DXF与机器人轨迹规划

刘建星　陈淑玲　兰志鹏　龚本强　邢红义

摘 要：CAD是目前工业设计时必須使用的设计手段，可以说工业设计离不开CAD，AutoCAD是历史最悠久的CAD系统。DXF是AutoCAD的一种矢量图形交换文件，有两类存储格式：ASCII格式和二进制格式，ASCII格式具备良好的可读性，DXF已被广泛使用，绝大多数CAD软件都能读入或输出DXF文件。DXF文件由多个Section（段）组成，每个Section描述一个矢量元素，DXF是完成产品设计后，进行机器人加工轨迹规划的优选手段之一。工件坐标系是工业机器人系统里以工件为参照所建立的直角坐标系，ABB工业机器人工件坐标系是很完善的坐标系转换，包括了坐标平移和旋转。有了工件坐标系，有了产品设计的DXF，进行工业机器人TCP（工具中心点）轨迹规划就很方便了，可从DXF中提取轨迹的矢量特征，从而引导工业机器人实训规划轨迹循迹。自编软件提取矢量特征切实可行，自主算法适用于教学。

关键词：CAD与DXF格式;C++与矢量特征提取;RAPID编程;ABB工业机器人运动轨迹引导

1 引言

现代工业设计离不开CAD（计算机辅助设计）。AutoCAD是历史最悠久且应用广泛的CAD系统，DXF格式是AutoCAD软件系统的一种图形交换文件，绝大多数CAD软件都能导入和输出DXF格式的文件。DXF是一种矢量数据格式，详细描述了绘图矢量的全部特征。DXF有两种存储格式：ASCII格式和二进制格式。其中，ASCII具有良好的可读性，可使用众多的文本编辑器查看和修改。

智能制造是现代制造业的发展方向和重要环节。柔性生产系统则是智能制造过程中无可替代的加工方法和制作手段。工业机器人（又称机械手或机械臂）是柔性生产系统的关键设备。经过多年的发展，工业机器人已具备：重复定位精度高、连续工作时间长、程序编写简单易行、配套设备齐全，是柔性生产过程中不可或缺的设备。现代工业机器人系统已具备可自行定义的工件坐标系，它以工件的基准面为参考，是一种全面的坐标转换，包括原点位移和坐标轴旋转，为我们的使用工业机器人提供了极大的便利。

一般来说，机器人的工作过程是对“机器人IO”、“TCP轨迹”、“工作节拍”，这三大要点的精准控制，做好了，就能使机器人优质高效的工作。如果加工路线都能发生偏离，那么，何以言优质加工。故此，轨迹规划就是机器人优质工作的重要前提之一。有了产品设计图，加工工件上各个加工轨迹点的相对位置就能准确定位，在工件坐标系下，进行工业机器人TCP的轨迹规划就有章可循，定位准确。

C语言在1970年由Bell实验室发明，结合了汇编语言和高级语言的优点，代码少、高效灵活、易移植。C++是C语言的拓展延伸。既能实现C语言的过程化程序设计，又能进行以抽象数据类型为特点的基于对象的封装型程序设计。C++我们并不陌生，编程简单易行，因此，我们可以自行编写C++程序，从DXF文件中读取产品设计图中的轨迹矢量特征，形成TCP运动轨迹引导文件。

RAPID编程环境是工业机器人的编程手段之一，ABB工业机器人就是采用RAPID编程环境进行机器人程序编制的，本文就是利用ABB机器人的程序对TCP运动轨迹引导文件进行解读，根据TCP运动轨迹引导文件的数据，实现机器人TCP运动轨迹引导。

2 相关技术

2.1 AutoCAD之DXF 与轨迹特征

AutoDesk CAD是AutoDesk公司开发的CAD软件。是历史最悠久的CAD软件，也是应用最广泛的CAD软件之一。产品设计完成后，产品上各个点的相对位置就是已知的，不管是哪一种设计软件，只要将产品设计图输出成DXF格式，我们就能进行机器人TCP的轨迹规划与引导。

DXF是AutoCAD定义的图形交换文件，是一种开放型数据格式，用于与其它软件进行CAD设计图形数据交换，DXF文件里包含了产品轨迹特征，绝大多数CAD系统都能导入和输出DXF格式文件。DXF有二种存储格式：ASCII格式和二进制格式。本文只讨论ASCII格式。

ASCII格式的DXF文件由几个“段”组成，其基本元素是“数据对”，若干“数据对”组成一个“段”。“数据对”由“组码”和“组值”组成，“组码”和“组值”各自独占一行。“组码”是正整数型字符串，“组值”是实数型或文本型字符串。

一般来说，一个DXF文件包括“标题（HEADER）”段、“类（CLASSES）”段、“表（TABLES）”段、“快（BLOCKS）”段、“实体（ENTITIES）”段、“对象（OBJECTS）”段及“EOF（文件结束）”标志组成。

组码“0””和字符串“SECTION”为段头，组码“0”和字符串“ENDSEC”为段尾。组码“2”和段名（如HEADER、ENTITIES等等）声明本段的作用。

特别说明：与本文相关的是“实体（ENTITIES）”段，本段描述了轨迹的相关数据，如：轨迹的类型（直线、圆弧线、圆形）、轨迹特征点的坐标值。根据这些特征值就能实现对机器人的TCP轨迹引导。

2.2 工业机器人

现代工业机器人具备重复定位复精度高、连续工作时间长、程序编写简单易行的优点，是柔性加工系统的优选设备。在所有加工过程中，加工轨迹直接影响加工质量，因此，机器人的轨迹规划是机器人编程工作的重中之重。

2.2.1 工业机器人的工件坐标系

绝大多数工业机器人都提供了可由用户自行定义的工件坐标系，这是一个完美的坐标转换功能。用户可以以待加工产品（即工件）的基准平面来定义工件坐标。这个工件坐标系与机器人的安装位置无关，必须在机器人的可达范围内，只与工件的摆放位置相关。

定义工件坐标系时，需要选定坐标系原点、确定X轴和Y轴的方向。可以定义多个工件坐标系，在机器人工作时按需使用;自行定义的工件坐标系可以在机器人基座标系里实现偏移和旋转。

使用已完成定义工件坐标系时，机器人控制器自动进行坐标系转换，根据坐标系转换的计算结果，实现机器人TCP的运动轨迹控制。

2.2.2 工业机器人TCP轨迹规划

本文拟采用：从产品设计图输出DXF文件，在DXF文件里，提取轨迹特征，根据轨迹特征，进行TCP运动轨迹控制，实训TCP轨迹规划。

DXF文件里的轨迹特征皆是以产品设计时的基准面为参考的，因此TCP轨迹规划以产品设计的基准参考面来实现才能更精准;前节所述的工件坐标系可为我们实现轨迹规划提供极大的帮助。

2.2.3 工业机器人编程

工业机器人自带程序编辑器，提供了直线运动指令、圆弧运动指令。直线与圆弧轨迹直接使用运动指令，复杂图形（如椭圆）则采用短直线段多次逼近来模拟。

2.3 C语言

C语言是目前很常见的一种计算机编程语言。具备跨平台通用性强、编译方式简单易行、生成后机器代码少的特点。

本文以Microsoft的Visual Studio 2019中的VC++为编译平台，自编程序，实现DXF轨迹特征提取。

3 软件设计

C语言开发平台采用Microsoft的Visual Studio官网提供的免费Community版[1]。

关于VC++的详细内容可参考相关资料[2]。

关于DXF的内容可参考相关资料[3][4]。

关于工业机器人的内容可参考相关资料[5][6]。

CAD软件早已广泛应用于工业设计，因此，产品设计与DXF文件生成本文不作讨论。本文只阐述DXF特征提取和机器人TCP轨迹规划。

3.1 提取轨迹特征

DXF文件包含了产品设计时的图层、线型、视窗、轮廓等等。这些都是产品的关键特征，我们进行机器人TCP轨迹规划与引导时，只需要轨迹特征。因此，我们只需要将轨迹特征提取出来，利用轨迹特征进行轨迹规划。

DXF文件轨迹特征简述：

说明：每对双引号内的字符独占一行，小写字母d代表十进制数字。

“2”和“ENTITIES”：本段为实体段;

“100”和“AcDBLine”：直线轨迹特征数据开始;

“10”和“ddd.dd”：直线段起点X坐标;

“20”和“ddd.dd”：直线段起点Y坐标;

“30”和“ddd.dd”：直线段起点Z坐标;

“11”和“ddd.dd”：直线段终点X坐标;

“21”和“ddd.dd”：直线段终点Y坐标;

“31”和“ddd.dd”：直线段终点Z坐标;

“100”和“AcDBCircle”：圆形轨迹特征数据开始;

“10”和“ddd.dd”：圆心X坐标;

“20”和“ddd.dd”：圆心Y坐标;

“30”和“ddd.dd”：圆心Z坐标;

“40”和“ddd.dd”：圆半径;

更多特征描述，可参考DXF的相关资料[3][4]。

知道了轨迹特征的含义，从ASCII格式的DXF文件中提取就简单易行了，自行编写一个小程序即可。

轨迹特征提取流程图见图1：

3.2 轨迹规划

自行编写轨迹规划辅助程序从特征文件生成引导数据。简单图形，如直线线段、圆弧线段、圆形图形可直接应用移动指令进行轨迹引导;复杂图形，如椭圆、样条曲线，则需依据设计公差进行多线段逼近。

轨迹规划的所有目标点的坐标值皆以工件设计数据为依据，与机器人坐标无关，进行机器人引导时，必须在工件坐标系里进行。

参考DXF文件格式，根据已提取到的轨迹特征文件，自定义轨迹引导文件;根据机器人移动指令的特点，轨迹引导文件格式如下：

（1）以ASCII格式存储，便于识别;（2）以数据组的形式组成机器人运动引导数据，便于机器人程序编程;（3）一个引导数据组独占一行，行首字母代表运动方式，后续若干运动参数。（4）引导参数以半角逗号“，”为参数分隔符、以半角分号“;”为数据组终止符。（5）L代表直线段轨迹，后续行为3个实数数值，分别代表X、Y、Z轴坐标值;（6）C代表圆弧，后续行为6个实数数值，分别代表2个（圆弧）点的X、Y、Z轴坐标值。（7）复杂图形采用多线段逼近。（8）引导文件只包括轨迹数据。节拍控制、工具指向等，在机器人编程时完成。

生成引导数据流程图，见图2：

3.3 RAPID编程实习机器人运动引导

有了机器人TCP运动轨迹的引导数据，根据引导数据指定的运动方式和参数，正确调用机器人运动指令，以中间变量传递运动指令参数，即可实现机器人TCP运动轨迹的引导。

从引导数据文件的第一行开始，每读入一行引导数据进行一次运动引导，至最后一行结束;根据设计要求，在需要的时候，插入工作过渡点、插入节拍控制、IO控制指令等。

如：

在第一个轨迹循迹结束，移至非连续的下一个轨迹起点时，就需要离开加工面，避开可能干涉的区域，然后，再移至下一个轨迹起始点。这个过程就需要添加一些移动指令;

节拍控制和IO控制也不能在DXF文件里体现出来，只有在RAPID编程环境下添加。

4 结语

（1）DXF格式的产品设计图包含了易提取的轨迹特征，可用于工业机器人的轨迹规划。（2）自编写程序从DXF文件里快速提取轨迹特征，忽略与轨迹无关的数据。（3）机器人的移动指令不能完全拟合轨迹，需在加工公差范围内采用短直线段逼近。（4）RAPID编程环境可实现利用轨迹特征的图形交換文件进行机器人TCP的轨迹引导。（5）非连续轨迹间的过渡移动指令需另行添加。（6）机器人IO控制、节拍控制指令需另行添加。

参考文献：

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

[2]明日科技.Visual C 从入门到精通。清华大学出版社.

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

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

[5]叶晖，管小清.工业机器人实操与应用技巧.机械工业出版社.

[6]龚仲华，龚晓雯.ABB工业机器人编程全集.人民邮电出版社.