（机械电子工程专业论文）多自由度激光加工工业机器人虚拟加工技术研究.pdf

j 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年_ 月解密后适用本规定。 非涉密论文留 论文作者签名：童扯日期：趔 导师签 名：晦日 期：蔓丛生吐 多自由度激光加工工业机器人虚拟加t 技术研究 中文摘要 机器人离线编程技术是对机器人编程语言的一种拓广，在虚拟生产环境中利 用一些规划算法对机器人虚拟加工过程进行控制。相比传统的在线示教编程，离 线编程节约了大量时间，提高了生产效率。因此对多自由度激光加工工业机器人 虚拟加工技术的研究具有重要的意义。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 对激光熔覆技术和国内外激光加工工业机器人研究现状及发展趋势以及 机器人离线编程技术发展现状及其发展背景进行了分析。针对i l 璩1 4 l o 型工业机 器人，论述了机器人的特性、结构参数、运动学基本知识等，并求出机器人运动 学正、反解，并且对机器人的速度进行了分析。 ( 2 ) 分析了机器人轨迹规划的一般性问题，对关节空间的轨迹规划针对不同 的条件分别详述了线性函数插值和三次多项式函数插值；对笛卡尔空间的轨迹规 划则深入研究了直线函数插值和圆弧插值，然后对笛卡尔空间与关节空间轨迹规 划的优缺点进行了比较。 ( 3 ) 利用m a t l a b 软件的g u i 功能设计了多自由度激光加工工业机器人虚 拟运动的仿真软件，通过设置相关的运动参数，最终完成多自由度机械臂运动的仿 真，同时也能够对机械臂运动空间进行分析，更有效地判断机械臂运动空间中有 无空洞或空腔，从而更便于分析机械臂所能达到的运动空间。 ( 4 ) 通过研究o p e n g l 在工业机器人仿真中的应用与其具体实现方法，完成 六自由度激光加工工业机器人离线编程仿真软件的设计和开发。该软件是基于 v c + + 的仿真软件，机器人模型是a b b i i 也1 4 1 0 型工业机器人，主要功能包括机 器人碰撞检测、正运动、逆运动、激光刻字、激光堆积等，从而更有效的仿真六 自由度激光加工工业机器人虚拟加工过程。 关键词：a b b i r b l 4 1 0 机器人；运动学正反解；轨迹规划；激光熔覆；离线 编程 作者：董峰 指导教师：顾军 r e s e a r c ho f 咖a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fl a s e r p r o c e s s i n gr o b o t w i t hm u l t i d e g r e eo ff r e e d o m a b s t r a c t o 搏l i n ep r o 黟a l t 吼i n gt e c i l n o l o g yo fr o b o ti sal a n g u a g ee x t e n s i o no fp r o 酣l i i 】吼i 1 1 9 l a n g u a g eo fr o b o t s ，w k c hu s e sp l a n n i n ga l g o r i t l l mt oc o n t r o lv i r t u a lm a c h i n i n gp r o c e s s o fr o b o ti nav i r t u a lp r o c l u c t i o ne n v i r o r u l l e n t c o m p a r e dt ot r ；a d i t i o n a lo n l i n et e a c l l i n g p r o g r a u = i h n i n g ， o 昏l i n ep r o g r 猢i n gt e c l l i l o l o g ys a v e sal o to ft i m ea 1 1 di n c r e a s e s p r o d u c t i v i t ) ，t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho fv i n l j a lp r o c e s s i n gt e c l 1 0 l o g yo fl 弱e rp r o c e s s i n g r o b o tw i t i lm u l t i d o fi sn e c e s s a r y t l l ew o r km a i n l yf i n i s h e di n c l u d e sa sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h er e s e a r c hs i t u a t i o n 锄dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e d o m e s t i ca i l di n t e m a t i o n a l l a s e rp r o c e s s i n gi i l d u s t r i a lr o b o t sa i l do 停l i n ep r o 鲫m i n gt e c h n o l o g ya n dl 懿e r c l a d d i n gt e c l l i l o l o g y a r ea i l a l y z e d n e n ， f o ri n d u s t r i a lr o b o to fi r b14lo ，t l l e c h a r a c t e r i s t i c s ，鼬m c t u r a lp a r 锄e t e r s ，k i n e m a t i c se t ca r er e s e a r c h e d ，a n dt l l ef o n 2 l r da r l d i n v e r s es o l u t i o l l so fr o b o tl 【i n e m a t i c sa f ec a l c u l a t e d t h e nt h em o v e m e n ts p e e do ft i l e r o b o ti s 锄a l y z e d ( 2 ) 1 1 1 eg e n e r a lp r o b l e m so fr o b o t 订萄e c t o up i 锄i n ga r e 锄a l y z e d ，t h el i n e a ra i l d c u b i cp o l y r l o m i a l6 m c t i o ni n t e 印o l a t i o na r ed e t a i l l yi n n 0 d u c e df o rt i 司e c t o 巧p l 锄越n g o fj o i n ts p a c eu n d e rd i f r e r e n tc o n d i t i o i l s l i n e a rm n c t i o n 锄dc i r c u l a ri n t e 巾o i a t i o na r e d e 印l ys t u d i e df o rt l l e 缸司e c t o 巧p l a i l i n go fc 抓e s i a ns p a c e t h e n ，t h ea d v 锄t a g e s 锄d d i s a d v 锄t a g c so f 缸司e c t o d ，p i 锄i n go fc a n e s i 锄s p a c ea n dj o i n ts p a c e a r ec o m p a r e d ( 3 ) 1 1 1 e 缸1 “o no fm a t l a b sg u ii su s e dt od e s i g i l l es i m u l a t i o ns 0 r 、 ，a r eo f l 勰e rp 瞅e s s i n gi n d u s t r i a lr o b o t 谢mm u i t i d e g r e eo ff r e e d o m t h r o u 印t l l er e l e v 觚t m o t i o np a f a m e t e 璐a r e t t e d ，m em o t i o no fm e c h 砌c a l 锄s 、“t i lm u l t i - d e 罂e eo f 陀e d o mi ss i m u l 砷e d 锄dt h em o v e m e n ts p a c eo fm e c h 绷i c a la m l si sd e t e c t e di i lo r d e r t 0d e t e c tw h e t l l e rt h e r ei sm ee m p t ys p a c eo rc a v i t ya l l da n a l y z ee f r e c t i v e l ym e m o v 啪e n ts p a c ew l l i c hm e c h 锄i c a l 锄sc 觚陀a c h ( 4 ) t h o u g ho p e n g la p p l i c a t i o na n di t ss p e c i f i ci m p i e m e n t a t i o nm e t h o d sa r c r e s e a r c h e di nt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a lr o b o t ，t 1 1 eo f l i n ep r o g r a m m i n g s i m u l a t i o ns o r w a r eo fl 嬲e rp r o c e s s i n gi n d u s t r i a ir o b o tw i t hs i xd e g r e e so ff r e e d o mi s d e s i g n e d t h es o r w a r ei sas i m u l a t i o ns o 小a 鹏b a s e do nv c + + s o r w a r e ，a n dt h er o b o t p r o t o t y p ei saa b b i r b14 1oi n d u s t r i a lr o b o t ，a n dt h em a i n 如n c t i o n si n c l u d ec o l l i s i o n d e t e c t i o n ，f o m ，a r dm o v e m e n t ，r e v e r s em o v e m e n t ，l a s e re n g r a v i n g ，l a s e rd e p o s i t se t c t h e r e f o r ，v i r t u a lm a c h i n i n gp r o c e s so fi a s e rp r o c e s s i n gi n d u s t r i dr o b o t s 、) r i t hs i x d e g r e e so ff r e e d o mi sm o r ee f | f e c t i v e l ys i m u l a t e d k e yw o r d s ：a b b i r b l41or o b o t ；t l l ef o r w a r da n di n v e r s es o l u t i o no fr o b o t l 【i n e m a t i c s ；n 司e c t o r yp l a n n i n g ；l a s e rc l a d d i n g ；o f n i n ep r o g r a r i 啪i n g i i i w r i t t e n b y ：f e n gd o n g s u p e r v i s e db y ：j u n g u 目录 第一章绪 仑1 1 1 本文研究的目的及意义2 1 2 激光熔覆技术2 1 2 1 激光熔覆技术及其特点3 1 2 2 激光熔覆在工业中的应用3 1 2 3 激光熔覆发展方向3 1 3 国内外激光加工工业机器人研究现状及发展趋势4 1 3 1 国内外激光加工工业机器人研究现状4 1 - 3 2 激光加工工业机器人发展趋势5 1 4 国内外机器人离线编程技术发展现状6 1 5 激光加工机器人简介1 0 1 5 1 激光加工机器人组成1 0 1 5 2 激光加工机器人工作原理1 0 1 6 本文主要研究的关键技术1 2 第二章机器人运动学分析1 3 2 1 机器人运动学概述l3 2 2i r b l 4 1 0 型工业机器人运动学正、反解1 3 2 2 1 i r b l 4 1 0 型工业机器人及其特性和结构参数”1 3 2 2 2 机器人运动学正解1 5 2 2 3 机器人运动学反解2 0 2 3i r b l 4 l o 型工业机器人速度分析2 3 2 3 1 i r b l 4 1 0 型工业机器人雅可比矩阵”2 3 2 3 2i r b l 4 1 0 型工业机器人速度分析2 4 2 4 本章小结2 6 第三章 i r b1410 型机器人轨迹规划2 7 3 1 机器人轨迹规划的概述2 7 3 2 机器人轨迹规划的一般性问题2 7 3 3 关节空间机器人轨迹规划”2 9 3 3 1 线性插值的关节空间轨迹规划3 0 3 3 2 三次多项式插值的关节空间轨迹规划3 0 3 4 笛卡尔空间机器人轨迹规划”3l 3 4 1 笛卡尔空间直线轨迹规划方法3 2 3 4 2 笛卡尔空间圆弧轨迹规划方法3 3 3 4 3 笛卡尔空间姿态插补方法3 8 3 5 本章小结3 8 第四章机器人在m a t l a b 软件中的运动仿真分析。3 9 4 1 机器人运动仿真的概述3 9 4 2 机械臂可视化仿真软件的建立3 9 4 3 机器人三维运动仿真及运动空间分析4 l 4 3 1 机器人旋转运动4 l 4 3 2 机器人运动空间分析4 2 4 4 本章小结4 3 第五章基于i r b l 4 i o 型工业机器人离线编程系统设计4 4 5 1 离线编程系统简介及结构4 4 5 1 1 离线编程系统简介4 4 5 1 2 一般机器人离线编程系统结构4 4 5 2o p e n g l 的介绍4 6 5 2 1o p e n g l 的概述”4 6 5 2 2m f c 中使用o p e n g l 的方法4 7 5 2 3 离线编程系统场景的研究5 3 5 2 4 离线编程系统中对于图形渲染技术5 6 5 3 离线编程系统关键技术的研究5 9 5 3 1 离线编程系统模型的研究5 9 5 3 2 面向对象的程序设计方法的应用6 0 5 3 2 1 面向对象设计方法的设计准则和局限性6 0 5 3 2 2 面向对象设计的机器人离线编程系统结构6 l 5 3 3 关于场景中通过鼠标选取物体的方法6 l 5 3 3 1 场景中模型的标号设置6 l 5 3 3 2 场景中模型的物体识别6 l 5 4i r b l 4 l o 型机器人离线编程仿真软件介绍6 2 5 4 1 i r b l 4 l o 型机器人离线编程仿真软件系统结构6 2 5 4 2i r b l 4 1 0 型机器人离线编程仿真软件的简介6 3 5 4 3i r b l 4 1 0 型机器人离线编程仿真软件的功能6 4 5 5 本章小结6 9 第六章总结与展望。7 0 6 1 总结7 0 6 2 展望一7 1 参考文献7 2 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文。7 6 附录 7 7 致谢9 0 多自由度激光加t r t 业机器人虚拟加t 技术研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的目的及意义 自第一台工业机器人( u n i m a t e 型) 在美国问世至今已4 5 年了，机器人技术正 在以前所未有的速度向前发展。据国外专家预测，2 l 世纪将是机器人技术革命的 世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义 上的自动化 。机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，综合了 机构学、信息学、传感技术、计算机、控制论、人工智能、仿生学等多学科而形 成的高新技术【1 捌。 工业机器人学是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就【3 】。它 在提升现代化技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方面具 有重大的作用，并且由于工业机器人是一种对生产条件、生产环境以及产品的更 新换代的适应性和灵活性很强的柔性自动化设备，其应用大大缩短了新产品的更 新周期，从而提高了产品在市场上的竞争力【4 j 。机器人技术及其产品发展迅猛，已 经成为柔性制造系统( f m s ) 、自动化工厂( f a ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 的自动 化工具【5 l 。 工业机器人是一种能够可重复编程、多功能、自动控制、多自由度的操作机 器，一般用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车 制造、某些家电产品、摩托车制造、舰船制造、化工等行业自动化生产线中的点 焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等作业。 近年来激光技术飞速发展，涌现出可与机器人柔性耦合的光纤传输的高功率 工业型激光器。先进制造领域在自动化、智能化和信息化技术方面的不断进步， 从而促进了机器人技术与激光技术的结合，特别是汽车产业的发展需求，带动了 激光加工机器人产业的形成与发展。 激光加工技术与工业机器人技术的结合是现代先进加工制造技术发展的必然 趋势之一。工业机器人是可编程序的、多功能的操作机，常用于移动材料、零件、 刀或其它工具，其手部可按指定工作路线完成特定任务。而激光束可在多种材料 上进行切割、穿孔，对金属材料进行焊接、表面硬化、合金化处理、包复金属、 第一章绪论 多自由度激光加工工业机器人虚拟加工技术研究 涂层、剥离、打标记、熔覆等。因此工业机器人操纵激光器进行加工是当今制造 业向柔性化发展的重要方向之一。 1 2 激光熔覆技术 1 2 1 激光熔覆技术及其特点 激光表面熔覆技术是在激光束作用下，将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅 速加热并熔化，光束移开后自激冷却的一种表面强化方法，激光熔覆过程如图1 1 所示【6 1 。 图l - l 激光熔覆过程示意图 同其他表面强化技术相比，它具有的优点有：( 1 ) 能进行选区熔覆，材料消耗 少，具有卓越的性能价格比：( 2 ) 光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆；( 3 ) 工艺 过程易于实现自动化；( 4 ) 冷却速度快，组织具有快速凝固的典型特征；( 5 ) 热输入 和畸变较小，涂层稀释率低，易于基体呈冶金结合；( 6 ) 粉末选择几乎没有任何限 制，特别是在低熔点金属表面熔覆高熔点合金。 依送粉工艺的不同可分为两类：预置涂层法和同步送粉法，如图1 2 所示。预 置涂层法是先将粉末与粘结剂混合后涂在基体表面，干燥后进行激光加热；同步 送粉法是在激光照射到基体的同时侧向送粉，粉末熔化后基体微熔，冷却后得到熔 覆层，在此基础上已成功地发展了一种新工艺一激光金属成形( l 硒e r m e t a l f o 咖i n g ) 【7 1 。两种工艺方法虽不同，但效果相近，熔覆层通常与施加的合金粉末的 化学成分相近，只有在界面结合层的较窄范围内，施加合金粉末才受到基体的稀 释。良好的熔覆层应有良好的冶金结合，即最小的稀释率和变形程度，因而就要 2 多自由度激光加工丁业机器人虚拟加t 技术研究第一章绪论 求：( 1 ) 材料具有一定塑性来补偿热应变，防止形成裂纹；( 2 ) 熔覆层与基材料的熔 点相近，以保证两者间的稀释最小；( 3 ) 避免脆性相的形成，确保界面结合强度。 l - 激光束 i i ： li ： ll 一 ii 激光 i ： i ： l - 一 ： 嘴 ( a )( b ) 图卜2 激光熔覆技术原理示意图 ( a ) 预置涂层法：( b ) 同步送粉法 1 2 2 激光熔覆在工业中的应用 应用激光对材料表面进行处理与改性是当前最引人注目的一项高新技术。早 在7 0 年代末，美国a v c o 公司就对汽车发动机许多易磨损件进行了激光熔覆的可行 性研究，但由于当时大功率激光器尚未商业化，未能使此技术得以真正推广应用。 而后英国的r o l l s r o y c o 公司用激光熔覆技术解决了燃气轮机叶片的磨损问题，与 原用的t i g 堆焊工艺相比，工时缩短了l l 倍，金属粉末材料消耗减小了5 0 ，开辟 了激光熔覆的新局面，同时随着大功率激光器的日益商业化，带动了激光熔覆技 术的迅猛发展，加快了此技术工业应用的步伐。目前激光焊接、激光切割以及激 光热处理等技术在生产中的应用越来越多，并产生了明显的经济效益。现今，激 光熔覆在工业中的应用大致体现在以下几个方面： ( 1 ) 在汽车工业中的应用； ( 2 ) 改善金属材料的耐蚀性； ( 3 ) 在模具上的应用； ( 4 ) 在轧辊行业中的应用； ( 5 ) 在航空航天工业中的应用航空发动机钦合金和镍基合金摩擦副的接触。 1 2 3 激光熔覆发展方向 第一章绪论 多自由度激光加工工业机器人虚拟加工技术研究 近年来，激光熔覆技术已有很大的进展，某些方面已进入实际工业应用阶段， 但是由于该技术发展时间较短，还存在许多困难，在以下几个方面还需要做大量 细致的工作i 剐： ( 1 ) 研究激光熔覆对材料力学、耐蚀、高温蠕变及摩擦磨损性能的影响； ( 2 ) 从热力学和外延生长的角度出发，系统研究激光熔覆快速凝固行为，包 括各种亚稳相的形成规律、组织特征及溶质在凝固过程中的分配规律，借以进一 步完善快速凝固理论； ( 3 ) 建立更接近实际的熔池中的能量、动量和质量传输模型，通过数值分析来 得到熔池中的定量信息，以期进一步理解该技术的相变规律； ( 4 ) 结合大功率激光器的开发和激光光学系统的设计，解决大面积熔覆的工 艺问题，并进一步提高熔覆层的表面质量。 1 3 国内外激光加工工业机器人研究现状及发展趋势 1 3 1 国内外激光加工工业机器人研究现状 从2 0 世纪9 0 年代开始，德国、美国、日本等发达国家投入大量人力物力进 行研发激光加工机器人。进入2 0 0 0 年，德国的k u k a 、瑞士的a b b 、日本的f a n i i c 等机器人公司均研制出激光焊接机器人和激光切割机器人等系列产品。目前，在 国内外汽车产业中，激光焊接机器人和激光切割机器人已成为最先进的制造技术， 并获得了广泛的应用。德国大众汽车、美国通用汽车、日本的丰田汽车等汽车装 配生产线上，已大量采用激光焊接机器人代替传统的电阻点焊设备，不仅提高了 产品的质量，而且减轻了汽车车身重量，还节约了大量的材料，从而使企业获得 很好的经济效益，提高了企业市场竞争能力。在中国，一汽大众、上海大众汽车 公司也引进了激光机器人焊接生产线。目前有沈阳新松机器人公司已经发展了到 激光切割和焊接机器人制造领域们。 随着激光直接制造和再制造技术的发展，为了满足航空航天、冶金、汽车等 行业快速原形和快速制造的要求，从2 0 0 2 年起，国际上开始研发激光加工机器人。 天津工业大学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，其研究所使用的是f a n i7 c 公司机器人离线编程r o b o t g u i d 系统软件叫卯。该软件是一种自控软件，它通过使用虚拟机器人控制技术来仿真模 拟实际机器人作业的机器人模拟软件，运用于w i n d o w s 环境。 机器人与激光加工相结合，不仅可以大幅度地延长其使用寿命，降低生产成 4 多自由度激光加t t 业机器人虚拟加工技术研究 第一章绪论 本，提高生产效率和产品质量，而且它的使用范围及系统的可重构性有了极大的 拓展。虽然激光加工工业机器人取得了广泛的工业应用，但由于它是基于激光技 术和机器人的高度集成系统，激光加工又是复杂的智能工程，激光加工机器人仍 处于初期发展阶段，许多技术问题尚待开发研究解决。国外在激光工业机器人一 体化加工方面发展迅速，取得了较大的进步，然而在国内刚刚开始应用，无论激 光领域还是工业应用领域对它还处于缓慢的发展状态。 1 3 2 激光加工工业机器人发展趋势 激光加工机器人是激光技术和机器人技术高度结合而诞生的一种新型先进制 造技术，它具有负载小、多参数多自由度加工、批量加工和在线加工、多信息多智 能融合等特点。为了适应众多工业应用领域发展的需要，激光加工机器人将沿着 在线化、专业化、信息化、智能化和网络化主线发展，呈现以下几个发展趋势【8 l ： ( 1 ) 激光加工机器人的专业化、系列化：激光加工机器人除了在线生产需要外， 在小批量生产、个性化制造、技术开发和科学研究中都有大量应用。因此，应针 对不同激光机器人的特点，设计与普通机器人不同的专用机器人。 ( 2 ) 高光束质量激光束远程制造技术：传统的高功率激光器光束质量差，发散 角度大，使光束焦缩短，所以只能在很短距离内工作，不能进行复杂的空间加工， 光束缺乏加工柔性。而光纤激光器和盘状激光器具有优良的光束质量，光束几乎 呈平行传输，是实现激光远距离加工的首选光源。 ( 3 ) 激光加工机器人的在线化作业：激光加工机器人非常适合大批量重复性的 生产，应针对不同行业生产线要求，设计满足在线生产的激光机器人。 ( 4 ) 高功率激光器及光束柔性传输技术：光束可柔性传输的高功率激光器( 光 纤激光器、盘状激光器、半导体激光器等) 以及光纤技术( 制造、传输和耦合技术) 将获得快速发展。 ( 5 ) 机器人开放式数字化控制技术：针对目前机器人数控系统不开放情况，重 点研发开放式、模块化数字控制系统，人机界面更加友好。开放性的离线编程仿 真技术将成为研究重点。 ( 6 ) 机器人本体结构轻量化设计：选择新的高强度轻质材料，大幅度减轻本体 结构自身重量，本体机构设计向着模块化、可重构方向发展。为满足激光微加工 的需要，微型和微小机器人技术应提到同程。 ( 7 ) 机器人的智能化控制技术：激光加工是个复杂的物理场，机器人除了具有 第一章绪论 多自由度激光加下t 业机器人虚拟加工技术研究 位置、形状机器视觉外，还需要具有声、光、电、磁、热和力等多种传感系统。 进一步开发机器视觉技术和听觉技术，应用人工智能的理论和方法对检测信息进 行处理，使机器人具有高级智能和决策能力。 ( 8 ) 机器人的网络化管理技术：机器人在线生产和批量生产中，为解决多机器 人和操作者之间的协调控制问题，通过网络建立大范围内的机器人远程监控系统。 发展基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感知技术，实现机器人的虚拟遥 控操作和人机交互。 1 4 国内外机器人离线编程技术发展现状 国外机器人离线编程系统的研究始于7 0 年代末，许多大学实验室、研究所、 制造公司对机器人离线编程与仿真技术进行了大量的研究，并开发出原型系统和 商品化应用系统，对机器人技术发展及在各行业应用发挥了巨大作用【1 5 1 。国外 机器人离线编程软件都是朝着智能化方向发展。表1 1 所示为国外主要的机器人 离线编程与仿真系统。 表卜1 国外主要的机器人离线编程与仿真系统 软件包 生产公司或研究机构 r o b e x a a c h e n ，g e n n 锄y g r a s p u n j v e r s i t yo fn o t t i n g h 砌，u k p l a c em c a u t om 锄u f a c t u r i n 吕u s a r o b o t s i mc a l m ac o r p ，u s a r o b o g r a p h i x c 0 m p u t e rv i s i o nc o 叩，u s a a u t o m o d 锄da u 觚r a ma u t os i m u l a t i o ni n c ，u s a i g r i pd e n e bi n c 。u s a r c o d es r i u s a r o f a c es c i e n c em 矾a g p m e n tc o r p ，u s a x p r o b ei b mr e s e 孤hc e n t e r u s a r o b c a dt e c n o m a t i xc o 叩，u s a c i m s t a t i o n s i l m ai n c ，u s a w o r k s p a c e r o b o ts t i m u i a t i o n si n c ，u s a s m a r u n i v e r s 时d ep o i t i e r s ，f r a n c e 下面介绍几个典型的离线编程系统： w o r k s p a c e 【1 7 1 8 1 是美国r o b o t ss t i m u l a t i o n 公司开发的第一个商品化的基于微机 6 多自由度激光加工工业机器人虚拟加t 技术研究第一章绪论 的机器人离线编程与仿真通用软件，其几何建模以a c i s 为基础，可用于焊接、切 割、喷漆等多个领域。除了具有强大的图形示教功能，还具有某些情况下基于任 务级编程语言的自动编程能力。 r o b c a d 【1 8 2 0 】是美国t e c n o m a t i x 公司2 0 世纪8 0 年代推出的，运行于s g i 图 形工作站、u n i x 操作系统下的大型工业机器人离线编程与仿真系统。r o b c a d 由机械设计建模模块、工作单元布置模块、任务描述模块、仿真模块、数据管理 模块及机械制图模块6 部分组成，主要功能有：二维、三维几何造型，并可与其它 c a d 软件如i g e s 、g e o m o d 等兼容；工作单元设计布局、路径规划及仿真干涉 检查；提供了十几种机器人控制语言接口，具有机器人作业程序的上传和下载功 能。该软件为用户提供了良好的人机界面，并且使用方便。它已成为世界上最流 行的机器人离线编程和仿真系统之一。 m o t o m a n 机器人公司提供的m o t o s i m 离线编程系统也是基于w i n d o w s 操 作系统，用户操作方便。系统集成了所有型号的m o t o m a n 机器人、变位机和各 种周边辅助设备的图形模型。m o t o s i m 本身没有标定模块，如果离线编程的程序 想下载给机器人执行，则必须安装m o t o c a 软件，软件提供了标定m o t o m a n 机 器人的方法。 f u n a c 欧洲机器人公司和以色列的c o m p u c r a r 合作开发了f u n a c w b r k s 离线编 程软件，在s o l i d w b r l 【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 b r l ( s 产品技 术。 i g p 【2 1 l 是由美国d e n e br o b o t i c s 公司开发的交互式机器人离线编程与仿真软 件，主要用于机器人工作单元布置、仿真及离线编程，并可以对工作单元进行碰 撞检查和导入其它格式的c a d 数据，可以显著地降低工程准备时间，提高制造精 度和质量。此外，它还通过一个共享库为用户提供一些更高级的功能。 r o b o ts t u d i o 【2 3 2 6 1 是a b b 公司发行的基于w i n d o 、v s 操作系统的专用机器人模 拟与离线编程工具，它以a b b n u a lc o n t r o l l e r 为基础，因此，图形仿真结果和实 际机器人运行结果完全一致。它本身的造型功能有限，可以导入s o l i d w | o r k s 、c a t i a 、 p r o e 等软件生成的工件模型。 这些软件无论是算法还是结构各有一定特色，但总而言之，国外机器人离线 编程系统都会提供如下基本功能：几何建模功能、运动学建模功能、工作单元布局 功能、路径规划和检测功能、自动编程功能、运动仿真功能等功能。在应用需求 7 第一章绪论 多自由度激光加工工业机器人虚拟加t 技术研究 推动下，离线编程系统也在逐渐采用面向任务的编程语言，采用融合多传感器的 机器人建模方法，进一步完善误差标定及补偿问题。 与国外机器人离线编程相比，我国的机器人离线编程研究起步比较晚，从8 0 年代中期以来，国内一些大学和研究所相继开始开发了不同层次的离线编程系统 【1 8 1 9 ，2 5 3 0 1 ，例如哈尔滨工业大学国家重点焊接实验室是国内最早主要针对弧焊离线 编程系统进行研究的实验室，开发出机器人c a d c a m 系统一ra w c a d ，但其功 能缺少造型功能，模型需要从外部导入，而且功能较为简单【1 7 】。仿真系统h o l p s s 是熊有伦院士领导的团队自主开发的机器人仿真系统。该软件采用面向对象的技 术，考虑了离线编程中所有要解决的问题，但该系统没有充分结合c a d 图形特点 来编程，所以其应用得到一定的限制。 北京工业大学在此基础上也自主开发了一套离线编程与仿真系统。该系统在 v c + + 开发平台上，应用o p e n g l 图形语言开发了几何建模模块，用户可以从c a d 模型中提取焊缝相关的几何信息，焊接任务规划通过人机交互的方式来进行，用 户可以添加、修改，焊接路径优化模块，同时也考虑到焊缝姿态和焊枪姿态，同 时该系统也提供了机器人模型标定模块。 南京理工大学的王克鸿教授等对m o t o m a ns k 6 机器人研究设计了离线编程与 仿真系统a w o p s 【2 9 1 ，该系统主要针对a u t o c a d 和m r c w b r d 进行了二次开发， 同时也对工件特征提取、几何建模、空间焊缝姿态规划、焊接参数规划、机器人 程序自动生成、机器人图形仿真及通讯进行了初步的研究，具有机器人本体初步 的仿真功能。 另外，沈阳自动化所在国内首先自主开发了基于工作站的双机器人装配离线 编程系统。 从国内目前研究水平来看，现阶段国内的工业机器人离线编程系统大多是针 对特定机器人进行开发，且多为单机仿真，而且运动学和动力学算法上也没有达 到离线编程系统所应有的功能，但是成熟的工业机器人离线编程软件比较少。因 此，与国外先进技术相比，我国的机器人离线编程与仿真技术还有相当大的差距， 其中主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 对多机器人协作离线编程系统的究所涉及的范围比较少； ( 2 ) 对离线编程中误差校正和误差分析还缺少一定的研究： ( 3 ) 离线编程系统和仿真系统的几何建模功能还需要进一步完善，并且与其 8 多自由度激光加t t 业机器人虚拟加- t 技术研究第一章绪论 它外部c a d 软件的兼容性较差，所以还需要进一步对用户接口和通讯接口进一步 的研究。 机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果， 建立起机器人及其工作环境的模型，再利用一些规划算法，对图形的控制和操作。 机器人离线编程系统已经被证明是一个有力的工具，用以增加安全性，减小机器 人非工作时间和降低成本等。表1 2 给出了示教编程和离线编程两种方式的比较。 表卜2 示教编程和离线编程两种方式的比较 示教编程离线编程 需要实际机器人系统和工作环境需要机器人系统和工作环境的图形模型 编程时机器人停止工作编程不影响机器人工作 在实际系统上试验程序通过仿真试验程序 编程的质量取决于编程者的经验可用c a d 方法，进行最佳轨迹规划 很难实现复杂的机器人运动轨迹可实现复杂运动轨迹的编程 与在线示教编程相比，离线编程系统具有如下优点： ( 1 ) 可减少机器人工作时间，当对下一个任务进行编程时，机器人仍可在生 产线上工作：( 2 ) 使编程者远离危险的工作环境；( 3 ) 使用范围广，可以对各种 机器人进行编程；( 4 ) 便于和c a d c a m 系统结合，做到c a d c 舢w 机器人一体化； ( 5 ) 可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程；( 6 ) 便于修改机器人程序。 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。通过离线编程可建立其机器人与c a d c a m 之间的联系。一般离 线编程系统主要由用户接口、机器人系统构型、运动学计算、轨迹规划、动力学 仿真、并行操作、传感器仿真、通信接口和误差校正等部分组成。设计离线编程 系统应考虑以下几方面的内容： ( 1 ) 机器人工作过程的设计：( 2 ) 机器人和工作环境三维实体模型；( 3 ) 机 器人几何学、运动学和动力学知识；( 4 ) 基于图形显示和可进行机器人运动图形 仿真的软件系统；( 5 ) 轨迹规划和检查算法，如检查机器人关节超限，检验碰撞， 规划机器入在工作空间的运动轨迹等：( 6 ) 、误差校正模块，进行工具标定、工件 标定、机器人模型标定及零位标定等工作；( 7 ) 、传感器的接口和仿真，以利用传 感器的信息进行决策和规划；( 8 ) 、通讯功能，能够进行从离线编程系统所生成的 运动代码到各种机器人控制柜的通讯；( 9 ) 、用户接口，提供有效的人机界面，便 9 第一章绪论 多自由度激光加t t 业机器人虚拟加工技术研究 于人工干预和进行系统的操作。 1 5 激光加工机器人简介 1 5 1 激光加工机器人组成 机器人是高度柔性加工系统，所以要求激光器必须具有高度的柔性，目前选 用可光纤传输的激光器。智能化激光加工机器人主要包括【3 1 3 刀：( 1 ) 高功率可光 纤传输激光器；( 2 ) 光纤耦合和传输系统；( 3 ) 激光光束变换光学系统；( 4 ) 六 自由度机器人本体：( 5 ) 机器人数字控制系统( 控制器、示教盒) ；( 6 ) 计算机离 线编程系统( 计算机、软件) ；( 7 ) 机器视觉系统；( 8 ) 激光加工头；( 9 ) 材料进 给系统( 高压气体、送丝机、送粉器) ：( 1 0 ) 激光加工工作台。图1 3 所示为一 种激光熔覆机器人的示意图。 1 5 2 激光加工机器人工作原理 从高功率激光器发出的激光，经光纤耦合传输到激光光束变换光学系统，光 束经过整形聚焦后进入激光加工头。根据用途不同( 切割、焊接、熔覆) 1 3 q 选择 不同的激光加工头，配用不同的材料进给系统( 高压气体、送丝机、送粉器) 。激 光加工头装于六自由度机器人本体手臂末端，如图卜4 所示。激光加工头的