行工業機器人TCP（工具中心點）軌跡規劃就很方便了，可從DXF中提取軌跡的矢量特征，從而引導工業機器人實訓規劃軌跡循跡。自編軟件提取矢量特征切實可行，自主算法適用于教學。

關鍵詞：CAD與DXF格式;C++與矢量特征提取;RAPID編程;ABB工業機器人運動軌跡引導

1 引言

現代工業設計離不開CAD（計算機輔助設計）。AutoCAD是歷史最悠久且應用廣泛的CAD系統，DXF格式是AutoCAD軟件系統的一種圖形交換文件，絕大多數CAD軟件都能導入和輸出DXF格式的文件。DXF是一種矢量數據格式，詳細描述了繪圖矢量的全部特征。DXF有兩種存儲格式：ASCII格式和二進制格式。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。

智能制造是現代制造業的發展方向和重要環節。柔性生產系統則是智能制造過程中無可替代的加工方法和制作手段。工業機器人（又稱機械手或機械臂）是柔性生產系統的關鍵設備。經過多年的發展，工業機器人已具備：重復定位精度高、連續工作時間長、程序編寫簡單易行、配套設備齊全，是柔性生產過程中不可或缺的設備。現代工業機器人系統已具備可自行定義的工件坐標系，它以工件的基準面為參考，是一種全面的坐標轉換，包括原點位移和坐標軸旋轉，為我們的使用工業機器人提供了極大的便利。

一般來說，機器人的工作過程是對“機器人IO”、“TCP軌跡”、“工作節拍”，這三大要點的精準控制，做好了，就能使機器人優質高效的工作。如果加工路線都能發生偏離，那么，何以言優質加工。故此，軌跡規劃就是機器人優質工作的重要前提之一。有了產品設計圖，加工工件上各個加工軌跡點的相對位置就能準確定位，在工件坐標系下，進行工業機器人TCP的軌跡規劃就有章可循，定位準確。

C語言在1970年由Bell實驗室發明，結合了匯編語言和高級語言的優點，代碼少、高效靈活、易移植。C++是C語言的拓展延伸。既能實現C語言的過程化程序設計，又能進行以抽象數據類型為特點的基于對象的封裝型程序設計。C++我們并不陌生，編程簡單易行，因此，我們可以自行編寫C++程序，從DXF文件中讀取產品設計圖中的軌跡矢量特征，形成TCP運動軌跡引導文件。

RAPID編程環境是工業機器人的編程手段之一，ABB工業機器人就是采用RAPID編程環境進行機器人程序編制的，本文就是利用ABB機器人的程序對TCP運動軌跡引導文件進行解讀，根據TCP運動軌跡引導文件的數據，實現機器人TCP運動軌跡引導。

2 相關技術

2.1 AutoCAD之DXF 與軌跡特征

AutoDesk CAD是AutoDesk公司開發的CAD軟件。是歷史最悠久的CAD軟件，也是應用最廣泛的CAD軟件之一。產品設計完成后，產品上各個點的相對位置就是已知的，不管是哪一種設計軟件，只要將產品設計圖輸出成DXF格式，我們就能進行機器人TCP的軌跡規劃與引導。

DXF是AutoCAD定義的圖形交換文件，是一種開放型數據格式，用于與其它軟件進行CAD設計圖形數據交換，DXF文件里包含了產品軌跡特征，絕大多數CAD系統都能導入和輸出DXF格式文件。DXF有二種存儲格式：ASCII格式和二進制格式。本文只討論ASCII格式。

ASCII格式的DXF文件由幾個“段”組成，其基本元素是“數據對”，若干“數據對”組成一個“段”。“數據對”由“組碼”和“組值”組成，“組碼”和“組值”各自獨占一行。“組碼”是正整數型字符串，“組值”是實數型或文本型字符串。

一般來說，一個DXF文件包括“標題（HEADER）”段、“類（CLASSES）”段、“表（TABLES）”段、“快（BLOCKS）”段、“實體（ENTITIES）”段、“對象（OBJECTS）”段及“EOF（文件結束）”標志組成。

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。

特別說明：與本文相關的是“實體（ENTITIES）”段，本段描述了軌跡的相關數據，如：軌跡的類型（直線、圓弧線、圓形）、軌跡特征點的坐標值。根據這些特征值就能實現對機器人的TCP軌跡引導。

2.2 工業機器人

現代工業機器人具備重復定位復精度高、連續工作時間長、程序編寫簡單易行的優點，是柔性加工系統的優選設備。在所有加工過程中，加工軌跡直接影響加工質量，因此，機器人的軌跡規劃是機器人編程工作的重中之重。

2.2.1 工業機器人的工件坐標系

絕大多數工業機器人都提供了可由用戶自行定義的工件坐標系，這是一個完美的坐標轉換功能。用戶可以以待加工產品（即工件）的基準平面來定義工件坐標。這個工件坐標系與機器人的安裝位置無關，必須在機器人的可達范圍內，只與工件的擺放位置相關。

定義工件坐標系時，需要選定坐標系原點、確定X軸和Y軸的方向。可以定義多個工件坐標系，在機器人工作時按需使用;自行定義的工件坐標系可以在機器人基座標系里實現偏移和旋轉。

使用已完成定義工件坐標系時，機器人控制器自動進行坐標系轉換，根據坐標系轉換的計算結果，實現機器人TCP的運動軌跡控制。

2.2.2 工業機器人TCP軌跡規劃

本文擬采用：從產品設計圖輸出DXF文件，在DXF文件里，提取軌跡特征，根據軌跡特征，進行TCP運動軌跡控制，實訓TCP軌跡規劃。

DXF文件里的軌跡特征皆是以產品設計時的基準面為參考的，因此TCP軌跡規劃以產品設計的基準參考面來實現才能更精準;前節所述的工件坐標系可為我們實現軌跡規劃提供極大的幫助。

2.2.3 工業機器人編程

工業機器人自帶程序編輯器，提供了直線運動指令、圓弧運動指令。直線與圓弧軌跡直接使用運動指令，復雜圖形（如橢圓）則采用短直線段多次逼近來模擬。

2.3 C語言

C語言是目前很常見的一種計算機編程語言。具備跨平臺通用性強、編譯方式簡單易行、生成后機器代碼少的特點。

本文以Microsoft的Visual Studio 2019中的VC++為編譯平臺，自編程序，實現DXF軌跡特征提取。

3 軟件設計

C語言開發平臺采用Microsoft的Visual Studio官網提供的免費Community版[1]。

關于VC++的詳細內容可參考相關資料[2]。

關于DXF的內容可參考相關資料[3][4]。

關于工業機器人的內容可參考相關資料[5][6]。

CAD軟件早已廣泛應用于工業設計，因此，產品設計與DXF文件生成本文不作討論。本文只闡述DXF特征提取和機器人TCP軌跡規劃。

3.1 提取軌跡特征

DXF文件包含了產品設計時的圖層、線型、視窗、輪廓等等。這些都是產品的關鍵特征，我們進行機器人TCP軌跡規劃與引導時，只需要軌跡特征。因此，我們只需要將軌跡特征提取出來，利用軌跡特征進行軌跡規劃。

DXF文件軌跡特征簡述：

說明：每對雙引號內的字符獨占一行，小寫字母d代表十進制數字。

“2”和“ENTITIES”：本段為實體段;

“100”和“AcDBLine”：直線軌跡特征數據開始;

“10”和“ddd.dd”：直線段起點X坐標;

“20”和“ddd.dd”：直線段起點Y坐標;

“30”和“ddd.dd”：直線段起點Z坐標;

“11”和“ddd.dd”：直線段終點X坐標;

“21”和“ddd.dd”：直線段終點Y坐標;

“31”和“ddd.dd”：直線段終點Z坐標;

“100”和“AcDBCircle”：圓形軌跡特征數據開始;

“10”和“ddd.dd”：圓心X坐標;

“20”和“ddd.dd”：圓心Y坐標;

“30”和“ddd.dd”：圓心Z坐標;

“40”和“ddd.dd”：圓半徑;

更多特征描述，可參考DXF的相關資料[3][4]。

知道了軌跡特征的含義，從ASCII格式的DXF文件中提取就簡單易行了，自行編寫一個小程序即可。

軌跡特征提取流程圖見圖1：

3.2 軌跡規劃

自行編寫軌跡規劃輔助程序從特征文件生成引導數據。簡單圖形，如直線線段、圓弧線段、圓形圖形可直接應用移動指令進行軌跡引導;復雜圖形，如橢圓、樣條曲線，則需依據設計公差進行多線段逼近。

軌跡規劃的所有目標點的坐標值皆以工件設計數據為依據，與機器人坐標無關，進行機器人引導時，必須在工件坐標系里進行。

參考DXF文件格式，根據已提取到的軌跡特征文件，自定義軌跡引導文件;根據機器人移動指令的特點，軌跡引導文件格式如下：

（1）以ASCII格式存儲，便于識別;（2）以數據組的形式組成機器人運動引導數據，便于機器人程序編程;（3）一個引導數據組獨占一行，行首字母代表運動方式，后續若干運動參數。（4）引導參數以半角逗號“，”為參數分隔符、以半角分號“;”為數據組終止符。（5）L代表直線段軌跡，后續行為3個實數數值，分別代表X、Y、Z軸坐標值;（6）C代表圓弧，后續行為6個實數數值，分別代表2個（圓弧）點的X、Y、Z軸坐標值。（7）復雜圖形采用多線段逼近。（8）引導文件只包括軌跡數據。節拍控制、工具指向等，在機器人編程時完成。

生成引導數據流程圖，見圖2：

3.3 RAPID編程實習機器人運動引導

有了機器人TCP運動軌跡的引導數據，根據引導數據指定的運動方式和參數，正確調用機器人運動指令，以中間變量傳遞運動指令參數，即可實現機器人TCP運動軌跡的引導。

從引導數據文件的第一行開始，每讀入一行引導數據進行一次運動引導，至最后一行結束;根據設計要求，在需要的時候，插入工作過渡點、插入節拍控制、IO控制指令等。

如：

在第一個軌跡循跡結束，移至非連續的下一個軌跡起點時，就需要離開加工面，避開可能干涉的區域，然后，再移至下一個軌跡起始點。這個過程就需要添加一些移動指令;

節拍控制和IO控制也不能在DXF文件里體現出來，只有在RAPID編程環境下添加。

4 結語

（1）DXF格式的產品設計圖包含了易提取的軌跡特征，可用于工業機器人的軌跡規劃。（2）自編寫程序從DXF文件里快速提取軌跡特征，忽略與軌跡無關的數據。（3）機器人的移動指令不能完全擬合軌跡，需在加工公差范圍內采用短直線段逼近。（4）RAPID編程環境可實現利用軌跡特征的圖形交換文件進行機器人TCP的軌跡引導。（5）非連續軌跡間的過渡移動指令需另行添加。（6）機器人IO控制、節拍控制指令需另行添加。

參考文獻：

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

[2]明日科技.Visual C 從入門到精通。清華大學出版社.

[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.工業機器人實操與應用技巧.機械工業出版社.

[6]龔仲華，龔曉雯.ABB工業機器人編程全集.人民郵電出版社.