（机械制造及其自动化专业论文）基于cadcam的工业机器人切削加工离线编程技术研究.pdf

基于c a d c a m 的工业机器人切削加t 离线编程技术研究 摘要 现场化、柔性化的加工方式已经逐渐成为机械加工的一个重要发展方向，工 业机器人应用于切削加工领域具有成本低、自动化程度高、柔性好、安装空间小 等优点，能方便地在限定的空间旱实现切削加工运动。：【业机器人传统的示教编 程方式暴露出编程周期长、示教精度低等缺点，而离线编程技术在编程周期、轨 迹精度和加工柔性方面具有明显的优势。本文针对机器人切削加工系统的离线编 程技术，研究了从c a d c a m 系统输出的n c 加工程序( g 代码) 到控制机器人 实现切削动作的控制指令( j o b 文件) 之问的转换方式，并通过m a t l a b 和 a d a m s 的联合仿真进行了加工预测和优化。主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了机器人运动学的基础理论，以p u m a 5 6 0 型工业机器人为例，利 用齐次变换理论建立了机器人的运动学模型，建立了p u m a 5 6 0 的运动学方程， 为离线编程技术的研究奠定了基础。 ( 2 ) 针对工业机器人切削加工离线编程技术，研究了离线编程的开发平台， 分析了离线编程的关键技术及其可行性。 ( 3 ) 探讨了工业机器人切削加工离线编程系统的c a d c a m 基础。通过u g 从通用c a d 模型和由逆向工程的点云实体化模型中获取加工对象，采用针对机 器人数控加工的工艺设置，进行任务规划，生成n c 加工程序。 ( 4 ) 研究了从n c 加工程序到工业机器人控制指令之间的转换过程。根据 n c 加工程序与工业机器人控制指令之间的信息对应关系及工业机器人控制指令 格式，利用v i s u a lc + + 开发了转换程序。 ( 5 ) 研究了工业机器人切削加工离线编程的加工仿真。在m a t l a b 软件中 通过切削加工轨迹信息获取机器人任务要求，进行机器人轨迹规划，生成样条函 数，驱动a d a m s 中虚拟机器人模型运动，然后在后处理模块中通过分析仿真结 果来修正加工工艺参数设置，以优化机器人控制指令。 关键词：工业机器人；离线编程；n c 加工程序；运动学正反解；切削加工 v 兰州理工大学硕二【j 学位论文 a bs t r a c t s i t e ，a n df l e x i b l ep r o c e s s i n gm e t h o d sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n td e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h em a c h i n i n g i n d u s t r i a lr o b o t su s e di nt h ef i e l do f c u t t i n gw i t hl o wc o s t ， h i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，f l e x i b i l i t y , i n s t a l l a t i o ns p a c ea n ds m a l l ，i tc a nb ee a s i l y i m p l e m e n t e di na1 i m i t e ds p a c e ，t h ec u t t i n gm o v e m e n t t r a d i t i o n a li n d u s t r i a lr o b o t t e a c hp r o g r a m m a t i c a l l ye x p o s e dt h ep r o g r a m m i n gc y c l e ，t e a c h i n gp r e c i s i o na n dl o w d e f e c t s ，a n do f f l i n e p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y h a so b v i o u s a d v a n t a g e s i nt h e p r o g r a m m i n gc y c l e ，t r a je c t o r ya c c u r a c ya n dp r o c e s s i n gf l e x i b i l i t ya s p e c t s f o rt h e o f f l i n ep r o g r a m m i n go fr o b o tm a c h i n i n gs y s t e mt os t u d yt h eo u t p u tf r o mc a d c a m s y s t e m ，t h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h ec o n t r o lc o m m a n dt oc o n t r o lt h er o b o tt oa c h i e v e t h ec u t t i n ga c t i o n ( j o bf i l e ) o ft h en cm a c h i n i n gp r o g r a m ( g c o d e ) ，a n d p r o c e s s i n g t h ep r e d i c t i o na n do p t i m i z a t i o nb yu s i n gm a t l a ba n da d a m s s i m u l a t i o n t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c e dar o b o tk i n e m a t i c st h e o r y , w i t hp u m a 5 6 0 t y p ei n d u s t r i a lm a c h i n e a sa ne x a m p l e ，b yu s i n gt h eh o m o g e n e o u st r a n s f o r m a t i o n t h e o r yt o s e tu pt h e k i n e m a t i c sm o d e lo fr o b o t s ，b u i l tt h ep u m a 5 6 0 k i n e m a t i c se q u a t i o n f o ro f f - l i n e p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hf o u n d a t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt o t h e i n d u s t r i a lr o b o to f f - l i n e p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yo f m a c h i n i n g ，o f f - l i n ep r o g r a m m i n gd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n a l y z e dt h ek e yt e c h n o l o g y a n df e a s i b i l i t yo fo f f - l i n ep r o g r a m m i n g ( 3 ) d i s c u s s e di n d u s t r i a lr o b o tm a c h i n i n gp r o g r a m m i n gs y s t e mo fc a d c a m f o u n d a t i o n t h r o u g ht h eu gf r o mt h eg e n e r a lc a dm o d e la n db yr e v e r s ee n g i n e e r i n g t h ed i s c r e t e p o i n te n t i t ym o d e lo fa c q u i s i t i o np r o c e s s i n go b je c t s ，g e n e r a t en c p r o c e s s i n gp r o g r a m ( 4 ) r e s e a r c hf r o mt h en cp r o c e s s i n gp r o g r a mt ot h ei n d u s t r i a lr o b o tc o n t r o l d i r e c t i v e sc o n v e r s i o np r o c e s s a c c o r d i n gt ot h en cp r o c e s s i n gp r o g r a ma n di n d u s t r i a l r o b o tc o n t r 0 1c o m m a n d sb e t w e e nt h ei n f o r m a t i o na n dt h er e l a t i o nb e t w e e ni n d u s t r i a l r o b o tc o n t r o li n s t r u c t i o nf o r m a t ，u s i n gv i s u a lc + + d e v e l o p m e n tc o n v e r s i o n p r o g r a m ( 5 ) s t u d yo ft h ei n d u s t r i a lr o b o to f f - l i n ep r o g r a m m i n go fv i r t u a ls i m u l a t i o no f c u t t i n gp r o c e s s i nm a t l a bt h r o u g hn ce x t r a c t i o np r o c e s s i n gp r o g r a mi n f o r m a t i o n o b t a i n i n gr o b o tt a s kr e q u i r e m e n t s ，c a l c u l a t ed a t at h e na c c o r d i n gt ot h ed a t ag e n e r a t e d w i t h i nt h ea d a m s s p l i n ef u n c t i o n ，u s e dt od r i v et h ev i r t u a lp h y s i c a lm o d e l ，a n dt h e n a f t e rp r o c e s s i n gm o d u l et h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t st om o d i f yt h e p r o c e s sp a r a m e t e rs e t t i n g s ，t oo p t i m i z et h ec u t t i n gr e s u l t s k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lr o b o t ；o f f - l i n ep r o g r a m m i n g ；n cp r o c e s s i n gp r o g r a m ； k i n e m a t i c sf o r w a r da n di n v e r s es o l u t i o n ； c u t t i n gp r o c e s s i n g v 基于c a d c a m 的_ t 业机器人切削加丁离线编程技术研究 插图索引 图1 1 机器人切削加工系统构成5 图2 1 机器人运动学正、逆解关系图9 图2 2 矢量n 、a 、0 和p 1 0 图2 3 前置法的杆件d - h 参数11 图2 4p u m a 5 6 0 机器人连杆参数1 1 图2 5p u m a 5 6 0 机器人连杆坐标系1 2 图3 1 工业机器人切削加工离线编程系统的结构2 4 图4 1 拼合后的叶片点云数据一2 8 图4 2 修剪后的叶片重构模型一2 9 图4 3 机器人切削加工系统中的坐标系2 9 图4 4 创建刀具一3 1 图4 5 加工过程仿真3 2 图5 1 圆弧中问点的确定一3 6 图5 2 代码转换的程序流程图3 8 图5 3 代码转换软件界面一4 3 图6 1 仿真流程图一4 5 图6 2 轨迹规划曲线一4 7 图6 3 各关节角随时间变化曲线4 7 图6 4 在a d a m s 软件平台上建立的p u m a 5 6 0 虚拟模型4 9 图6 5 添加驱动的虚拟模型5 0 图6 6 仿真过程图一5 1 图6 7 末端执行器位置变换曲线5 l 图6 8 各个关节输出的力矩5 2 图6 9 优化后的各个关节输出的力矩5 2 附表索引 表2 1p u m a 5 6 0 工业机器人各连杆d h 参数和关节变量1 3 表5 1 常见c - 代码分类表3 3 表6 1 各个关节的约束类型4 9 表6 2 各个关节的驱动类型5 0 v 兰州i 理工大学硕： ：学位论文 1 1 工业机器人概述 第1 章绪论 工业机器人由操作机( 机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构 成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机 电一体化自动化生产设备。工业机器人对稳定产品质量，提高生产效率，改善劳动 条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人技术是综合了计 算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的 高新技术，是当代研究十分活跃、应用同益广泛的领域。工业机器人作为机器人 的一个主要分支，其应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志【z j 。 二十世纪六十年代初，美国第一台示教再现型机器人u n i m a t e 问世。机器人技 术在这短短不到五十年的时间里，得到了迅猛发展。目前世界已拥有上百万台机 器人，其中绝大多数都是工业机器人。 工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时问作业， 或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、 塑料制品成形、机械加工、金属制品业和简单装配等工序上，以及在原子能工业 等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。在同、美、西欧等一些工业 发达的国家中，工业机器人得到越来越广泛的应用【3 j 。9 0 年代术，工业机器人应 用领域由制造业扩展到非制造业，同时在原制造业也在不断深人渗透，开辟了不 少新用途。国外机器人专家预测，工业机器人每1 0 年就会推出一批新机型，开辟 一些新应用领域，而原有应用领域的扩展深化，也在如火如荼的进行之中。如用 多台弧焊机器人焊接汽车车身大部件及薄板，电子基板喷涂防湿绝热剂、大型净 化槽喷涂，异形件的内、外磨削，机翼铆接，软物料分检等，即向大、异、薄、 软、窄、厚等难加工的领域深化扩展。而新开辟的应用领域有农林牧渔、建筑、 桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业”j 。 我国的工业机器人的研究从上世纪8 0 年代开始起步，至今也有了较大的发展， 已基本上掌握了机器人操作的设计制造技术，控制系统硬件和软件设计运动学与 轨迹规划，也开发了一些不同类型的机器人。我国现有机器人研究开发和应用工 程单位近千家，共开发生产各类工业机器人约数千台，9 0 以上用于生产中。近 几年工业机器人的开发基本上是按用户需求结合应用二 程进行的。一些大型生产 企业( 如一汽、二汽等) 已经逐渐由应用机器人的大户转向依据生产要求开发专 基于c a d c a m 的工业机器人切削加工离线编程技术研究 用机器人组成自动化生产线。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化 生产线和工程项目、相关产品的年产销额已近数十亿元5 1 。 但总体说来，我国的工! 业机器人及其应用的水平同国j i - 市h 比，在诸如可靠性， 应用领域和规模，生产线系统技术，产品质量稳定性，机器人商品化、产业化， 机器人知识普及程度等方面，还有很多工作要做6 1 。 1 2 工业机器人在切削加工中的应用 工业机器人发展至今，作为一种柔性自动化设备，对生产条件和生产环境的 适应性具有很强的灵活性，并逐步发展成为一门新的科学和新的技术，成为增长 最快的几门新兴产业之一 一。近年来，为适应多品种、小批量、现场加工的现代 生产要求，通过在工业机器人末端安装电主轴和切削刀具，使工业机器人具备类 似于多轴数控加工机床的切削加工性能。相对于传统数控加工机床而言，使用工 业机器人进行机械加工，具有高柔性、低成本以及易于集成传感器、外部驱动器 等外围设备的优点。目前比较成功的几个使用工业机器人进行机械加工领域是工 件的去毛束i i d h 工、倒角加工和抛光加工【牡9 1 。 c a d c a m 开发商d e l c a m 与工业机器人制造商k u k a 联手开发用机器 人进行机加工。这两家公司相信机器人能够取代机械工具完成对软材料的许多大 规模加工作业。到目前为止，用机器人所做的机加工只限于小批量的特种作业。 但是最近d e l c a m 开发的p o w e r m i l l 机加工软件及k u k a 的控制系统已使 机器人操纵大规模生产变得相对容易。2 0 0 6 年9 月，在汉诺威机床展览会 ( e m 0 2 0 0 5 ) 上，工业机器人在机床上的应用非常抢眼，而且应用的领域也在扩 大。德国d m g 公司的数控多轴自动车床，就是配置f m b 公司的6 轴机器人， 进行上下料搬运工作。d m g 公司的另一台新品d m c 6 3 5 v 立式d w - r _ 中心，也是 配了两台f a n u c 工业机器人，一台机器人负责工件的上下料，另一台则负责工 件在机床主轴上的装取。德国o p s 公司的创新思路是高速切削与电加工技术相 结合。他们展出的两台机床，一台是o p s 6 0 0 高速加工中心，主轴转速4 0 0 0 0 r m i n ， 负责对零件进行粗加工，另一台g a n t r y 5 0 0 电火花机床，完成对零件的精加 工，这两台机床之间，就是由工业机器人自动搬运零件的。瑞士k u m m e r 公司 的k 2 5 0 车床，是一台设计独特的新颖机床。车头箱可在顶梁导轨上纵向运动， 也可作z 向进出运动。j 下面刀架设于机床正前方，可以上下运动。而a b b 公司的 工业机器人就起到自动上下料的作用，它把毛坯放进主轴的弹簧夹头内，加工完 又将其取回。意大利意沃乐公司的一台修边、倒角d c 5 机器人装置可以对主轴 上的零件修边和去毛刺，甚至机器人可以加装动力头，用刀具对零件进行加工【旧】。 兰少i 1 理工大学硕士学位论文 1 3 国内外机器人离线编程技术发展现状 目前，计算机系统平台的程序开发和通用的c a d c a m 软件技术都已经达到 了很高的水平，为机器人切削加工系统离线编程提供了有力的支撑。工业机器人 自身的软件领域的创新、编程技术的提高，对工业机器人的推广应用及其应用效 率的发挥起着越来越重要的作用】。在线编程( 包括示教编程、传感器辅助编程等) 柔性差、效率低，特别是随着加工制造业数字化、无纸化的发展趋势，常常要求 在只提供电子图纸或只有逆向工程样品的情况下进行加工，并没有实物或是模型， 就无法通过示教来实现。因此，利用计算机系统平台结合通用c a d c a m 软件、 编程软件和仿真软件，就成为了机器人切削加工系统离线编程发展的一个趋势。 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅 速发展的要求，近年来最主要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式 的数控系统。例如美国的n g c 和o m a c 计划、欧共体的o s a c a 计划、同本的 o s e c 计划等【1 2 】。其中n g c 的体系结构是在虚拟机械的基础上建立起来的，通 过虚拟机械把子系统和模块链接到计算机平台上，直接影响了现代加工制造技术 的新理念。 德、美、日、法等工业发达国家从2 0 世纪8 0 年代中后期开始，就对工业机 器人离线编程技术进行了研究，近年来更是取得了长足的发展，如法国d a s a a u l t 公司开发的c a t i a 应用软件、日本p a n a s o n i c 公司的d t p s 离线编程和仿真软件、 美国d e l m i a 公司的u l t r a a r c 软件等；上个世纪末，美国f o r d 、g m 和c h r y l e r 等 公司，在n g c 计划的指导下，联合提出o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) 全新的开发计划，在政府的支持下开始实施i 捌。 密西根大学工业工程开发中心f r a n ks c h e n g 博士发表论文提出了一种机器 人工作车问的仿真思路，基于模型，开发了机器人车间的设计、分析以及离线编 程【1 3 1 。为了降低建模过程的复杂性，系统引入了已有成功应用的商业软件d e n e b i g r i p 机器人仿真软件技术。该系统模型非常丰富，有机器人设备模型库、环境模 型库、刀具库等，自动化程度较高，充分利用机器人的正向解、反向解，解决了 加工过程中的竞争现象，可以使多台同型号的机器人协同工作，可以与仿真软件 进行信息交互。但是，该系统却存在一些弊端：第一，由于开发过程特别复杂， 不能达到通用性；第二，该系统只注重了机器人与机器人之问的协作与信息沟通， 在现代大型加工中心占主流的机器人与数控机床的加二 协作与信息共享却被忽视 了。 韩国人j i h y o u n gl e e 博士提出基于p c 机的机器人控制器( p c r c ) 的思想【1 4 j 。 为了提高工厂的自动化水平，他提出了利用p c r c 技术来扩展机器人的离线编程 基于c a d c a m 的工业机器人切削加工离线编程技术研究 技术。加入机器人控制器，确实提高了机器人与离线编程系统之间的通信性能， 提高了加工过程的自动化，也使机器人更容易操作，使人机界面更接近于交互式， 这也是使机器人成为计算机的一个外设，是其通用化、普及化的一个重要条件。相 信这也是机器人在几十年内发展的一个目标。但是，其缺点也是显然的：丌发周期 长，投入大，风险大，在一些地区或部门还不具备这种条件，将现有机器人体系转 换为这种要求的体系也是困难的。 随着微电子技术和硬件设计技术的发展，特别是市场的激烈竞争，通用p c 机的硬件技术( 特别是其中的微处理器) 遥遥领先，为软件的开发和运行创造了较 好的支撑环境，使得一些产品的个别单元技术已经或正在趋于成熟。但从总体上， 工业机器人离线编程技术尚不成熟，大都处在研究阶段，国内更是鲜见成熟的工 业机器人离线编程系统。 目前国内一些大学也相继开发了不同层次的软件包，如哈尔滨工业大学开发的 弧焊机器人的自动编程模型，清华大学开发的用于机器人的仿真和控制研究的软件 系统，北京航空航天大学丌发的基于微机的p u m a 2 6 2 机器人的自动编程系统，以 及华中科技大学开发的面向对象机器人离线编程系统等。 南京理工大学王克鸿等人2 0 0 1 年开发的针对s k 6 弧焊机器人设计研究了弧焊 机器人离线编程系统a w o p s ，该系统由几何特征提取及建模模块、焊接姿态规划 模块、焊接参数规划模块、机器人程序自动生成模块、机器人仿真及通讯模块等6 个模块组成，对同文软件m r c w o r d 进行了探索性二次开发，实现了弧焊机器人 离线仿真及焊枪与工件构建和计算机与机器人通讯的功能【1 5 1 。系统引入了智能化专 家知识，系统自动化程度较高，但是自动化只是体现在a u t o c a d 环境中少有的几 种模型中，不能从任意图纸中读取数据进行加工，在今后的发展中必将受到限制。 哈尔滨工业大学博士研究生田劲松于1 9 9 9 年提出了一种弧焊机器人任务级 离线编程系统的结构，包括建模器、任务编程器、任务规划器和机器人运动仿真 器等四个基本模块【1 6 j 。提出了一种焊接结构的特征分类方法，并在a u t o c a d1 4 基础上，利用o b j e c ta r x 技术开发了与a u t o c a d1 4 风格一致的焊接结构特征建 模器。同时，在a u t o c a d1 4 中，开发了用户使用方便的任务编程器。提出了采 用基于范例与规则混合的多专家系统协同技术来实现任务规划器。在3 d sm a x 基础上，利用m a xs c r i p t 语言快速地开发了基本的机器人运动仿真器。该系统提 出了任务级离线编程的概念，有一定的先进性，但是在开发建模器和机器人加工 仿真器时，为了提高开发效率，采用了基于商品化软件a u t o c a d 的二次开发技 术，不具有全部的产权归属，对以后的继续开发以及产业化都会造成一定的影响。 另外，仿真试验表明，利用该系统，只能对部分工件可以实现高效的任务级离线 编程工作，适用范围太窄，不利于今后的推广使用。 4 兰步i 1 理工大学硕士学位论文 1 4 方案的提出及研究意义 工业机器人应用于切削加工领域具有成本低、自动化程度高、柔性好、安装 空间小等优点，能方便地实现切削加工工具在空间的各种位姿。随着工业机器人 切削加工理论研究的深入，工业机器人在制孔、自动钻铆、铣面、切割等加工应 用已经逐渐成熟，开始在在汽车、船舶、航空制造等领域得到了广泛的推广，并 且，随着工业机器人性能的不断提高，切削加工机器人应用的方式也在不断地创 新【1 7 - 3 9 。 机器人切削加工系统中，利用工业机器人的可移动性和位姿可规划性，对大 型设备进行现场维修加工，由于机器人的结构特性，使得机器人可以在工作空间 中规避不规则障碍物，对采用现场加工的复杂工作条件具有极强的适应性。这种 将切削加工机器人应用于现场再制造技术，已经越来越多地受到学术和工业界的 关注和重视，成为工业机器人应用的重要发展方向。机器人切削加工系统如图1 1 所示： l 一激光扫描仪2 一待加工工件3 切削机器人4 一机器人控制柜5 计算机 图1 1 机器人切削加工系统构成 机器人切削加工系统采用逆向工程原理，通过激光扫描仪等对待加工工件进 行扫描测量，将获取的加工对象点云数据；点云数据传递到计算机中，由计算机 利用通用的c a d c a m 软件进行c a d 建模和任务规划，生成n c 加工程序( g 代码) ； 利用计算机中代码转换程序，将n c 加工程序( g 代码) 转换成用于控制机器人运 5 基于c a d 7 c a m 的丁业机器人切削加工离线编程技术研t = = = 皇皇篇詈詈詈詈詈詈皇寰兰詈詈詈詈詈詈寰詈皇詈詈詈詈詈詈= 害詈暑詈詈! = 皇詈詈詈詈詈= ! ! ! 詈暑皇兰詈詈詈皇皇詈詈詈皇苎詈詈皇皇皇詈詈! ! 兰詈詈皇苎詈詈詈鼍詈詈曼曼! 詈詈詈皇詈詈 动的机器人j o b 代码文件；通过仿真模块进行机器人加工预测，优化机器人j o b 代码文件，再传输给机器人控制柜，控制机器人产生切f f i j j i j 工动作。 这种加工方式可以广泛应用到大型复杂二 件维修和性能改造中，如石化领域 大型压力容器、大型罐体、缸体、罩体的现场维修加工。水轮机叶片因长期使用 造成磨损、腐蚀及裂纹，而导致密封能力下降或由于流体冲刷和叶面受力不均导 致的型面破坏，需要维修加工后才能继续使用，因工期或安装空问问题，要求在 生产现场进行修复加工，这种现场维修加工将是工业机器人应用的的重要方向 醐 0 机器人切削加工系统的核心是基于计算机平台的工业机器人切削加工离线编 程系统，本文将主要研究工业机器人切削加： 离线编程系统的关键技术和实现方 法。 在机器人切削加工系统中，通过离线编程系统对工业机器人进行任务规划， 通过离线编程系统的仿真，规避干涉和碰撞，优化加工工艺，很大程度上扩大了 可加工的范围，而且在一定程度上可以改善产品质量、提高生产效率、降低成本 和劳动强度，具有良好的经济效益删。 现在主要的切削加工设备是数控机床，在很多情况下，工业机器人需要和数 控机床协同配合，优势互补，y j 能更好地完成加工任务。因此，需要机器人跟数控 机床在程序级别上能有一定的交互。已有的离线编程系统却忽视了这一点5 1 硒既 3 2 1 ，适用于数控机床的编程语言与适用于机器人的编程语言之间如果不能进行加工 代码沟通，这样既局限了机器人以及数控机床的应用范围，也使机器人与数控机床 之间的协作受到了影响。 为了完善这种状况，能否让工业机器人跟数控机床之问增加一层编程代码级 别的直接沟通，让适用于数控机床的通用加工代码直接运用于工业机器人并完成 正确的加工，围绕这个设想，做了一些尝试。 n c 加工程序( g 代码) 早在2 0 世纪7 0 年代就已经作为一种i s o 标准被广 泛应用于各种数控机床中，它将图纸中工件的点、线、面的信息提取为加工工具 的运动路径；而各种工业机器人的j o b 运动指令也是大同小异，并有一定规律可 寻。因此提出了如此一个设想：利用n c 加二 程序和j o b 运动指令作为桥梁，将 工业机器人与数控机床有机地结合起来，在此基础上实现工业机器人的自动编程。 基于n c 加工程序的工业机器人离线编程，使工业机器人与数控机床有机地 结合起来，提供了一条机器人与数控机床直接进行交流的途径，既扩大了工业机 器人的加工场合，又能更好地发挥其灵活、快速等优越性，更好地与数控机床完 成协同工作，优势互补，降低成本，提高效率。 目前，c a d c a m 技术已趋成熟，其便捷、高效的建模手段及集成技术，能 够成为工业机器人编程中的有力工具。基于计算机仿真软件的虚拟样机技术越来 兰州理工大学硕士学位论文 越多的被应用到机构的仿真和性能分析中。这些设备和系统为工业机器人的自动 编程技术研究和推广提供了基本的硬件和软件条件。具有完善数据分析能力的可 视化工业机器人自动编程系统能够实现计算机系统和机器人系统的集成，具有广 阔的应用前景。 据以上分析，本文提出了以n c 加工程序( g 代码) 为桥梁，实现工业机器 人切削加工的离线编程。鉴于c a d c a m 技术己趋于成熟，其便捷高效的建模 手段及集成技术为工业机器人离线编程的实现提供了有力工具。大型的c a d c a m 软件，如u g 、c a t i a 等都可以直接生成n c 加工程序，因此，本文提出的 工业机器人离线编程方法是以n c 加工程序为桥梁，提取其中的位置、矢量及速 度等信息，经过机器人控制点计算和代码转换，最终生成p u m a 5 6 0 型工业机器 人j o b 控制指令，通过m a t l a b 与a d a m s 进行仿真和加工预测，既避免了独 立开发机器人c a d c a m 和仿真软件的巨大工作量，又增加了机器人离线编程 软件的通用性和实用性，大大提高了工业机器人应用于切削加工的编程效率，而 且它适应了机械加工无纸化、电子化的趋势，并能在一定程度上满足柔性加工的 要求。 1 5 关键技术问题 在工业机器人示教再现用户编程接口上进行扩展，从而实现机器人三维轨迹 的离线编程，这需要对多方面的知识进行一定的融合，并在一些新的范围内做一 些尝试。本文以n c 加工程序( g 代码) 作为离线编程基础，将对工业机器人切 削加工离线编程系统的几个关键技术进行研究，主要有： ( 1 ) 模型生成和数控加工工艺设置 机器人切削加工系统的加工对象信息来源于由逆向工程得到的工件点云数 据；利用逆向工程软件，由点云数据生成c a d 模型；针对机器人切削加工系统 特点，采用合理的工艺设置，生成n c 加工程序( g 代码) ，是实现机器人切削加 工的前提。 ( 2 ) n c 加工程序数据的提取 由于n c 加工程序是应用于数控机床的一种标准，机器人系统与数控加工系 统存在许多差别，因此必须设计算法将n c 加工程序中所能提供的数据信息转换 为仿真软件和机器人运动指令可用的数据信息。 ( 3 ) 切削运动仿真 为了达到对加工姿态和加工路径的优化，以及对工作空间碰撞的预测，需要 对加工过程进行仿真。由于n c 加工程序中很难提供充足的针对姿态的数据，因 此必须通过可行的加工工艺设计，提供可靠的机器人位姿。还需要对c a d c a m 基于c a d c a m 的工业机器人切削加工离线编程技术研究 软件、工业机器人代码转换软件、计算机仿真软件进行适当的综合，尝试找出能 提供最优转换、演示和数据分析的方案。 ( 4 ) 调试 调试可以分为两部分：一是软件方面的查错调试，对于一个编程项目，调试将 经历一个比较长的时问跨度，包括程序结构化调整、内存管理、执行速度优化、 漏洞补丁等；二是因为代码转换程序与仿真模块之间存在数据交换，所以代码转 换程序设计与仿真方案选择需要放在一起综合考虑。 1 6 本文章节安排 第一章概述了课题的来源、意义及工业机器人切削加工离线编程技术的国内 外研究和发展现状。最后介绍了本文的主要研究内容。 第二章介绍了机器人运动学的基础理论，以p u m a 5 6 0 型工业机器人为例， 利用齐次变换理论建立了机器人的运动学模型，建立了p u m a 5 6 0 的运动学方程， 为离线编程技术的研究奠定了基础。 第三章针对工业机器人切削加工离线编程技术，研究了离线编程的开发平台， 分析了离线编程的关键技术及其可行性。 第四章探讨了工业机器人切削加工离线编程系统的c a d c a m 基础。通过 u g 从通用c a d 模型和由逆向工程的离散点实体化模型中获取加工对象，生成 n c 加工程序。 第五章研究了从n c 加工程序到工业机器人控制指令之间的转换过程。根据 n c 加工程序与工业机器人控制指令之间的信息对应关系及工业机器人控制指令 格式，利用v i s u a lc + + 开发转换程序。 第六章研究了工业机器人切削加工离线编程的虚拟仿真。在m a t l a b 中通 过提取n c 加工程序信息获取机器人任务要求，计算出数据然后根据该数据在 a d a m s 中生成样条函数，驱动虚拟物理模型运动，然后在后处理模块中通过分 析仿真结果来修正加工工艺参数设置，优化切削加工结果。 1 7 本章小结 本章首先分析了工业机器人加工制造业的发展趋势是自动编程技术，并结合对 国内外自动编程技术的分析，提出了在计算机系统平台上基于n c 加工程序( g 代 码) 的工业机器人自动编程技术，讨论了它的创新点及其意义，并对主要的技术问 题进行了说明。 兰州理工大学硕士学位论文 第2 章机器人运动学方程 机器人运动学是实现机器人切削加工系统的数学基础，是实现从机床运动控 制到机器人运动控制转换的数学基础，也是机器人运动仿真的数学基础。 2 1 机器人运动学概述 为了描述机器人本身的各个连杆之问、机器人和环境之问的运动关系，通常 将它们当作刚体，研究各个刚体之间的运动关系。通常在机器人机体无碰撞情况 下考虑机器人末端的空间位姿。机器人的末端空间位姿就是其在基准坐标系中的 位置和空间角度。 对机器人进行离线编程，必须首先建立机器人末端与基座之间的数学关系。 所以机器人的运动学方程，是指机器人操作机的每一个杆件在空问相对于绝对坐 标系或机器人参考坐标系的位置和姿态的方程。此方程是对机器人进行运动学分 析的基础，围绕这个基础，引出了机器人运动学的两类基本问题。 运动学正问题：该问题是机器人运动学方程的建立过程，即给定各杆件的结构 参数和关节变量，利用齐次坐标变换矩阵，求出机器人末端执行器的位姿。 运动学逆问题：该问题是机器人运动学方程的求解过程，即已知各杆件的结构 参数和满足某工作要求时机器人末端执行器的空间位姿，求出在该位姿时各关节 的变量值。 运动学逆问题是机器人控制的基础，也是机器人离线编程的关键。逆问题的 有解及无解、解的连续及优化，直接关系到离线编程的可行性和正确性。 正解、逆解的关系如图2 1 ： l 关节变量。”。 图2 1 机器人运动学正、逆解关系图 基于c a d c a m 的工业机器人切削力工离线编程技术研究 2 机器人运动学方程 2 2 1 机器人运动姿态与连杆坐标系 2 。2 ，1 1 机器人的末端姿态 图2 2 表示机器人末端姿态。把所描述的坐标系的原点置于机器人末端，此 原点由矢量p 表示。描述机器人末端方向的二个单位矢量的指向如下：z 向矢量 处十机器人末端进入物体的方向上，并称之为接近矢量d ；x 向矢量的方向为焊 缝的切线矢量方向，称为方向矢量门；最后一个矢量叫做法线矢量0 ，它与矢量口 和甩一起构成一个右手矢量集合，并由矢量的交集的叉积所规定：0 = 以，z 。因 此，变换o t 具有下列元素： 图2 2 矢量r l 、a 、o 和p o t 6 = ，2 o x n y o y 玎zd ： oo a xp x 臼_ p ， 口zp z 0l ( 2 1 ) 式2 1 中玖，仰，他，巩，哆，o z ，鲰，够，a z 分别为末端坐标系的轴在机座坐 标系中的方向余弦，表示了末端执行器的姿态。n - - - - ( n x ，坳，n z ) t 为法向矢量，d = h ， ，o z ) t 为方位矢量，口= ( 缎，够，a z ) t 为接近矢量。依，聊，见为末端坐 标系的原点在在机座坐标系中的位置，p = ( p x ，p y ，见) t 为机器人末端的位置矢量 闱 o 2 2 1 2 连杆参数定义 机器人机械手由一系列连接在一起的连杆构组成，需要用2 个参数来描述一个 连杆，即公共法线距离口，和垂直于口，所在平面两轴线的夹角a ，；需要另外2 个参数来 表：示相邻两连杆的关系，即两连杆相对位置玩和两连杆的法线的夹角伊i 。如图2 3 所：示，这4 个连杆参数定义如下：f 是两关节的关节轴线i 与升1 的夹角为连杆扭转 角；a i 是两关节的关节轴线2 与i + 1 的公垂线的距离为连杆长度：0i 是相邻两条公 垂线a f - j 与a i 的夹角为关节角；d f 是相邻两条公垂线a i 一，与a f 的距离为连杆偏移量。对 l o 兰州理工大学硕士学位论文 于转动关节来说，0f 为变量，其余为常量：对于移动关节来说，d f 为变量，其余为 毕争且 l 节里。 图2 3 前置法的杆件d h 参数 采用为关节链中的每一杆件建立附体坐标系的矩阵方法，为每个关节处的杆 件坐标系建立4 4 齐次变换矩阵，表示它与前一杆件坐标系的关系。定义 x o y o z 0 是与固定坐标系相连的固定参考坐标系，称为基坐标系；原点0 f 是取关节 轴线i 与i + 1 的公垂线在i 的交点为坐标原点；z j 轴是取f 轴的方向为z 藩由方向；x 融 是取关节i 与i + 1 的公垂线从o 才旨向汁1 的方向为x 寿由的方向；y f 轴是根据右乎定则， 由x 舶和z 舶确定y 寿由的方向；盯f 可以看成是绕x 彦由，z 霹由到z 斗i 轴的角度：a i 可 以看成是沿x f 轴方向，z 融到z f + l 轴的距离；咿可以看成是绕z f 轴，x f - l 轴到x 舶 的角度；疡可以看成是沿z 舶，x 轴n x f 轴的距离 4 7 1 。 2 2 1 3 连杆参数与坐标系 p u m a 5 6 0 机器人由6 自由度旋转关节构成例，其构成示意图如图2 4 所示。 参照人体结构，机器人的第1 个关节( f 1 ) 通常称为腰关= 节，第2 个关节( 如) 通常称 为肩关节，第3 个关节( i 3 ) 通常称为肘关节，关节轴线为i 4 ，i 5 ，f 6 的关节通常统 称为腕关节。其中前3 个关节确定手腕参考点位置，后3 个关节确定手腕的方位。 关节f l 的轴线为铅直方向，关节i 2 ，f 3 的轴线方向水平且平行，距离为a 3 。关节 f i ，f 2 轴线垂直相交，关节i 3 ，i 4 轴线垂直交错，距离为口4 。后3 个关节的轴线相 交于一点，该点也选作坐标系 4 ) ，( 5 ) ，( 6 ) 的原点 4 9 1 。各连杆坐标系如图2 5 所示。 图2 4p u m a 5 6 0 机器人连杆参数 基于c a d c a m 的t 业机器人切削力工离线编程技术研究 = = = ! = = ! ! = = = = ! = ! ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! ! ! ! = ! = ! = = ! = ! = = ! = = = ! = ! ! = = ! ! ! = = ! ! = 2