（光学工程专业论文）面向激光加工的六轴机器人离线编程研究.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 面向激光加工的六轴机器人离线编程研究 手两要 本文主要研究的是一种新型的机器人编程技术，从c a d 模型中直接生成机 器人的执行程序。机器人编程技术的发展可分为三个级别：示教级、操作手级、 任务级。示教级：操作者操纵示教盒，移动机器人到指定位置的示教点，此时 机器人的控制系统记录下当时位置参数、速度参数和一些其它的相关参数，并 且自动生成相应的移动指令。操作手级：通常使机器人末端执行器从一个位置 运动到另一个位置的系列命令组成，所以也称为动作级编程。任务级：这是 当前机器人编程的最高级别。任务级编程时，编程者只给机器人直接下达执行 某一确定任务的命令，应用人工智能的技术使机器人自动完成指定任务，而不 需要指定机器人每一个动作的细节。 工业机器人在激光柔性加工中的应用已曰益广泛，但通常是在加工现场通 过人工在线示教的方式来编程的，这是件非常枯燥和单调的工作。基于目前 加工过程中的实际情况，急需开发机器人的离线自动编程。离线编程不对实际 作业的机器人进行示教，而是通过计算机中存储的c a d 模型，直接生成机器人 加工程序，这样就解决了限制加工效率提高的瓶颈问题。并且对离线编程中的 关键技术，即从c a d 模型中提取激光加工轨迹数据信息，然后在这些原始数据 的基础上，如何自动生成机器人的可执行文件，作了着重分析。这些技术，保 证了离线编程的实用性和开放性，具有理论和实际意义，已经在激光加工中取 得较好的应用。 关键词：机器人编程；离线编程；c a d ：激光加工 ：! 奎三些銮兰三兰至圭= 垒鎏兰 s t u d yo fslxd e g r e e0 ff r e e d o mr o b o t o f f l l n ep r o g r a 嬲期l n gl nl a s e rp r o c e s s l n 8 焱b s tr a c t 下b i s p & p e ri n v e s 毫i 9 8 t e s 8n o v e l r o b o t p r o g r a # g n i n ga p p r o a e h t h a t g e n e r a t e sar o b o tp r o g r a ma u t o m a t i c a l l yf r o m ac a dm o d e l ，r h ed e v e l o p m e n t o f r o b o t p r o g r a m m i n gt e c h n i q u e s c a nb e c a t e g o r i z e d a sl e a d t h r o u g h p r o g r a m m i n g ，m a n i p u l a t o r l e v e ll a n g u a g e sa n d t a s k l e v e ll a n g u a g e s i n t h el e a dt b r o u g h 辩e t h o d s ，t h ep r o g r a m m e rn e e 甚st op h y s i c 8 lm o v et h er o b o t t h r o u g ht h ed e s i r e dp o s i t i o n so rp a t h sa n dr e c o r dt h em o t i o ni n t o t h e c o n t r o l l e rm e m o r y m a n i p u l a t e l e v e lm e t h o d su s es y m b o l i c s t r u c t u r a l i a n g u a g e s t od e s c r i b et h er o b o tm o t 玉9 n t 8 s k l e v e l 8 p p r o a e h e s h j a y i n e o r p o r a t ea n d 疆s en a t u r a ll a n g 驻8 9 e st od e s e f i b et h er o b o tt a s ki 拜艄 o bj e c t i v e o r i e n t e dr a t h e rt h a nm a n i p u l a t o r o r i e n t e dw a y n o w a d a v s i n d u s t r i a l r o b o t s a r eu s e d e x t e n s i v e l y f o r s i m p l e ， r e p e t i t i v e b o r i n ga n dh a z a r d o u si nl a s e rp r o c e s s i n g t h e r ea r eb a s i e a l l y t w o孺e t h o d sf o rp r o g r 8 m l l l i n gi n d u s t r i 8 lr o b o t s ，n a l l l e l y ， o n l i n e8 n d o f f 一1 i n e o n l i n et e a c h i n g ，ap r o c e s st h a ti st e d i o u sa n dt i m e c o n 8 u m i n g ， u s u a l l yd r o g r a m sr o b o t si ni n d u s t r y i nt h ep r o c e s s o ft e a c h i n g ，t h er o b o t i sm a n u a l l ym o v e dt oan u m b e ro fd e s i r e do fp o s i t i o n s ， a n dt h er o b o t e o n t r o ls y s t e 辩s t o r e st h ee o o r d i n a t e so ft h ep o s i t i o 秘s 。b yt h i s 群a y ，t h e p r o 爨r a “lisw r it t e nt h a tw ills t e pt h er o b o tt h r o u g ht h es e q u e n c eo ft h e t a u 盛h tp o i n t s t oo v e r c o m et h ep r o b l e m s i no n l i n e p r o g r a m j n i n g ， w e d e v e l o pt h eo f f li n ep r o g r a m m i n gw h i c hg r e a t l yi m p r o v e t h ee f f i e i 8 n c y o fr o b o t s 。f o re x a 嚣器l e ，i ta l l o 辩s 鑫p p l i e a t i o np r e p 8 r e ds e p 8 r a t e l y ，s o t h a tt h er o b o tc a nc o n t i n u et op e r f o r mt h ec u r r e n tj o b ，w h i c hw i l lg r e a t l y r e d u c et h ew a i t i n gt i m e i no r d e rt or e a l i z el a s e rp r o t o t y p i n g ， t h e f o ll o w i n gs t e p sa r en e e d e d 8 a s e do n6 a x i sr o b o t ，t h i s p a p e r s ￥s t e 孺a t i e a l l y s t 娃d i e dt h eb a s i ep r i n e i p l e8 n d 班e t h o d o fo f f l i n e p r o g r a m m i n gf o rd i r e c t l a s e rf a b r i c a t i o ns y s t e mw i t hm e t a lp o w d e r k e y w o r d sr o b o tp r o g r a m m i n g ：o f f l i n ep r o g r a m m i n g ：c a d ：l a s e rp r o c e s s i n g 第章诸论 第一章绪论 1 1 引言 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问世以来， 在短短不到4 0 年的时间中，机器人技术得到了迅速的发展，目前，世界已拥 有近1 0 0 万台机器人，其中主要是工业机器人。工业机器人是一种对生产条件 和生产环境的适应性和灵活性很强的柔性自动化设备。在技术发达国家中，工 业机器人已在生产中得到了广泛的应用。工业机器人的应用使产品质量及生产 率得到了很大提高，并且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，从而提高了产品在市场上 的竞争力。在2 1 世纪，机器人技术将继续是科学与技术发展的一个热点。 工业机器人发展至今，已经成为一门新学科、一项新技术，也是增长最快 的新产业之一i ”。根据国际机器人联合会1 9 9 9 年世界机器人统计数据，1 9 9 9 年底全世界安装的机器人数达8 1 ，5 0 0 台，比1 9 9 8 年增加了1 5 ，而市场价值 为5 l 亿美元，比1 9 9 8 年下降了7 ，这说明单台机器人的价格在呈下降趋势， 有利于机器人的应用和推广。现役工业机器人总数为7 4 2 ，5 0 0 台，其中日本占 5 4 ，美国占1 2 5 ，德国占1 l 。预计到2 0 0 3 年，世界工业机器人总数达8 9 2 ，2 0 0 台，如表1 - 1 所示。拥有工业机器人数量的多少已经成为评价一个国家自动化 程度高低的重要标志之一。 激光加工是工业机器人的一个主要应用领域，在激光加工中发挥着越来越 大的作用。激光加工机器人是激光加工自动化的革命性进步，它突破了激光加 工自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化新方式，在一条激光加工机器人 生产线上，可同时自动加工若干工件【”。 截止到1 9 9 6 年底，我国已安装的激光加工机器人总数为5 0 0 台左右。到 2 0 0 0 年已达1 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 北京工业大学工学硕士学位论文 用的激光加工机器人9 0 以上属于“先进机器人”，即五轴或六轴关节式机器 人。其中，9 4 是从国外进口的，国产的仅占6 左右。虽然我国激光加工机 器人的台数还不多，但从国际发展趋势来看，这个市场是很大的，而且应用领 域在不断扩大，性能不断提高，并逐步向智能化方向发展。加入w t o 以后， 我国大部分机械制造行业由于市场的波动及市场对产品多样化和个性化的要求 都将面临品种多、批量少、改型快的局面，这给具有一定柔性的激光加工机器 人提供了一个极好的发展机会【6 】。 表1 】1 9 9 9 年底世界工业机器人总数统计和2 0 0 3 年总数预测 c o u n t l l1 9 9 51 9 9 92 0 0 3 c h a n g e 9 9 ，9 8 ( 1 j a d a n3 8 7 2 9 04 0 2 2 1 23 8 4 7 0 0一2 3 u n i t e ds t a t e s6 6 2 8 69 2 8 6 01 5 5 4 0 01 3 6 e u r o p e a nu n i o n 1 1 4 6 9 91 7 6 2 1 02 8 2 3 0 01 1 3 g e r m a n v5 1 3 7 58 1 2 0 31 0 9 5 0 01 1 ，o i t a j y 2 2 9 6 33 4 9 9 15 7 6 0 01 1 0 f r a n c e1 3 2 7 61 8 1 6 32 8 2 0 01 2 o u n i t e dk i n g d o m8 3 1 41 1 5 3 71 4 9 0 07 2 a u s t r i a2 2 4 33 0 0 09 o b e n e l u x5 0 8 67 8 0 31 0 3 d e n r n a r k6 7 2 1 1 6 91 7 7 f i n l a n d1 3 9 82 2 7 6 1 8 4 s d a i n4 9 1 31 0 4 7 32 l 3 s w e d e n4 4 5 95 5 9 64 8 o t h e re u r o d e1 5 8 8 11 6 9 7 61 4 7 0 02 6 ia s i a ，a u s t r a i i a2 7 1 1 34 8 2 1 96 7 3 0 07 5 la u s t r a l i a1 8 4 02 8 7 l9 9 r e d o f k o r e a1 8 1 4 93 3 6 5 67 1 s i n g a p o r e 3 2 7 55 ，2 7 06 o 1 a i w a n3 8 4 96 4 2 21 0 1 o t b e rc o u n t r j 船3 8 4 05 9 7 47 8 0 06 o 1 m t a l6 1 5 1 0 07 4 2 5 0 08 9 2 2 0 04 9 机器人系统由硬件系统和软件系统组成，在硬件条件一定的情况下，机器 人实用功能的灵活性和智能程度在很大程度上取决于机器人的编程能力。机器 人的编程有在线编程( o n 1 i n ep r o g r a i i l m i n g ) 和离线编程( o l p ：0 昏l i n e 第章诸论 p r o g r 锄m i n g ) 两种方式【”。在机器人所要完成的任务不很复杂，以及示教时间 相对工作时间来说比较短的情况下，在线示教编程是有效可行的1 8 | 。 随着企业对柔性要求的提高和计算机技术的发展，出现了机器人离线编程 技术。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，通过对图形 的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人 程序。与在线示教相比，离线编程具有如下优点1 9 1 ： 1 ) 减少机器人不工作时间，当对下一个任务进行编程时，机器人仍可在 生 产线上工作，尤其是对于生产相互关联的多台机器人生产线，离线编 程的优势更加明显； 2 ) 编程者远离危险的工作环境； 3 ) 便于和c a d c a m 系统集成，做到c a d c a m 瓜o b o t i c s 一体化： 4 ) 可以利用计算机高级编程语言和图形方式对复杂任务进行编程，实现复 杂运动轨迹规划以及进行路径和工艺参数的优化； 5 ) 便于修改机器人程序。 1 2 机器人离线编程技术概述 1 2 1 机器人离线编程技术 机器人离线编程产生于八十年代初，可分为两类：基于文本的编程和基于 图形的编程，2 “。前者的早期研究如r o w e l 语言【2 1 1 。它是一种专用语言，用 符号来描述机器人的动作。这种方法可提高编程效率，接受传感器信息，协调 多台机器人工作，可以引入逻辑判断、决策和规划功能。具有机器人语言编程 能力的机器人通常仍然保留示教盒功能。目前的机器人语言都是动作级和对象 级语言，编程工作是相当冗长繁重的。而且这种编程方法缺少可视性，只在很 北京工业大学工学硕士学位论文 少的场合下是有效的。 基于图形的编程实际上就是c a d c a m 的方式1 2 2 1 。离线编程在图形环境下 进行，用户在计算机屏幕上对工件、机器人等进行几何造型，利用规划算法， 通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行机器人运动的轨迹规划，离线 生成机器人程序，再通过图形仿真模拟整个加工过程，进行程序校验和碰撞干 涉校验等。图形方式主要用于人一机的交互编程和图形仿真，编程的结果一般 是通用的机器人语言，经转换成特定的机器人控制语言后，可下载到机器人上 运行【2 3 - 2 ”。这样的系统，就可以在生产过程中对不同的工件进行编程。 1 2 2 机器人离线编程概况 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。国外在 这方面研究较早，自2 0 世纪8 0 年代以来，美国、英国、法国、德国、日本等 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。表l 一2 是国外开发的具 有代表性的机器人离线编程与仿真系统m “1 。 r o b c a d 是美国t e c n o m a t i x 公司2 0 世纪八十年代推出的大型工业机器人 离线编程与仿真系统，九十年代更加完善j 。该软件可用于机器人结构设计、 工作单元设计和离线编程，是一个界面友好、功能较全的机器人离线编程与仿 真系统。它已在汽车行业中得到广泛的应用，美国福特、德国大众、意大利菲 亚特等汽车公司均使用r o b o c a d 作为汽车生产线机器人离线编程系统。 r o b o c a d 的主要功能有：二维、三维几何造型，图形拓扑运算、图形变 换，并提供标准几何协议，可以快速建立机器人的几何模型和运动学模型；提 供了丰富的机器人库，方便机器人工作单元设计，进行机器人本体干涉检验、 可达性测试；生成机器人工作点、路径，进行示教：提供交互式生成和使用编 辑器编辑两种方法：机器人作业程序动态图形仿真、机器人与环境碰撞检验； 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载和下载功能。 第一章诸论 表l 一2 国外主要机器人离线编程与仿真系统 软件包开发公司或研究机构 r o b e x a a c h e n ，g e n 】n a n y g e o m a p t o k y o ，j a p a i l g r a s p u n i v e f s i t ) ，o f n o t t i n g h 锄，u k p l a c em c a u t om a n u f a c t u r i n 舀u s a r o b o t s i mc a l m a c o r p ，u s a r o b o g r a p h i x c o m p u t e r s i o nc o r p ，u s a a u t o m o da n da u t o g 册a u t 0s i m u j a “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 j u s a r o f a c es c i e n c em a n a g e m e mc o r p ，u s a x p r o b ei b mr e s e a r c hc e n t e r u s a r o b c a d1 e c n o m a t i xc o r p ，u s a r o b o c e l lm c m a s t e r u n i v e r s i t y ，c a i l a d a r o s ik a r i s m h eu i l i v e r s i t y ，c a l l a d a c i m s t a t i o ns i l m ai n c u s a w o r k s p a c e r o b o ts i m u l a t i o ni n c u s a s m a r u n i v e r s i t yd ep o i t i e r s ，f r a n c e i g r i p ( i n t e r a c t i v eg r a p h i c sr o b o ti n s t c t i o np m g r a m ) 【3 6 1 3 7 1 是美国d e n e b 公司推出的交互式机器人图形编程与仿真软件，为工作单元的设计、运行、分 析等提供一种互动的、三维图形仿真工具，并可对工作单元进行生产周期分析、 碰撞检验等。i g 砌p 可在s i g 、h p 、s u n 等工作站( u n i x 系统) 上运行，其 微机版可在w i n d o w s 上运行。 在国内，自二十世纪八十年代中期以来，我国的一些大学和研究所开始从 事机器人仿真与离线编程技术的研究p 1 4 ”。根据开发方式不同，机器人仿真与 离线编程技术的研究主要分为两类：完全自主开发和基于某个通用c a d 系统 北京工业大学工学硕士学位论文 的二次开发l 。表l 一3 是国内各单位对机器人离线编程与仿真技术研究的统计。 表l 。3 国内机器人离线编程与仿真技术的研究 | 单位开发方式硬件平台主要应用 华中理工大学自主微机离线编程，通用 华南理工大学 自主微机离线编程，装配 哈尔滨工业大学自主工作站仿真及离线编程，通用 上海交通大学 二次微机图形仿真，通用 北京航空航天大学自主微机离线编程，p u m a 2 6 2 清华大学自主 微机图形仿真，通用 浙江大学自主 微机离线编程，装配 l 沈阳自动化所 自主工作站离线编程，双机器人装配 l 洛阳工学院 自主微机图形仿真，通用 l 云南师范大学 二次微机离线编程，通用 哈尔滨工业大学的付宜利研究了基于动态图形仿真的机器人离线编程技 术，此工作是在s g i 工作站上进行的。主要内容包括：机器人通用几何建模器 的开发、机器人运动学建模与逆运动学求解、机器人离线编程语言及编译器实 现、机器人工作单元碰撞检测技术研究等。 1 3 机器人离线编程技术在激光加工领域的研究现状 1 3 1 机器人y a g 激光加工系统 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世人青睐，其 应用领域不断扩大。随着工业用激光器的光束质量、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) 在材料加工领域已逐步取代了 一些传统的加工方式。 作为一种特殊的“刀具”，激光是没有质量的，所以激光头可以做的很轻： 激光束易于传输，激光与材料之间不存在切削力的作用，激光加工属于非接触 式加工：激光束经聚集后可以得到很细的光斑，因而具有高的功率密度一这 第一章诸论 些因素都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： 激光切割一无毛边现象、窄切口、进给速度快 激光焊接一最小工件扭曲现象 激光表面处理一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 ，激光加工系统和固体y a g 激光加工系统。在大功率c o ：激光加工系统中，激光的传输往往通过镜组实现， 即通过一组光学镜片( 镜组) 传输激光。如图1 1 所示。这些镜组安装在多轴 联动数控机床上，激光从激光器发射出来后，经过若干反射镜，传送到激光加 工头中进行聚集。随着加工位置的变化，加工机床带动激光加工头运动，激光 束被聚集在加工工件上，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。因此准确地描述大功率c 0 ，激光束的传输与聚集是用大功 率c 0 ，激光加工系统进行激光加工的前提。 圈1 1 c 0 2 激光加工系统 图1 - 2 固体y a g 激光加工系统 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，由机 器人挟持着激光头完成各种复杂的三维运动，y a g 激光则通过光导纤维传送 到激光头，到达工件表面。如图l 一2 所示。光纤传输采用单根光纤即可将光束 北京工业大学工学硕士学位论文 传送到远距离加工点。光纤是连续介质的传输系统。光纤自身的柔性使得机器 人可带动它自由变换形状。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。芯内的光束大心不发生 变化。激光束在光纤中起始阶段有耦舍变佃，i 但传播。定髓离后i 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，光分布保持恒定的近似距形分布。加工因此形成均匀稳定过 程。从光纤出射端的光束大小也不随光纤位置而变化。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。 近些年来，由于固体激光柔性加工系统结合了固体激光吸收率高和机器手 运动灵活等特点，已成为激光加工领域内的一种重要的加工系统。机器人在激 光加工中的应用曰益广泛，柔性机器人激光加工单元已大规模的应用于制造操 作上和大型生产线上，在自动化世界中已赢得一席之地。 1 3 2 机器人离线编程技术在激光加工中的应用 从上面国内外的研究现状可以看出，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， 可是对于激光应用来说，面向机器人激光加工的功能还很弱，甚至没有。而且 价格昂贵。哈工大购买的i g i r j p 软件( 含s g i 工作站) 约7 万美元，哈尔滨 焊接研究所购买的i g 砌p 软件( 微机版) 也要4 万美元( 含人员培训费) 。与 国外实用化的机器人离线编程与仿真系统相比，我国的机器人离线编程与仿真 技术还有很大的差距，主要表现在以下几点| 2 】： 1 ) 几何建模国外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。这是因为国外部分系统在几何建模上投入比较大， 如r o b c a d 、i g r j p 等，也有部分系统通过购买现有建模核心如a c i s 等进行开发，如w j r k s p a c e 。国内自主开发的系统都是完全自己开发几 何建模功能，由于投入小而功能不完善，且不具有与其他外部c a d 系 第一章诸论 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 ) 专业化国外系统除提供通用性的功能之外，为了提高编程效率，往往 在通用系统之上开发专业化的模块，如切割、焊接等。而国内的通用 系统则无专业化模块。 3 ) 标定国外系统大多将标定作为主要模块之一，而国内还缺少这方面的 研究。 4 ) 机器人程序下载国外商品化系统都有多种机器人的接口，可以方便地 上、下载机器人程序。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报道。 大多数的激光加工如激光切割、焊接、打标、表面处理等都是通过机器人 的示教来完成的，这种加工方式不仅效率低，而且对于某些复杂件是根本无法 通过示教的方式来完成加工的。从而急需开发面向激光加工的机器人离线编程 系统。 1 4 本文主要研究内容 本文利用对a u t o c a d 的二次开发技术，对基于m o t o m a i l 的s k - 1 6 型工业 机器人离线编程技术进行研究。离线编程技术是c a d 模型和实际加工的桥梁， 是提高加工质量、提高编程效率和实现集成的一个保证。根据对机器人离线编 程研究现状的分析，本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 作为全文的工作基础，首先探索得到机器人可执行文件j b i 格式； ( 2 ) 从c a d 模型中，根据实际的应用要求，提取出加工数据信息： ( 3 ) 将屏幕坐标系下的数据转换为实际加工坐标系的数据； ( 4 ) 把转换后的数据翻译生成机器人工作程序，下载到机器人控制柜控 制机器人的加工过程。 北京工业大学工学硕士学位论文 第二章机器人运动学基础 示教编程方式是目前机器人实现加工的主要手段，但这种方式效率较低， 故我们提出了对机器人离线编程的基本原理和方法进行系统研究，开发出了六 轴机器人激光加工离线编程系统( v 1 0 版) 。 2 1 机器人示教编程与离线编程概述 对于机器人示教编程，其控制数据是通过“手工”的方式获得的：操作者 操纵示教盒，移动机器人到指定位置的示教点，此时机器人的控制系统记录下 当时位置参数、速度参数和一些其它的相关参数，并且自动生成相应的移动指 令。相邻示教点之间的加工轨迹由系统按给定的插补方式自动计算出来，在所 有的示教点都提取完毕后，生成整个的程序，用户可回放执行，最终实现连续 加工。 离线编程不占用工位，加工数据可直接通过计算机得到。现在几乎所有的 零件都是由c a d ( 计算机辅助设计) 系统设计出来的，它们的全部几何信息 都存储于数据文件中，离线编程可借助c a d 系统提取出有关的加工数据，然 后按照一定的方法将这些原始数据转化为控制数据，并自动生成控制程序。实 际上，离线编程的过程就是一个c a m ( 计算机辅助加工) 过程。 2 2 机器人示教编程与离线编程的特点 示教过程是在工位上对实际工件进行的，示教编程期间，机器人不能用于 加工工件。示教编程利用人的经验和主观判断，可以灵活处理各种情况，目前 许多机器人的操作都是用示教的方式完成的。而另一方面，示教编程受人为的 因素影响较大，加工的质量密切依赖于操作者所取每个示教点的精度。由于每 个示教点都是靠通过操作者的视觉来决定的，这样每个点的精度，就不能准确 的控制，这样就不能保证加工工件的质量：并且对于加工轨迹复杂的工件来说， 通过在线编程的方式提取加工轨迹是一件非常费力、费时的工作，工作量大， 第二苹机器人运动学基础 且容易出错，尤其是对于一些复杂操作，如快速成型，通过在线编程的方式是 根本不可能实现的；另外，对于有不同加工轨迹的工件，就要重新取示教点， 这也造成了极大的各种资源浪费。可以说，对于激光加工而言，在线编程的方 式已经变成限制利用机器人进行激光加工效率提高的瓶颈。 离线编程允许用户在执行当前工作的同时，编制自己的应用程序，这样就 可以消除整机启动后，系统处以等待运作的状态下，由于控制台的屏幕、内存、 c p u 等性能较低，编程及空运行、调试非常占用时间等原因，造成的效率低下 等问题。并且离线编程往往借助c a d 系统从工件的几何形体中提取加工轨迹， 这符合c a d c a m 一体化的发展方向一零件的c a d 设计一旦完成，通过c a d 向c a m 的数据转换，就可以得到所需要的控制加工程序，离线编程可以针对 不同的加工要求作出定量分析，得到不同加工控制程序。 2 3 机器人的位姿几何原理 在研究运动学之前，先简要介绍刚体位姿几何的一种常用表示方法。这些 概念和方法。 刚体的位姿可以用多种方法表示，如6 维的广义坐标、4 4 的齐次矩阵、 旋量等等”。”。这里采用比较常用的4 4 的齐次矩阵。 对于直角坐标系 a ) ，空间任一点p 的位置可用3 1 的列矢量。p ( 称位置 矢量) 饥引 c ：刊 l p = j 表示，其中，儿，p ，p ：是点p 在坐标 a 中的三个坐标分量。p 的上标 a 代表参考坐标系 a ) 。除了直角坐标系外，也可以采用圆柱坐标系或球( 极) 坐标系来描述点的位置。 一 北京工业大学工学硕士学位论文 为了规定空间某刚体b 的方位，另设一直角坐标系 b 与此刚体固接。用 坐标系 b 的三个单位主矢量x 。，y 。，z 。相对于坐标系 a ) 的方向余弦组成的 3 3 矩阵 或 ：r = 。b 。y 。 z 。】 瓣暖割 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 来表示刚体b 相对于 a 的方位。：r 称为旋转矩阵，上标a 代表参考坐标系 ( a ) ，下标b 代表被描述的坐标系 b 。；月有9 个元素，其中只有3 个是独立 的。因为；尺的三个列矢量“x 。，。，。z 。都是单位主矢量，且两两相互垂直， 4 z b 。工日= 。，8 。y 口= 。三b 。z 日= 1 ； ( 2 4 ) 。x 8 。y 8 = “y 日。z 占= 。z 日。= o 。 ( 2 5 ) 因此，旋转矩阵；r 是正交的，并满足条件 = ； ( 2 6 ) i ：r i = l 。 ( 2 7 ) 地期性；斟 沪s ， c o s 臼os i n p r ( y ，目) 。l ol o l ； ( 2 9 ) f s i n 臼 oc o s 曰f r c o s ps i n 口o r ( z ，目) 2 ls i ：口 c ；p ? j 。 ( 2 1 。) 总之，采用位置矢量描述点的位置，而采用旋转矩阵描述刚体的方位。 为了计算和表示的方便，通常把位置矢量与旋转矩阵盒起来写成4 4 的齐 次矩阵 。丁一；月。 一 一一i o o o l j 一 _ l2 ，2 lr 2 2 r 3 l2 o o 1 3p ， 0 3p ， 3p ： ol ( 2 1 1 ) 2 4 机器人运动学 机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系， 是机器人末端工具的直角坐标空间与机器人关节空间之间进行相互转换的桥 梁。它包括由给定关节相对位置确定机器人末端执行器位姿的运动学正解和由 给定工具坐标系所期望的位姿找出得到该位姿的关节变量的运动学逆解【5 6 】。机 器人运动学是运动分析、离线编程、轨迹规划等的基础。其求解算法将直接影 响到机器人系统离线编程或运动规划的精度和速度。 2 4 1 机器人运动学正解 表2 1m o t o m a r is k l 6 机器人的连杆参数 4 口，( 目) j a ，i 口1 1 i o 0 。 o 口。(o 。) 21 5 0 9 0 。 o 口：( 一9 0 。) 34 5 0 1 8 0 。 0 口3 (o 。) 41 1 5 9 0 。 7 3 5 口。(o 。) 5 o 9 0 。 o 口，( 一9 0 。) 6 o 一9 0 o o 目6 (o 。) 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 1m o t o m a ns k l 6 机器人简图 图2 2m o t o m a ns k l 6 机器人连杆坐标系 m o t o m a ns k l 6 机器人具有六个自由度，且六个关节均为旋转关节，前三 个关节决定激光加工末端执行器的位置，后三个关节决定机器人末端执行器姿 态，并相交于一点。为了研究机器人各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上 固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系。根据d e n a v i t 和h a n e n b e r g 提出的通用方法，用4 4 的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，建立 机器人操作臂的运动方程【9 】。图2 2 是s k l 6 机器人各关节转角脉冲值为o 时的 连杆坐标系示意图，相应的连杆参数列于表2 1 中。 连杆坐标系 f 相对于 f 1 ) 连杆变换为： 7 = c o s 曰 c o s 口hs i n 只 s i n a hs i n 只 0 一s i n p c o s 口hc o s 毋 s i n a _ lc o s 只 o o s l n 口l l c o s 口卜l 0 口，一l 一盔s i n 口 d ，c o s 口l _ l l ( 2 1 2 ) 将各个连杆变换矩阵相乘，得到机器人的变换矩阵： ：，= ：丁罗芗扩 ( 2 1 3 ) 第二苹机器人运动学基础 则从基础坐标系 o ) 到工具坐标系 t 的变换矩阵，即机器人运动学正解： ；丁= ：丁 ( 2 1 4 ) 其中；7 1 是从工具坐标系 t ) 到第六连杆坐标系 6 ) 的变换矩阵。在加工时， 激光加工末端执行器通常是固定在第六连杆上，即弦是固定的，所以本文讨 论机器人运动学的正解和逆解时，仅涉及机器人第六连杆坐标系 6 ) 与基础坐 标系 o ) 之间的变换，而实际计算正解和逆解时，要分别乘以与；7 。 2 4 2 机器人运动学逆解 对于一般的6 自由度机器人而言，运动学反解非常复杂，往往没有封闭解。 只有在某些特殊情况，如满足p i e p e r 准则的三个相邻关节轴交于一点和三个相 邻关节轴相互平行这两个充分条件之一，才可得到封闭解。由于m o t o m a n s k l 6 机器人的腕部三轴交于一点，可直接求出封闭解”。 由图2 2 ，连杆坐标系 4 ) ， 5 和 6 ) 的原点都设在腕部三轴的交点上，腕 部的位置。见。= nb 足1 7 仅由岛，岛和已决定。因此，根据机器人前 三根连杆之间的几何关系，可先由腕部的位置解出q ，岛和已，再由腕部的姿 态解出吼，幺和哦a 根据几何关系及o p 6 。可直接求出鼠= a t a n 2 ( 以以) ，然后可以由鼠求出腕部 位置在连杆坐标系 1 下的表示t p 。：b ，。p 川见1 k r 一1 。p 。，此时连杆 的几何关系如图2 3 所示。可得： 北京工业大学工学硕士学位论文 取 图2 3 在坐标系 1 下s k l 6 机器人连杆1 - 4 的几何关系 f i g 2 - 3 t h e g e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i po f t h e 1 i n k1 4i nt 1 1 ec o o r d i n a t es y s t e m 1 ) c o s 屈= 届= a t a n 2 ( 见l ，n l 一口1 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) 反：撤。垒垫 丝堡粤拿塑 ( 2 1 7 ) 。 2 口2 ( 以l d 1 ) 2 + p j 由于s k l 6 机器人受连杆结构的限制，只的上限为6 0 。，屈 a d d c o m m a l l d ( ”h e l l o a r x c o m m a n d s ”， ”h e l l o a r x ”， ”h e l l o a r x ”，a c r x m d m o d a l ，h e l l o a r x ) ； ) v o i du 1 1 l o a d a p p ( ) a d 叫m f ( i 汕e 1 1 0 a r xs 锄p l e 。k u n l o a d a p p m s g ； a c e d r e g c m d s 一 r e m o v e g r o u p ( ”h e l l o a ( - c o m m a n d s ”) ； ) e x t e m c ”a c r x ：a p p r e t c o d e a c r x e n t r y p o i n t ( a c r x ：a p p m s g c o d em s g ，v o i d + p k t ) s w i t c h ( m s g ) c a s ea c r x ：k i n i t a p p m s g ： i n i t a p p ( ) ； b r e a k ： c a s ea c r x ：k u n l o a d a p p m s g ： u f l l o a d a p p ( ) ； b r e a k ： ) r e t u ma c r x ：k r e t o k ； 可以看出，这个程序主要包括一下四个函数： v o i dh e l l o a r x ( ) 、 v o i d i n i t a p p ( ) 、 v o i d u n l o a d a p p ( ) 、 e x t e m”c ” a c r x ：a p p r e t c o d ea c r x e n 时p o i n t ( a c r x ：a p p m s g c o d e m s g ，v o i 扩p k t ) ，其中v o i d i n i t a p p ( ) 是用来在a r x 程序加载时在a u t o c a d 命令堆栈中注册新的命令组 2 0 第三章激光加工轨迹数据提取的原理和方法 名、本地命令名、通用命令名和执行函数，v o i du n l o a d a p p ( ) 则是用来在程序卸 载时将这些命令组和命令名注销掉。e x t e m ”c ”a c r x ：a p p r e t c o d e a c r x e m r y p o i n t ( a c r x ：a p p m s g c o d em s g ，v o i d + p k t ) 是用来设定程序的入口点， 即a r x 动态连接库的入口点。而v o i dh e l l o a r x ( ) 才是程序中真正用来执行打 印任务的执行函数，也就是a r x 程序加载和卸载时要在a u t o c a d 命令堆栈中 注册和注销的那个命令。 可以看出整个程序大部分的语句都是用来和a u t o c a d 通信，这种通信对 每个a r x 应用程序都是必须的，在所有a r x 程序中都可以看到上述四个函数 中的后三个。 由于a r x 程序是w i n d o 、v s 的动态连接库，在编译、链接时就需要设置相 应的编译、链接方式，如果设置不当，就会导致程序出现错误。另外，当a u t o c a d 的版本不同时，其设置方式也存在着各种差异。例如在对程序进行编译时可能 出现以下错误： l i l l l ( j n g l 附k ：e h o rl n k 2 0 0 l ：u 1 1 r e s o l v e de x t e m a ls y m b 0 1 d 1 1 e n t 妒o i m 1 2 h e l l o a r x o b j ：e r r o rl n k 2 0 0 1 ：u n r c s 0 1 v e d e x t e m a is y m b o l a c u t p 血t f