（光学工程专业论文）激光再制造机器人离线编程系统.pdf

学位论文的主要创新点 一、设计了基于s o l i d w o r k s 的机器人本体模型，加工工件及工 作环境的三维模型。并以m a t l a b 为路径规划器对规则的共建模型进 行路径规划。 二、提出了一种基于机器人双目立体视觉技术的对不规则物体的 加工路径进行提取的方法，及基于机器视觉的加工平面法向向量的测 量方法和机器人末端姿态的实时控制方法。 三、设计了一种基于l a b v i e w 的文件格式转换器，从而达到将 m a t l a b 中得到的文件转化为r o b o g u i d e 可识别的文件格式。 摘要 近年来，随着工业化进程的加快，我国工业生产中各种重大装备中的大中型 构件或复杂精密零件使用率提高，磨损率加大。例如，大型汽车精密模具、冶金 大型轧辊、航空轮机叶片、海上输油泵等，体积庞大且造价高昂都在数百万至数 千万。频繁更换新的部件，不仅会增加成本，还会影响工作效率。因此，激光现 场修复再制造机器人的研究，可以解决大中型部件的现场修复难题，延长使用寿 命，提高工作效率，节约自然资源，具有巨大的经济效益和社会效益。 激光现场修复再制造机器人属于工业机器人领域。本文针对大型部件现场施 工条件下的自动化激光修复技术、在r o b o g u i d e 中工作路径的建立、在结构 光视觉传感器的模型的建立和参数的选择、激光机器人的路径规划和控制策略的 研究。研制出激光机器人离线编程系统。 本文应用s o l i d w o r k s 对激光机器人离线编程系统所需的机器人本体、修 复零件和工作环境建立三维模型，利用m a t l a b 为路径规划器，对零件的修复 部位建立一条最优工作路径，再导入r o b o g u i d e 中，在世界坐标系下进行位 置标定和加工速度参数设定。实现对实际加工过程的离线编程及优化仿真。 对于不规则的无法建模的工作路径的规划问题，利用机器视觉技术对路径进 行提取。其中由视觉传感器加工路径图像快速可靠提取特征信息是实现工作路径 跟踪技术的关键。通过对图像处理方法的研究，采用一维l o g 滤波，快速得到 清晰的路径图像，通过边缘检测，实现基于边界的图像分割，即边进行界提取。 然后对工作路径进行数学形态学细化得到路径骨架，从而提取的精确的路径信 息。 针对激光加工中不同加工要求激光头与力n - r _ 平面的不同角度要求，通过双目 或单目立体视觉技术求得所需加工平面的的法向向量，满足实际加工中激光工作 头轴线与加工平面法向有偏角的实时补偿，从而提高加工精度和效果。 研制了一种基于l a b v i e w 平台的包括路径规划，文件格式转化，图像采集， 图像处理及机器人与p c 通信接口的激光机器人测量与控制系统。 关键词：机器人，路径规划，机器视觉，图像处理，位姿检测 t h es y s t e m sh a sah u g ee c o n o m 沁a n ds o c i a lb e n e f i t t h el a s e rr e p a i r i n gr o b o ti sak i n do fi n d u s t r yr o b o t t h i sa r t i c l ei sa b o u tt h e r e s e a r c ho f t h el a s e ra u t o m a t i o nr e p a i r et e c h n o l o g yo fl a r g ep a r to fc o n s t r u c t i o ni nt h e w o r k i n ga r e a , a n de s t a b l i s ho fr o b o tw o r k i n gp a t hb yr o b o g u i d e , a n dt h em o d e l e s t a b l i s ho ft h es t r u c t u r el i g h ts e n s o ra n dp a r a m e t e rs e l e c t i o n , t h el a s e rt h er o b o t s p a t hp l a n n i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g i e s d e v e l o pt h es t u d yo fl a s e rr e p a i rr o b o t so f f - l i n e p r o g r a m m i n gs y s t e m t h ea p p l i c a t i o no fs o l i d w o r k se s t a b l i s h e st h e3 dm o d e lo fl a s e rr o b o t s ，t h er e p a i r m a c h i n ep a r t s d e s i g nt h ep a t hp l a n n i n ga b o u tp a r t so ft h ee s t a b l i s h m e n to faf i x e d p a r t so ft h ew o r ko f t h ep a t hb ym a t l a ba n dt r a n s i m i ti ti n t ot h er o b o g u i d e d i r e c t i o n t h ed i f f e r e n ti n d e p e n d e n tp o s i t i o ni nt h ew o r l di n d e p e n d e n td i r e c t i o na n dp r o c e s s i n g s p e e dp a r a m e t e r ss e t t i n g f o ri r r e g u l a rm o d e l i n go ft h ep a t hp l a n n i n gu s et h em a c h i n ev i s u a lt oo b t a i na v i s u a lw o r k i n gp a t h t h ev i s u a li m a g ep r o c e s s i n gb ys e n s o ra n dg e t t i n gr e l i a b l ep a t h i n f o r m a t i o ni st h ek e yp a r ti nt h es t u d yo b t a i n e db yi m p l e m e n t a t i o no ft h ew o r kp a t h b yt r a c i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d t h e nw ec 锄g e t t h ep a t hi nf i n es h a p eb yt h e s k e l e t o na n da c c t n a t ei n f o r m a t i o nf r o mt h ep a t h ， f o rd i f f e r e n tl a s e r st h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n to ft h ea n g l eo ff l a ts u r f a c e sa n d e n do fr o b o t , t h r o u g ht h es t e r e o s c o p i cv i s i o nt e c h n o l o g yt og e tn o m a lo fs u r f a c et o m e e tt h er e q u i r e da c c u r a c ya n de f f e c t i v e n e s so fa c t u a lp r o c e s s i n g b a s e do nl a b v i e wd e v e l o pp a t hp l a n n i n g ，t h ef o r m a tc o n v e r s i o no fd o c u m e n t , i m a g e sd a t ac e l l e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n ga n dt h ei n t e r f a c eo fl a s e rr e p a i rr o b o t sa n d p cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d s ：r o b o t ；o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ；p a t hp l a n n i n g ；m a c h i n ev i s i o n ；a t t i t u d e m e a s u r e m e n t 1 1 弓l 言1 1 2 机器人离线编程技术概述2 1 2 1 机器人离线编程概念2 1 2 2 机器人离线编程意义2 1 2 3 机器人离线编程技术国内外发展趋势3 1 3 激光再制造机器人技术研究现状4 1 3 1 激光再制造技术。4 1 3 2 机器人离线编程技术在激光再制造中的应用7 第二章机器人在线示教编程与离线编程9 2 1 机器人在线示教编程9 2 2 示教编程系统组成及应用9 2 2 1 示教编程中的运动指令1 2 ，2 2 2 在线编程指令1 2 2 3 机器人在线编程与离线编程差别1 5 2 4 机器人离线编程15 第三章激光机器人路径规划1 7 3 1 机器人路径规划概念1 7 3 2c a d 模型的建立及特征信息的提取。1 7 3 2 1 焊缝特征坐标系的建立1 8 3 2 2 焊缝特征坐标系与机器人坐标系的标定1 9 3 3 机器人系统内部坐标系间的标定2 3 3 3 3 机器人工具坐标系的标定：。2 3 3 3 4 各坐标系之间关系的建立2 6 3 4 模型建立及优化仿真2 8 3 4 1 对于简单工件的建模及路径规划2 8 3 4 2 对于复杂工件的建模及路径规划3 0 3 4 3r o b o g u i d e 文件格式转换3 3 3 5 本章小结3 4 第四章机器视觉路径规划及位姿测量3 5 4 1 机器视觉技术概念。3 5 4 2 结构光传感器工作原理3 5 4 3 结构光传感器的数学模型3 6 4 3 1 摄像机的标定方法3 6 4 3 2 单目立体视觉位置测量3 8 4 3 3 双目立体视觉位置测量4 0 4 3 4 基于立体视觉的位姿测量4 2 4 4 基于机器视觉的位姿测量优化仿真4 5 4 4 1 双目立体视觉位置测量方法的实验仿真4 5 4 4 2 基于矩形平面的位姿测量方法的实验仿真4 6 4 4 3 基于立体视觉的位姿测量方法对马鞍形工件测量的实验仿真 4 7 4 5 本章小结4 9 第五章激光机器人离线编程系统实验与仿真5l 5 1 激光机器人离线编程系统5 l 5 1 1r o b o g u i d e 简介。5 l 5 1 2r o b o g u i d e 建模5 2 5 1 3 工件文件存储、读取及格式转化5 3 5 1 4r o b o g u i d e 仿真布局环境5 5 5 2 激光机器人淬火过程仿真。5 5 5 3t p 文件的生成及传输5 8 5 3 1t p 文件的生成5 8 5 3 2t p 文件的传输6 0 5 4 机床导轨淬火试验6 2 5 5 本章小结7 0 第六章结论7 l 参考文献7 3 发表论文和参加科研情况说明7 7 致谢。7 9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从2 0 世纪6 0 年代初美国u n i m a t e 第一台示教再现型机器人研制成功，4 0 年的时间中，机器人技术得到了飞速的发展。工业机器人是一种灵活性很强的柔 性自动化设备，他们对生产条件和生产环境有很强的适应性。在科学技术领先的 国家中，工业机器人已大量应用于在生产生活中。由于机器人是一种能适应产品 迅速更新换代的柔性自动化设备，它的应用大大缩短了新产品的换产周期，并且 工业机器人的应用使产品质量及生产率得到了很大提高，从而提高了新一代产品 在市场上的竞争力。在未来的几十年中，机器人技术与应用将世界科技发展的一 个焦点和热点【。 据国际机器人联合会( i f r ) 统计，世界机器人市场前景看好，从2 0 世纪下半 叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入9 0 年代，机器人 技术发展速度加快，年增长率有大幅增长平均在1 5 左右，2 0 0 0 年增长率更是 上升到2 0 ，2 1 世纪初，世界正在服务的有2 0 0 万台机器人，在此当中大部分 是工业机器人。工业机器人广泛应用于各个行业，主要进行焊接、装配、搬运、 加工、喷涂等复杂作业。根据国际机器人协会统计，2 0 0 8 年工业机器人生产量 及销售量又呈现强劲增长势头。与2 0 0 6 年相比，2 0 0 8 年全球范围内工业机器人 的订货量增长2 0 以上。 激光表面修复再制造是工业机器人的一个主要应用领域，在激光再制造中发 挥着越来越大的作用【2 】。激光再制造机器人是激光加工自动化的里程碑式的进 步，它开拓了一种柔性自动化新方式，突破了激光加工自动化的传统方式。在激 光表面修复再制造机器人生产线上，可自动加工外形各异的不同种类工件。截止 到2 0 0 0 年底，我国己安装的激光加工机器人总数为1 0 0 0 台左右。到2 0 0 8 年已 达1 0 0 0 0 台左右，约占我国机器人总数的4 0 。我国当前在生产中用的激光再制 造机器人大部分属于先进六轴关节式机器人。其中，9 4 是从国外进口的，国产 的仅占6 左右。虽然我国激光再制造机器人的数量还不能和先进发达国家相比， 但从国际发展趋势来看，在中国这个市场是很可观的，而且激光加工应用领域在 不断扩大，修复效果及性能也不断提高，并逐步向智能化方向发展。未来时间里， 我国大部分机械制造行业都要满足市场对产品多样化和个性化的要求，并将面临 品种多、批量少、改型快的局面，这给具有一定柔性的激光再制造机器人提供了 天津工业大学硕士学位论文 一个空前的发展机会。 随着激光直接制造和再制造技术的发展，面对航空航天、冶金、汽车等行业 快速原形和快速制造的需求，从2 0 0 2 年起，国际上开始研发激光熔覆机器人【3 】。 我国是世界上最大的发展中国家，拥有千万套国产大型贵重装备和进口高精尖的 昂贵设备，现场快速修复有广阔的市场需求。天津工业大学激光工程中心在天津 市科技支撑计划和国家自然科学基金资助下，开展了激光再制造机器人的研究。 1 2 机器人离线编程技术概述 1 2 1 机器人离线编程概念 在进行工业机器人作业路径规划时，有两种编程方式：在线编程( o n 1 i n e p r o g r a m m i n g ) 和离线编程( o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ) 。在线编程通常指示教再现 ( t e a c h i n g p l a y i n g ) 法，由操作者直接操作机器人手臂对机器人进行示教，如示教 盒示教或操作杆示教，最后编辑并再现示教过的动作。随着作业任务越来越复杂 和应用范围越来越广泛，在线编程满足不了更高的要求，便出现了离线编程技术。 离线编程技术与在线示教不同，脱离实际作业环境生成数据，通过使用计算机生 成三维模型，对生产过程进行仿真。 1 2 2 机器人离线编程意义 机器人离线编程技术是基于三维造型技术建立起机器人本体、加工工件及其 作业环境的三维模型，再利用规划算法，通过对所建的模型进行控制和操作，在 离线的情况下进行作业路径规划【4 】。通过对整个加工过程进行三维图形动画仿真 优化，以检验编程的正确性和最优性，最后将生成的代码传送到机器人控制柜， 以控制机器人运动，完成给定任务。 与在线示教编程相比，离线编程具有如下优点： 1 可大量减少机器人闲置时间，当对下一个任务进行编程时，机器人无需停 产，从而大幅降低生产成本； 2 使编程者远离特殊恶劣危险的工作环境，确保了生产的安全性： 3 便于和c a d c a m 系统结合，做到c a d c a m 机器人一体化： 4 充分发挥高级计算机编程语言和三维造型的优势对复杂任务进行编程； 5 便于对机器人部分程序进行快速修改。 离线编程系统不仅是机器人实际应用的一个必要手段，也是开发和研究任务 规划的有力工具。在设计离线编程系统时应考虑以下几个方面： 3 机器人几何学、运动学和动力学知识； 4 基于三维图形显示和可进行机器人运动优化仿真的软件系统； 5 轨迹规划和检查算法，如检查机器人在运动过程中关节角是否超限，是否 会出现奇异点，检测是否发生碰撞，规划机器人在工作空间的运动轨迹等； 6 传感器的接口和通信，以利用传感器所得信息进行实时控制； 7 通信功能，进行从离线编程系统所生成的运动代码到机器人控制柜的通 讯； 8 用户接口，提供人机交互界面，便于人工实时监控和进行系统的操作。 1 2 3 机器人离线编程技术国内外发展趋势 机器人离线编程与仿真系统是机器人应用与研究不可缺少的工具。它促进机 器人的应用与柔性制造系统( f m s ) 发展【5 j 。国外商品化机器人离线编程软件都 是朝着智能化方向发展。国外商品化离线编程系统都提供的如下基本功能：几何 建模功能、基本模型库、运动学建模功能、工作单元布局功能、路径功能、自动 编程功能、多机协调编程与仿真功能。而科研所开发的系统一般都不具备多机协 调编程与仿真功能。自2 0 世8 0 年代以来，美国、英国、法国、德国、日本及以 色列等许多大学实验室、研所、制造公司对机器人离线编程与仿真系统做了大量 的研究，并取得了大量成果其中有些软件已经商品化。 德国n s i 公司针对造船工业的弧焊机器人开发的企业专用典型系统 r b o p o l n a 。t e n c o m a t 议公司八十年代推出的运行在s g i 、l y n x i 系统的大型机器 人设计、仿真和离线编程系统r o b c a d ，已在实际工业系统中得到了广泛的应 用，美国福特、德国大众等多家汽车公司都使用r o b c a d 进行机器人生产线的 设计、仿真和离线编程。r o b c a d 已在实际工业系统中得到了广泛地应用，成 为世界上流行最广的机器人仿真系统之一。a b b 机器人公司开发的r o b o t s t u d i o 系统是基于w i n d o w s 操作系统的。离线编程系统中控制机器人模型动作的运动 模块和算法采用了与实际机器人控制器中相同的控制算法，所以图形仿真结果和 实际机器人运行结果完全一致，离线编程器中采用了a b b 机器人的r a p i d 语言。 以色列c a m p u c r a r 公司开发了机器人仿真软件r o b o t w o r k s 。r o b o t w o r k s 是一种 c n c 类型的专供工业机器人离线编程用的编程平台。f i j l 、j a c 欧洲机器人公司 和以色列的c o m p u c r a f l 合作开发了f a n u c w o r k s 离线编程软件，在s o l i d w o r k s 平台上开发，利用了c o m p u c r a r 公司的r o b o t w o r k s 产品技术。 天津工业大学硕士学位论文 由于国外工业机器人具有大量应用，因此各大学以及研究机构甚至大型的制 造业公司都在机器人离线编程技术研究方面投入了大量的人力物力。而相比之 下，我国在这方面的投入非常有限。机器人学是多学科高度发展的产物，我们国 家有些基础研究比较落后，使得机器人技术的发展遇到了障碍。另外，我国劳动 力成本较低，也是限制机器人广泛应用的一个因素。尽管如此，国内一些学者和 研究机构也在机器人仿真方面进行了实验性的研刭6 】。 清华大学研制的仿真系统可对p u m a 5 6 0 及类似结构的机器人进行运动学、 动力学轨迹规划，并在此基础上开发了r o b s m 系统。它可使用s v a l 语言作为 输入，增加了三维图形输出和碰撞检查以及传感器仿真、典型动作和典型任务仿 真。南京理工大学开发了h o l p s 离线编程系统。该系统采用模块化设计，具有几 何建模、运动学建模、图形示教、简单的轨迹规划、数据通讯等模块整个系统采 用菜单式驱动【7 j 。 上海交通大学焊接所提出了一种基于p c 的交互式三维可视化离线编程和动 态仿真系统w i r 粕b w r e i d 。采用交互式三维“虚拟示教”方式实现了机器人单道 焊焊接路径的规划和编程，对多层多道焊，则通过采用“宏”技术实现机器人焊 接运动轨迹的自动规划和编程，通过图形化三维动态仿真实现了对机器人程序及 运动轨迹的可靠性和安全性验证。 南京理工大学首先对m o t o m a n s k 6 单机器人的离线编程与仿真进行研究， 对a u t o c a d 和日本软件m r c w o r d 进行二次开发，构建s k 6 机器人模型，实现 机器人本体仿真。二次开发基于a u t o c a d ，研究焊缝几何信息的提取，焊接工 艺参数规划基于知识的推理机制，研究了焊枪姿态规划。 北京工业大学在v c + + 开发平台上自主开发一套离线编程与仿真系统，应用 o p e n g l 图形语言开发几何建模模块，实现从c a d 模型中提取焊缝几何信息； 焊接任务规划通过人机交互方式进行：焊接参数由焊接参数数据库提供；焊接路 径优化考虑到焊缝姿态和焊枪姿态，及对焊缝过渡段姿态和速度圆滑处理。 1 3 激光再制造机器人技术研究现状 1 3 1 激光再制造技术 激光具有诸多的优越性能，自从1 9 6 0 年问世以后来一直倍受关注，不断扩 大各个生产领域。随着工业用二氧化碳激光器、固体y a g 激光器等的光束质量、 激光功率以及工作稳定性的不断提高，激光作为一种特殊的能源( 热源) 在材料加 工领域已经取代大部分陈旧传统的加工方式引。 激光作为一种特殊的加工工具，激光光束本身是没有质量的，所以激光头可 第一章绪论 以做的很轻；激光光束易于传输；激光加工属于非接触式加工，激光与材料之间 不存在切削力的作用；激光光束经过耦合系统聚焦后可以得到很细的光斑，因而 具有高的功率密度一激光的这些优点决定了激光加工过程具有高速、高效、柔性 大、容易实现自动化生产等突出的优势。以下几种情况展示了用激光进行材料加 工的技术优点： 激光切割无毛边现象、窄切口、进给速度快 激光焊接最小工件扭曲现象 激光表面处理能精确加工任意轮廓形 工业上常用的两种大功率激光加工系统有：c 0 2 激光加工系统、固体y a g 激光加工系统和最先进的光纤激光加工系统。在大功率c 0 2 激光加工系统中， 如万瓦级二氧化碳激光器，激光通过光学透镜组来实现激光光束的传输如图1 1 所示。这些镜片组安装在多轴联动数控加工机床上，激光从激光器发射出来后， 经过若干反射镜，传输到激光加工头中。随着不同加工位置的改变，加工机床带 动激光加工头运动，激光束在所需加工工件位置上聚焦，从而实现加工。在加工 过程中，由于加工位置的变化，激光束的光程随之发生改变，这将影响激光束的 能量分布和聚集特性的变化，从而影响加工质量。 图i - i 二氧化碳激光器加工系统 固体y a g 激光加工系统通常采用机器人配合光导纤维进行光束传输，最终 由机器人带动激光工作头完成各种传统数控机床无法完成的复杂运动，y a g 激 光器产生的激光光束通过光导纤维传送到激光加工头，最终到达工件表面。如图 天津工业大学硕士学位论文 1 - 2 所示。光纤传输采用光纤将光束传送到远距离加工点。光纤是连续介质的传 输系统。光纤自身的柔性可以减少机器人加工时的姿态限制，充分发挥了机器人 柔性制造系统的优势。因此能匹配完全的自由空间轨迹加工。光纤是波导传输， 所有的光模式都限制在直径不变的纤芯内进行。芯内的光束模式不发生变化。激 光束在光纤中起始起始阶段有耦合变化，但传播一定距离后模式均匀化，能量分 布不再发生变化。光纤长度超过稳模距离后，光纤运动对光束出射后的模式不造 成影响，加工因此形成均匀稳定过程。因而这种加工系统中，光束的传输和聚集 特性不受加工位置的影响。 t p e r o b o t c o n t r o l l e r ( 重) c o m p u t e r y a gl a s e rf a c i l i t y i n p u tl e n su n i t 6 a x i sr o b o t o p t i c a lf i b e r ( 亘) v i s i o ns y s t e m s p e c i m e ns t a n d ( 豇) p o w d e rd e l i v e r yn o z z l e g ) p t i c a ls y s t e m o u t p u ti e n su n i t ( b ) p o w d e rf e e d e rs y s t e m 哂) s h i e l d i n gg a sc y l i n d e r 图1 1 2 y a g 激光器加工系统 近些年来由于固体y a g 激光柔性化制造系统结合了固体激光吸收率高和机 器手运动灵活等特点，已成为激光再制造领域的一种极其重要的加工系统。机器 人在激光加工中的发挥着重要作用，柔性机器人激光加工单元已大规模的应用于 航天航空、冶金汽车制造等行业中的大型生产线上。 第一章绪论 l - 3 2 机器人离线编程技术在激光再制造中的应用 国内外的商品化离线编程系统研究现状可以看出，国外商业化的机器人离线 编程与仿真软件提供了几何造型、图形仿真、离线编程、碰撞检测、程序上下载 等功能，可是对于激光加工应用来说，面向机器人激光再制造和激光加工的功能 还很不完善，而且价格昂贵。f a n iy c 公司的离线编程软件r o b o g u i d e 中包含 激光焊接和切割的l a s e rt o o l 模块，搬运的h a n d l i n gt o o l 模块、用于 弧焊的a r ct o o l 模块，用于电焊的s p o t t o o l 模块，用于涂胶的s e a l i n g t o o l 模块，用于油漆的p a i n t i n gt o o l 模块等，总价值超过1 0 万美元。哈 工大购买的i g r i p 软件( 含s g it 作站) 约7 万美元，哈尔滨焊接研究所购买的 i g r i p 软件( 微机版) 也要4 万美元1 9 j 。我国的机器人离线编程与仿真技术与国外 成熟的商品化机器人离线编程系统相比还有很大的差距，主要表现在以下几点： 1 ) 国外离线编程系统的几何建模功能比较强，且与其他外部c a d 系统具有 数据交换接口。在柔性制造系统中，这种编程方式使得机器人系统能和c a d 数 据库连接上，这对工厂实现c a d c a m 瓜o b o t i c s 一体化起到很大帮助。这是 因为国外部分系统在几何建模上投入比较大，如i g r i p 、r o b c a d 等。国内自 主开发的系统都是完全自己开发几何建模功能，由于大多数厂商对离线编程系统 不够重视，所以投入较小导致功能不完善，不具有与其他外部c a d 系统的数据 交换接口，从而导致系统人机界面不友好、功能差以及图形效果差等问题。 2 ) 国外专业化离线编程系统除提供了不同型号机器人通用性的功能之外，为 了提高编程效率，还在通用系统之上开发专业化工作的模块，如激光再制造中常 用的淬火、熔覆、切割、焊接等。 3 ) 国外离线编程系统中为了增加加工的精度，大多都将激光加工系统中不同 部分间的关系标定作为主要模块之一，而国内还缺少这方面的研究。 4 ) 国外商品化系统都有多种机器人的接口，可以方便机器人控制柜与计算机 之间程序上传和下载。而国内系统还主要停留在仿真阶段，缺少与实际机器人的 接口，很少关于机器人程序下载与执行的研究。 在国内大部分的表面处理激光再制造如激光熔覆，淬火等和激光加工如激光 切割、焊接、打标等都是通过机器人的示教来完成的，这种加工方式不仅效率低， 重复精确度差，而且对于某些精密复杂件是无法通过在线示教的方式来完成加工 的。因此开发智能化激光现场修复再制造机器人离线编程系统具有重要科学研究 和现实生产意义。 第二章机器人在线示教编程与离线编程 第二章机器人在线示教编程与离线编程 机器人是一种可编程控制装置，工业机器人作业规划可采用在线示教和离线 编程两种方法。在较早时期的机器人大多应用于大批量生产活动，如自动化线生 产线上的搬运、点焊、喷涂等，因为生产线柔性化差，工业机器人所需运动单一 且重复性高，所以编程所花费的时间比较少，示教编程可以满足机器人作业的要 求。 2 i 机器人在线示教编程 在线示教编程通常指示教再现( t e a c h i n g p l a y i n g ) 法，该方法在早期工业机 器人中得到大规模应用。在线示教编程的方式主要有两种，它们分别为手把手示 教( w a l k - t h r o u g h ) 和示教盒示教( l e a d - t h r o u g h ) 。手把手示教时，由操作者直接操 作机器人手臂对机器人进行示教，如示教盒示教或操作杆示教【l o l 。为了在线示 教方便以及获取位姿信息的快速准确，可以选择不同坐标系下示教。例如，关节 坐标系( j o i n t ) ，直角坐标系( r e c t a n g u l a r ) ，工具坐标系( t 0 0 1 ) 或用户坐标 系( u s e r ) 下。使用示教盒示教时，通过示教盒控制机器人的运动，使之末端执 行器移动到需要的位姿上，把每一位置点的位姿信息记录并存储起来，示教的每 个点的位姿是离散的，再用一些插值算法插补出两点间的其余点，然后通过机器 人控制柜内的控制模块对示教点进行曲线拟合，从而实现连续工作过程。在线示 教方法的优点是简单、编程速度快，容易实现，比较成功应用在一些只需要简单 运动轨迹的情况。 2 2 示教编程系统组成及应用 天津工业大学激光工程中心采用的是新型多功能智能机器人f a n u c r - 2 0 0 0 i b ，这种智能化机器人这是为广泛范围应用而设计的，应用包括焊接、装 配、零件转移、材料切割以及机器装载等。新型的f a n u cr 2 0 0 0 i b 兼容其上代 业界领先的六臂机器人f a n u cr - 2 0 0 0 i a 。它的手臂最大负重为1 2 5 k g ，工作范 围大，工作半径达到4 3 m 。具有高性能碰撞检测机能，f a n u c r - 2 0 0 0 i b 机器人 无须外加碰撞检测传感器。如图2 1 所示 9 天津工业大学硕士学位论文 不o o 嘲i 口r ： l 蠢 0 l 均啊甜角嘲 a 孵糟 图2 - 1f a n u c 机器人系统 机器人在线示教编程系统由机器人本体、控制柜及示教盒组成。如图2 2 所 图2 - 2 ( a ) f a n u c 机器人控制柜 控制柜包括机器人控制单元，由示教盒( t e a c hp e n d a n t ) ，操作主板 及其电路板( o p e r a t ep a n e l ) ，主板( m a i nb o r a d ) ，i o 板( i ob o a r d ) ， 电源供给单元( p s u ) ，紧急停止单元( e s t o pu n i t ) ，伺服放大单元( s e r v o a m p l i f i e r ) ，变压器( t r a n s f o 砌污e r ) ，线路断开器( b r e a k e r ) 等。 一、 。 署磊矗磊：二二；= ：泛二1 ：l l4 一芒筹：；秽芽丁印矿7 一铲i # 翟写砖| ：，j ，2 0 、1 | j _ 二x 驻羔j 可j 互：警多i ? 笺t 己荤j 二瑟ji i 。“l 、f j 、 i 躲。删y 司妻鼍，枞l s ；陋。f 。：彭j 夕 i 势于 鞠豫；暑i 篓? ；势强t 摹；争骖0 ，7 二， 。 7 l 漱；o 曩 ；僦疋参| 舞l j 谬爱、r ：缎i 哆尚；搿j ；|； ；l7 ：雾 蟹一：警鬟；7 麓，；| ； 誊；霉：戮糍| ； 羚一：釜? 众；藏| ； 辩未鬻? 等黧引- ；3 z , ! ；l ! o 蟹i ：弘，ii ，i 荔羹越苎flj 图2 - 2 ( b ) f a n u c 机器人示教盒 t p ( t e a c hp e n d a n t ) 示教盒的作用： 1 点动机器人：控制机器人的运动，使之末端执行器移动到需要的位姿上 2 编写机器人程序：把每一位置点的位姿信息记录并存储起来，通过控制模 块把离散的位姿点拟合成连续的路径曲线。 3 试运行程序：生产前完成位置点的连续再现工作过程 4 生产运行：控制机器人进行实际生产 t p 程序显示符号及意义： 行号 程序蝽豪 标恋 冕录滴曩 当前行每 当靛矛 ， 盼 捌q 罅猫童讼黼i ，舰蛐翻 _ 艄l + 嬲，豺一魄 翻幽岫 l ， l 誊 l 毛】麓o 魄，翻i t 3 j参e i 】7 a ta 嘲蹬o _ i l i lt叁 善 加o o m m , 嗽a 嘲 、 。l 矗 ，1 4 1 , 1 摹口钿_ 簟鲫卅潍譬、 l ，l i - ll 毒a t e l j l 蕾 h d l 囊- 鼍簟嘲l 譬碡囊h b m n 睫 f a _ 晖c 嚼冀壤飘f 鞠啊 功能曩集簟 图2 - 3 示教盒工作界面 躬进椭无效 运行扶惑 象教速度 当柏抒，急行数 篓一 茁盼芷鲋 天津工业大学硕士学位论文 2 2 1 示教编程中的运动指令 f a n u c 机器人的运动指令分为直线运动和关节运动两种。使用关节运动能 减少运动时间，直线运动的速度要低于关节运动【1 l 】。直线运动在轨迹运动中比 较精确，但有时对轨迹要求较高，机器人在运动时会遇到奇异点发生运动超限的 故障。关节运动可以自动调整各轴的运动角度，以最佳姿态运行到工作目标 1 ) 关节运动类型 j o i n t 关节运动：工具在两个指定的点之间任意运动； l i n e a r 直线运动：工具在两个指定的点之间沿直线运动； c i r c u l a r 圆弧运动：工具在三个指定的点之间沿圆弧运动； 2 ) 终止类型 ， 机器人运动终止类型分为f i n e 和c n t 两种。在起始位置和终止位置用f i n e 作为运动终止类型，这样可以使机器人精确的运动到起始和终止位置。在加工中 绕过工件的运动选择c n t 运动终止类型，可以使机器人运动更加连贯。 当机器人工具的姿态突变时，会浪费一些运行时间，当机器人工具的姿态逐 渐变化时，机器人可以运动的更快； ( 1 ) 用一个合适的姿态示教开始点； ( 2 ) 用一个和示教开始点差不多的姿态示教最后一点； ( 3 ) 在开始点和最后一点之间示教机器人。观察机器人工具( 焊枪等) 的 姿态是否逐渐变化； ( 4 ) 不断调整，尽可能使机器人的姿态不要突变； 注意：当运行程序机器人走直线时，有可能会经过奇异点，这时有必要使用 附加运动指令或将直线运动方式改为关节运动方式。 2 2 2 在线编程指令 1 寄存器指令 r i l = c o n s t a n t 常数 r i 】寄存器的值 r o i i 信号的状态 t i m e r i 】程序记时器的值 寄存器可进行加、减、乘、除运算。 2 位置寄存器指令 位置寄存器是记录有位置信息的寄存器，可以进行加减运算，用法和寄存器 类似。p r i 和p r i , j ，其中i ：位置寄存器号，j ：i = x2 = y3 = z 4 = w5 = p 6 = r ( 直角 第二章机器人在线示教编程与离线编程 坐标) ，l = j l2 = j 23 = j 34 = j 45 = j 56 = j 6 ( 关节坐标) 。 3 i o 指令 i o 指令用来改变信号输出状态和接受输入信号。 1 ) 数字i o ( d i d o ) 指令； ( 1 ) r 【i 】= d 【i 】 d o 嘲气v a l u e ) v a l u e = o n 发出信号 v a l u e = o f f 关闭信号 ( 2 ) d o i 】= p u l s e ，( w i d t h ) w i d m = 脉冲宽度( o 1t 0 2 5 5 秒) 2 ) 机器人i o ( r i r o ) 指令； 3 ) 模拟y o ( a y a o ) 指令； 4 ) 组i o ( o l g o ) 指令( 用法和数字i 0 指令类似) ； 4 未定义条件的分支指令 1 ) 跳转指令j m p i ：j m p l b l i 】 i ：lt o3 2 7 6 7 2 ) c a l l 指令：c a l l ( p r o g r a m ) p r o g r a m ：程序名 5 定义条件的分支指令 1 ) 寄存器条件指令礤( v a r i a b l e ) ( o p e r a t o r ) ( v a l u e ) ( p r o c e s s i n g ) 2 ) i o 条件指令i f ( v a r i a b l e ) ( o p e r a t o r ) ( v a l u e ) ( p r o c e s s i n g ) 可以通过逻辑运算符“o r ”和“a n d ”将多个条件组合在一起，但是“o r ” 和“a n d 不能在同一行使用。例如 口( 条件1 ) a n d ( 条件2 ) a n d ( 条件3 ) 是正确的 m ( 条件1 ) a n d ( 条件2 ) o r ( 条件3 ) 是错误的 6 条件选择分支指令 s e l e c tr 【i 】 = ( v a l u e ) ( p r e s s i n g ) = ( v a l u e ) ( p r e s s i n g ) = ( v a l u e ) ( p r e s s i n g ) ， e l s e ( p r e s s i n g ) 7 等待指令 1 ) 定义时间的等待语句 w a i t ( v a l u e ) - v a l u e = c o n s t a n t ( ot o3 2 7 6 7 秒) v a l u e = r i 】 2 ) 条件等待语句 ( 1 ) 寄存器条件等待语句w a i t ( v a r i a b l e ) ( o p e r a t 0 0 ( v a l u e ) ( p r o c e s s i n g ) 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) i 0 条件等待语句w a i t ( v a r i a b l e ) ( o p e r a t o r ) ( v a l u e ) ( p r o c e s s i n g ) 可以通过逻辑运算符o r ”和“a n d ”将多个条件组合在一起，但是 o r