（机械制造及其自动化专业论文）相贯线切割机器人作业单元关键技术研究.pdf

天津大学博士学位论文 摘要 本文密切结合新型5 自由度混联机器人t r i v a r i a n t b 的钢管相贯线切割应 用，系统的研究了该机器人运动学与工作空间分析、空间连续轨迹规划、控制 系统开发及钢管相贯线切割工艺等相关理论、方法和关键技术，论文取得如下 创造性成果： 口 采用矢量法建立t r i v a r i a n t b 混联机器人机构的运动学模型，并基于避免干 涉和奇异位形的考虑，在末端执行器逆解多解中正确选择了合理解。采用 n e w t o n r a p h s o n 法构造出2 自由度球面并联机构的位置正解数值算法，并用 c 语言和l a b v i e w 环境开发了用于机器人末端位姿实时监控的位置正解软 件模块。计算结果表明，在本文开发的控制系统中，位置正解运算时间为 3 5 1 x s ，满足了实时性要求。在此基础上，建立了混联机器人的速度映射模型， 进而为后续轨迹规划与运动控制提供了运动学基础。 口 根据机器人尺度参数和铰链运动范围约束条件，建立了工作空间边界约束 方程，得到t r i v a r i a n t b 机器人的可达位置空间。在此基础上，应用极坐标 描述方法，构造出可达位置空间内部任意点的姿态空间模型。利用上述模 型可保证末端执行器在工作空间内的运动连续性，进而为轨迹规划提供了 重要依据。 口 在独立规划点和矢量轨迹的基础上，提出了一种基于点矢复合运动的时间 同步规划算法和轨迹段问过渡算法，保证了末端执行器位姿运动的同步和 轨迹过渡问题。针对任意空间曲线和参数化空间曲线，提出一种基于耦合 速度曲线的连续运动轨迹规划方法和轨迹插补算法，在二阶近似条件下可 获得理想的轨迹精度，进而将操作空间轨迹映射到关节空间后，利用分段 三次样条函数可得到c 2 连续的高精度实时控制轨迹。 口基于p c + m o t i o nc o n t r o l l e r 构建出t r i v a r i a n t b 混联机器人控制系统核心硬件 平台，并结合切割、焊接、喷涂、轻型加工、装配及搬运等多种应用场合， 利用可重构思想设计了控制软件的逻辑架构。应用图形化编程环境 l a b v i e w 实现了机器人控制软件的模块化与层次化设计，开发了控制系统 天津大学博士学位论文 回零、轨迹控制、点动控制、在线仿真、网络通讯等核心功能。这种基于 数据流的编程方式可有效缩短软件开发和测试周期，提高开发效率。 口 以t r i v a r i a n t b 机器人为核心构建机器人相贯线切割作业单元，系统地研究 了快速零点标定方法、钢管在机器人工作空间中的最优摆放位姿与定位方 法和预留坡口角相贯线切割动态轨迹规划等关键技术，基于上述关键技术 开发的机器人相贯线切割作业单元成功应用于钢结构生产企业并完成多项 石化用火炬塔架相贯线切割任务。 关键词：混联机器人，工作空间分析，轨迹规划，相贯线切割，控制系统开发 天津大学博士学位论文 a bs t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sat h e o r e t i c a lp a c k a g ef o rk i n e m a t i c sa n dw o r k s p a c e a n a l y s i s ，c o n t i n u o u sp a t hp l a n n i n g ，d e v e l o p m e n to ft h ep cb a s e dc o n t r o ls y s t e mf o ra n e w5 - d o fh y b r i dr o b o tk n o w na st h et r i v a r i a n t - b ，o u to fw h i c ha p i p ei n t e r s e c t i n g c u r v ec u t t i n gm a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e d t h ef o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n sh a v eb e e n m a d e t h ei n v e r s ek i n e m a t i ca n a l y s i so ft h e5 - d o fh y b r i dr o b o ti sc a r r i e do u tu s i n g v e c t o rb a s e dm e t h o da n dt h ei n t e r f e r e n c ea n d s i n g u l a r i t yf r e es o l u t i o ni ss e l e c t e d b yu s i n gn e w t o n - r a p h s o nm e t h o d ，t h en u m e r i c a la l g o r i t h mi sd e v e l o p e dt o s o l v et h ef o r w a r dd i s p l a c e m e n tp r o b l e mo ft h e2 - d o fs p h e r i c a lp a r a l l e lm o d u l e i tt a k e sl e s st h a n3 5 p , st os o l v et h ef o r w a r dd i s p l a c e m e n tp r o b l e mu s i n gt h i s a l g o r i t h ma n dt h e r e b yc a nb eu s e df o rt h er e a lt i m ea p p l i c a t i o n s t h ej a c o b i a n m a t r i xo ft h eh y b r i dr o b o ti sf o r m u l a t e d ，w h i c hi su s e f u lf o rt h et o o l p a t h p l a n n i n ga n dm o t i o nc o n t r 0 1 g i v e nt h ed i m e n s i o n a lp a r a m e t e r sa n dt h ej o i n tl i m i t s ，ag e o m e t r i c a lc o n s t r a i n t m e t h o di s p r e s e n t e dt od e t e r m i n et h eb o u n d a r yo ft h er e a c h a b l ew o r k s p a c e i n a d d i t i o n ，t h ep r o j e c to r i e n t a t i o nw o r k s p a c eo ft h ee n d e f f e c t o ra ta n ya r b i t r a r y p o i n tw i t h i nt h ep o s i t i o nw o r k s p a c ei sa c h i e v e db yu s i n gp o l a rc o o r d i n a t e s y s t e m s a sar e s u l t ，t h ec o n t i n u i t yo ft h em o t i o no f t h ee n d - e f f e c t o rw i t h i nt h e s e w o r k s p a c e sc a nb ee n s u r e d an o v e lp a t hp l a n n i n gm e t h o df o rg e n e r a t i n gp o i n t v e c t o rt r a j e c t o r yi sp r o p o s e d a n da l g o r i t h m so ft i m es y n c h r o n i z a t i o na n dt h et r a n s i t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n t p a t hs e g m e n t sa r ed e v e l o p e d o nt h eb a s i so fv e l o c i t yp r o f i l ea n a l y s i s ，a n a p p r o a c hf o rt r a j e c t o r yp l a n n i n ga n di n t e r p o l a t i o ni sp r o p o s e df o rg e n e r a t i n g p a r a m e t r i ca n di m p l i c i ts p a c ec u r v e s c o m p u t e rs i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ei d e a l t r a j e c t o r ya c c u r a c yu pt ot h es e c o n do r d e ra p p r o x i m a t i o nc a nb eo b t a i n e d t h e r e a l - t i m et r a j e c t o r yi nj o i n ts p a c ei sa l s oo b t a i n e du s i n gp i e c e w i s ec u b i cs p l i n e s t oa c h i e v ec 2c o n t i n u i t y i i i 口 口 口 天津大学博士学位论文 t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h et r i v a r i a n t br o b o tc o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p e d b a s e do np ca n dm o t i o nc o n t r o l l e ra n dt h er e c o n f i g u r a b l eo ft h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r ei sd e s i g n e dt om e e td e m a n d si nv a r i o u sa p p l i c a t i o n ss u c ha sc u r i n g ， w e l d i n g ，l i g h tm a c h i n i n g ，a s s e m b l y ，p i c k - a n d - p l a c e ，e t c t h eg r a p h i c a l p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n tl a b v i e wi se m p l o y e dt od e v e l o pt h ek e yc o n t r o l f u n c t i o n ss u c ha sh o m i n g ，t r a j e c t o r yc o n t r o l ，j o gc o n t r o l ，o n l i n es i m u l a t i o n ， n e t w o r kd a t ac o m m u n i c a t i o n s ，e t c a n dg r e a t e f f i c i e n c yh a sb e e na c h i e v e di nt h e d e v e l o p m e n ta n dt e s t i n gp r o c e d u r ed u et ot h es p e c i a lm a n n e ro fd a t af l o w d i a g r a m t h et r i v a r i a n t br o b o th a sb e e nu s e dt od e v e l o pap i p ei n t e r s e c t i n gc u r v ef r a m e c u r i n gu n i t a n dt h e t e c h n i q u e st oi m p r o v ei t sa c c u r a c y ，e f f i c i e n c y a n d a p p l i c a b i l i t ya r ei n v e s t i g a t e d ，s u c ha s f a s th o m ep o s i t i o nc a l i b r a t i o n ，q u i c k l o c a l i z a t i o no ft h es t e e lp i p ei nt h ew o r l dc o o r d i n a t es y s t e m s ，t r a j e c t o r yp l a n n i n g o fi n t e r s e c t i n gc u r v ec u t t i n gw i t hb e v e la n g l e s ，e t c a sar e s u l t ，t h ep r o d u c t s h a v e b e e nw i d e l yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o no ff l a r es t a c kt o w e rp y l o n si n p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：h y b r i dr o b o t ，w o r k s p a c ea n a l y s i s ，t r a j e c t o r yp l a n n i n g ，i n t e r s e c t i n g c u r v ef l a m ec u r i n g ，c o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t i v 口 口 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：力d p 沪，年踟箩自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：矿莎年 q 月矿日 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 近年来，在快速多变市场需求的带动下，开发具有生产适应性的新型可重 构制造装备与系统成为全球装备制造业的热点。其中为了提高诸如飞机机身和 机翼、轮船船身、列车车体、风力发电机叶片及汽车白车身等大型结构件模具 的加工、装配和焊接切割生产效率和加工质量，需要装备具有大的工作空间占 地面积比和较高的刚度与精度。 传统c n c 机床和关节型机器人在工作空间占地面积比、刚度和精度等性能 指标上各有优劣。将机床与关节型机器人的结构有机地结合，开发兼具二者优 点的新型制造装备便成为近年来学术界和工业界研究的热点。并( 混) 联构型装备 ( p a r a l l e lk i n e m a t i cm a c h i n e s ，后简称p k m ) 便是在这种背景下问世的i 嵋j 。 早期p k m 的研究与开发源于以s t e w a r t 平台为原型的各种6 自由度并联机 床，如美国g i d d i n g s & l e w i s 公司和i n g e r s o l l 公司研制的称为“变异型 ( v a r i a x ) 和“六足虫”( h e x a p o d ) 的虚拟轴机床与加工中心【3 - 5 】。由于杆状构件的拉压刚度 远大于弯曲刚度，因此s t e w a r t 平台的刚度重量比在理论上高于传统机床和工业 机器人。然而，由于6 自由度并联机构存在工作空间占地面积比小、实现姿态 能力差等问题，因此少自由度并联机构近年来受到学术界和工业晃的重视( l e e 和s h a h i 制，19 8 8 ；w a l d r o 和r a g h a v a n 等【7 j ，19 8 9 ；p i e r r o t 和c h i a c c c h i o 19 9 0 ； t s a i 和t a h m a s e b i 明，1 9 9 3 ；p r i t s c h o w 1 0 】，2 0 0 0 ) 。目前，在工程中得到成功应用 的少自由度并联构型主要如下三类：( 1 ) c i a v e l i 发明的3 平动自由度d e l t a 机构， 已广泛用于电子、医药、食品等行业中对轻小物料的高速抓放操作；( 2 ) h u n t 副 发明的3 - p r s 并联机构以及c a r r e t e r o f l 3 j 发明的3 - r p s 机构，已初步用于航空结 构件的高速数控加工；( 3 ) n e u m a n n 1 4 ，b 1 发明的t r i c e p t 混联机器人，已广泛用于 飞机和汽车制造业中的加工、装配及焊接等场合。 作为一种混联p k m ，t r i c e p t 机器人并联结构部分由一条3 自由度恰约束从 动支链和三条6 自由度无约束主动支链组成，其中恰约束支链仅允许相对机架 参考点作2 自由度转动和沿其轴线方向上的移动，因而属于球坐标型并联机构 ( s p h e r i c a lc o o r d i n a t ep a r a l l e lm e c h a n i s m ，后简称s c p m ) 1 6 j 。与此类似的构型还 第一章绪论 有g e ct e r a b o t ”、r n tr o b o 啪o e o g ev 1 2 。肄。( 见图i 1 至圈i - 3 ) 。t r i e e p t 机器人的串联结构部分则是在上述球坐标型并联机构的动平台( 恰约束链末端) 安装的2 自由度转头。 t r i c e p t 机器人由于工作空间机构体积比大、刚度高、静动态特性好、及模 块化程度高等优点，受到众多机器人及机床制造商的青睐，先后开发了多种加 工、装配及焊接用系列机器人或机床产品，广泛应用于飞机和汽车制造企业。 如s m tt r i c e p t 公司相继开发的t r i c e p t6 0 0 、t r i c e p t8 0 0 、t r i c e p t9 0 0 0 和t r i c e p t 1 0 0 5 等系列( 见图l 一4 ) 加工用机器人或加工中心，其性能已与传统机床相当，能 用于钢及钛合金材料的加工。与此同时，该公司将t r i c e p t 专利使用权分别转让 给著名机器人制造商a b b 和机床制造商d e c k e lm a h o ，前者开发出i r b9 4 0 机 器人用于大型铸铝件的清洗和预加工( 见图l 一5 ) t 后者则开发出t r i c e n t e r5 坐标 加工中心( 见图l 一6 ) ，可一次装卡完成多面或复杂曲面加工。此外，波音、空中 客车、沃尔沃、大众、通用、福特等国际著名飞机和汽车制造商均利用t r i c e p t 图1 1g e ct e m b o t圈i - 2 r n t r o b o t图1 - 3 g e o r g v v 迎峙。中守 “6 ”笛。0 。：篙菜列并裁”o ” 天津大学博士学位论文 锄 出1 - 5i r b9 4 0 ( a b b r o b o t i c s ) 幽1 - 6 r i c e n t e i ( d e c k e l m 曲。 爨墨豳 凰黑 ( m a ls t o m 西班牙工厂 t f i e e p t s 0 0 用于列车车体加工 ( e ) a i r b u s 西班牙工厂4 台t d c e p t 用于a i r b u s a 3 5 0 机翼加工 图1 7t r i c c p t 机器人在汽车、列车与飞机制造业的应用 第一章绪论 机器人模块构建出各种新型装备，用于大型结构件和大型模具高速加工白车 身激光焊接、扳材高速切削、列车车体及飞机机翼钻孔和焊接、发动机和汽车 部件总成装配等方面口“1 ( 见图】- 7 ) 。 国内，天津大学在充分研究t r i e r ：p t 机器人的基础上，白2 0 0 3 年起开展新型 混联装备的研究，并于2 0 0 4 年提出一种新型5 自由度混联机器人 t r i v a r i a n t a 1 2 7 1 ( 见图1 - 8 1 。该机器人将t r i c o t 的被动支链和一条主动支链台二 为一，构成一种t r i c ( 。p t 变异型机器人，并做了大量理论研究工作。前期研究结 果表明，t r i v a r i a n t - a 继承了t r i c e p t 的自由度数目和类型，并在尺度和惯性参数 等同条件下，具有与t r i c e p t 机器人相似的运动学与刚体动力学性能”8 刈。然而 注意到t r i c e p t 及t r i v a r i a n t - a 的恰约束从( 主) 动和无约束主动支链采用内副驱动 方式，故若要获取更大的工作空间，则需要增大各主动支链的行程，最小杆长比， 进而导致机器人侧向刚度降低，同时对机械结构设计、制造和装配提出了更高 要求。为了克服上述缺点，天津大学又于2 0 0 5 年提出一种可实现同等运动，且 工作空间支链行程比大的5 自由度混联机器人t r i v a r i a n t b 口。”1 ( 见图1 9 ) 。 t r i c e p t 机器人在国外已广泛应用应用技术也趋成熟。但由于其系统及应 用集成费用高昂，因此用户大多集中在汽车和飞机等高端产品制造企业，国内 企业尤其是国内中小型制造企业难以承受，因此结台中小型企业对该类型机器 人装备的需求，自主研发基于t r i v a r i a n t 系列机器人的应用系统便显得十分重要。 虽然国内外科研机构和机器人制造商已研制出多种混并联机构机器人系 统，但目前其在工程应用领域的研究尚处于起步阶段，仍存在裉多技术问题亟 待解决。因此，将具有我国自丰知识产权的t r i v a r i a n t 系列混联机器人应用于我 国1 - 8t r i v a r i a n t - a 型机器人囝1 - 9t n v a r i m t - b 型机器人 天津大学博士学位论文 国钢结构生产领域，实现钢管相贯线、各种型材及异型曲面的切割，对于促进 我国机器人原创技术的推广应用和提升我国钢结构生产企业的自动化水平具有 重要意义。 1 2 国内外研究状况 鉴于本文的核心研究内容为t r i v a r i a n t b 机器人相贯线切割应用关键技术， 内容涉及工件在t r i v a r i a n t b 机器人的工作空间的最优布局、三维空间曲线连续 轨迹规划、控制系统设计及应用t r i v a r i a n t b 机器人切割相贯线的应用技术等， 因此对国内外相关领域的研究状况作简要回顾如下。 1 2 1 工作空间分析 工作空间是描述机器人的重要参数，它是由机器人拓扑结构及尺度参数、 关节约束、干涉和位型匹配等约束条件所决定的末端执行器的可达位置和姿态 的集合，包括位置空间和姿态空间。位置空间分析主要包括三方面，可达位置 空间、定姿态位置空间和灵活空间( d e x t e r o u sw o r k s p a c e ) ，其分析方法主要分为 数值法和几何法两种。g o s s e l i n 3 4 j 等人首先根据驱动关节行程约束条件采用数值 方法计算出6 自由度s t e w a r d 机构的可达位置空间边界，m e r l e t l 3 5 , 3 6 后来充分考 虑了铰链活动范围和支链干涉条件对可达空间的影响，b o n e v 3 7 】应用几何法研究 一种6 - p r r s 并联机构，固定动平台姿态后，便可得到可达位置空间的重要子集 一定姿态位置空间，之后b o n e v 3 8 j 又提出一种获取轴对称并联机构的工作空间边 界的解析方法。灵活空间的概念首先由k u m a r 和w a l d o n 3 9 , 4 0 1 提出，其定义为末 端执行器腕部可绕所有旋转轴自由旋转的空间位置的集合，随后g u p t a 和 r o t h 4 1 , 4 2 1 研究了机器人手部尺寸对机器人灵活空间的影响，v i j a y k u m a r 4 3 】和 l a i t 删根据该定义给出了灵活空间的求解方法并将其用于串联机器人的几何优化 过程，最近g e o f f r e y l 4 5 】等人则给出一类并联机器人的灵活空间的定量计算方法。 姿态空间定义为执行器绕定点的所有可达方位的集合，其表达形式依坐标 系的不同而异，y a n g 删等人首先提出笛卡尔坐标系下的“服务角”和“服务区 概念，用以直观表达出机器人的姿态空间。后来b o n e v 47 】采用一组修正欧拉参数 方法在圆柱坐标系下表示了6 自由度并联机构姿态空问，并提出了5 自由度机 器人末端轴向矢量的2 维映射姿态空间的计算和表示方法，但是上述数值算法 第一章绪论 的边界精度和计算效率较低，为了解决以上问题，k i m 4 8 1 提出一种根据动静平台 半径、铰链位置和主动支链长度等纯几何条件研究一种6 自由度并联机器人工 作空间的几何方法，该方法不需要考虑动平台的姿态可直接得到精确的工作空 间边界。h u a n g l 4 9 - 5 1 】利用空间四杆机构方法得到了6 自由度并联机器人位置和姿 态空间的显式解答。 综上所述，无论是位置空间分析还是姿态空间分析，几何法都因计算精度 和效率都优于数值法而受到关注。值得指出的是，进行工作空间的分析的目的 多是为指导机器人机构尺度参数的优化设计1 5 2 - 5 4 j ，也有为获得更高的加工精度 研究工件在机器人工作空间中的最优装卡位姿问题【”】，但有关工件在机器人工 作空间的最优布局及机器人最大加工能力预估问题的研究鲜有报道。 1 2 2 轨迹规划 机器人轨迹规划主要包含两方面内容，路径规划和运动规划。路径规划问 题是指在复杂的环境中，按照一定的评价标准( 如路径最短、时间最优等) 寻找一 条从起点到终点的运动路径，使得机器人安全、无碰撞的越过所有障碍物，也 称无碰撞路径规划。随着模糊逻辑与控制、神经网络、遗传算法、群蚁算法等 现代计算方法【5 6 。6 2 j 的发展，路经规划方法已广泛用于移动式机器人，如火星探 测机器人【6 3 1 ，自动化工厂或车间的物料自动搬运机器人畔j ，民用防暴、反恐、 消防灭火、排险求援等危险作业移动机器人等1 6 5 | 。此类机器人规划运动路径的 先决条件是通过各种智能传感技术对周围的复杂环境作出的正确判断。然而， 工业机器人系统的操作环境相对简单，通常不需要复杂的路径规划，只需经过 离线或者示教编程，机器人便可执行诸如装配、搬运、切割、焊接、加工、清 洗或喷涂等重复性任务。由于执行器的运动路径较为固定，因此对于工业机器 人而言，轨迹规划的核心问题是运动规划，目标是使机器人机械系统的运动尽 可能平稳，避免产生位置、速度、加速度的突变。 对于装配、包装、码垛及加工中的更换刀具和快进等过程，只要机器人能 将具有一定位姿( 起始位置) 的物料或工具移送至另一位姿处( 停止位置) ，而且关 节空间运动平滑且不发生干涉，至于沿何种路径如何移动物料则无关紧要，这 类运动规划方法通常称为点到点运动规划或者抓放操作轨迹规划。所需解决的 核心问题是使起始点到终止点的运动所需时间最短，即时间最优轨迹规划问题。 在时间最优轨迹规划问题中，可在操作空间亦可在关节空间中规划运动规律。 s h i ne 6 6 1 和b o b r o w l 6 7 】等人提出一种给定操作空间运动路径的时间最优轨迹规划的 6 天津大学博士学位论文 相平面方法，然而该方法需要精确的机器人动力学模型，而结构复杂的多自由 度混联机器人动力学模型非常复杂，因此很难获得。此外，该方法的算法也较 为复杂，不宜用于工程实际。直接在关节空间中的规划方法则可有效避开上述 问题，有关研究多集中在关节空间运动规律的选择和优化方法两个方面。常用 的运动规律包括三次样刹6 8 1 、高阶多项式【6 9 、b 样条函数 7 0 , 7 1 1 以及b e z i e r 曲线 7 2 , 7 3 1 等，其中三次样条函数因表达简洁且具有二阶导数连续( 即加速度连续) 等特 性，得到广泛应用。优化方法则以l i n 7 4 】等人提出的复合形算法为代表。 对于切割、焊接、铣削、清洗及喷涂等过程，要求末端执行器沿程序给定 的曲线路径及相应的姿态运动，即连续轨迹规划。其核心问题是使末端执行器 实际运动轨迹与给定轨迹的位置偏差尽可能小。在机器人实际尺度参数已知的 前提下，影响末端执行器轨迹精度的主要因素取决于所用的插补算法。众所周 知，直线与圆弧插补算法是机床加工领域中应用最广的插补算法，且可解决9 0 以上的加工问题1 75 | 。然而，随着人们对产品外观设计需求的不断提升，各种复 杂曲线曲面逐渐受到设计师们的青睐，然而这也给此类产品的加工带来了难题， 人们纷纷借助c a d c a m 系统，将刀具的空间曲线加工轨迹离散成大量的直线 段来逼近设计曲线，进而生成控制机床各轴同步运动的加工n c 程序。显然，这 些直线段的数量必然随着精度要求的提高而大大增加，同时也带来占用内存空 间和计算负荷大，处理时间增加等问题，从而使得加工效率降低。 为此，许多学者开展了针对空间参数曲线和隐式曲线的实时插补算法的研 究，s h p i t a l n i l 7 6 j 首先给出两种类型曲线的插补算法以期解决一般曲线的插补问 题。s o o n l 7 7 1 则采用数据采样的参数化插补算法，并通过该算法降低了轨迹误差 及速度波动。x u 7 8 1 得到一种通用3 维隐式曲线的表达形式并提出了相应的插补 算法。以上研究均针对机床加工领域中存在的一类参数化空间曲线或隐式曲线 的匀速率插补算法。上述工作虽然理论上取得了很好效果，但由于商用控制系 统的开放性问题，实际应用往往受到了限制。不仅如此，上述方法只适用于匀 速率切削加工情况，运动中无法根据实际工况做出自适应的速度调节。 1 2 3 控制系统 机器人系统的核心是其控制系统，通常由机器人离线编程、运动控制、伺 服驱动、传感、网络通讯等子系统组成。自上世纪9 0 年代以来，随着计算机技 术的飞速发展，机器人控制系统也随之发生了翻天覆地的变化，1 9 9 7 年7 月由 r w t 公司推出了世界上第一台运行于w i n d o w s 和基于i n t e l 奔腾处理器的机器 7 第一章绪论 人控制器。1 9 9 8 年r w t 又推出第二代u r c 通用机器人控制器【79 | ，其最显著的 优势在于部件标准化所带来的通用性及低成本，因此众多机器人制造商纷纷推 出各自基于p c 的专用机器人控制系统。如a b b 公司的i r c 5 瞵、m o t o m a n 公司的n xi0 01 8 1 】、f a n u c 机器人的r j 3 i b 及r j 3 i c 系列控制器1 8 2 等均是基于 p c 技术设计的。值得指出的是由于各公司的机器人构型各异和出于商业目的， 这类商用机器人控制系统对其它公司或其它构型的机器人并不支持或者支持程 度较差，另外应用系统集成费用高昂也是这类机器人控制系统难以被市场所接 受的又一原因。 随着d s p 技术的发展和纯软件数控系统的产生，一些控制器生产商推出一 系列通用机器人运动控制产品，根据其结构形式和功能大致可分为如下三类： 1 ) 基于计算机标准总线的运动控制器。多采用d s p 或微机芯片作为c p u ， 完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动以及外部i o 信号的输 入输出，所提供的丰富的函数库可以满足不同层次用户的需求，并且支持l i n u x 、 m a c i n t o s h 或w i n d o w s 系统平台下的应用软件及系统的开发。这类控制器产品典 型的有美国d e l t at a u 公司的p m a c 系列运动控制器【83 | ，n i 公司的f l e x m o t i o n c o n t r o l l e r 系列f 8 4 】以及p a r k e r 公司g e m i n i 系列运动控制器等【8 5 】。国内的产品如 摩信科技m c t 8 0 0 0 及固高的g t 4 0 0 系列运动控制卡等瞄6 | 。 2 1 纯软件开放式运动控制器。该类运动控制器的核心是安装于计算机内的 运动控制软件，硬件仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间标准接口，该方案提 供给用户更大的灵活性，可用户自定义运动控制的内核和编写所需的控制功能， 如闭环算法及多轴协调控制等，并且具有成本低和可扩展性强等优点，如s o f t s e r v o 公司的s m p 系列控制器悄，其最多可同步控制6 4 轴。 3 1 嵌入式结构的运动控制器。这种运动控制器把计算机嵌入控制器，能够 独立运行，同时集成工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场网络通 讯接口并具有与主控计算机或操作面板通讯的功能。 相比之下，基于计算机标准总线的运动控制器具有独立的运动控制芯片， 因而其控制性能较高。高性能计算机具有的丰富的软硬件资源便于进行系统集 成，控制器所提供的功能丰富函数库还可大幅缩短开发周期，因而该类运动控 制器目前应用最为广泛。 与此同时，许多新兴的计算机应用技术如三维可视化设计与仿真技术、图 形化编程技术和网络控制技术等被用于机器人系统，三维可视化技术在机器人 领域尤其在机器人离线编程与仿真软件中的应用，有效提升了机器人制造系统 天津大学博士学位论文 的柔性，在降低生产成本的同时提高了产品质量，各大机器人制造商均开发出 相应的软件环境，如a b b 机器人公司的r o b o t s t u d i o 、m o t o m a n 公司r o t s y 三维高速机器人离线编程仿真软件，其离线编程和仿真结果无需修改便可直接 运行于实际的机器人控制系统中。t e c n o m a t r i x 公司推出的r o b c a d 及d e l m i a 公司推出的i g r i p 软件则专门为机器人产品的应用开发提供了集设计仿真、优 化分析和离线编程于一体的软件仿真平台，该软件不仅包含了各大公司已有的 机器人三维模型，还允许用户自行设计新型机器人模型。由于仿真整个机器人 制造系统对计算机的性能要求较高，上述软件只能在专用的图形工作站上运行， 无法与机器人控制系统集成实现在线仿真。 软件开发方面，据统计，机器人控制软件的花费在整个机器人应用系统预 算中占据了很大比例，有的系统集成项目的软件开发和定制费用占到总项目经 费预算的一半以上。多数运动控制器所支持的软件开发工具如c + + ，v i s u a l b a s i c 、v i s u a lc + + 、d e l p h i 和p o w e rb u i l d e r 等都是基于文本代码的编程方式， 开发调试过程十分繁琐，软件开发效率较低、开发质量不易保证，所开发的软 件可维护性和重用性较差，通常只能由专业的软件工程师来完成软件设计，具 有专业背景的工程技术人员则只能望而却步，因此其开发和维护费用居高不下。 “机器人软件开发平台则试图为机器人软件开发提供统一的开发环境，使其 具有统一的编程环境、统一的编译执行环境、可重用的组建库、完备的调试仿 真环境、对众多机器人硬件设备的“驱动”程序支持、通用的常用功能控制组 件，例如计算机视觉技术、导航技术和机械臂控制技术等，这类系统较为成功 的有e v o l u t i o nr o b o t i c s 公司推出的e r s p 系统，m i c r o s o f t 公司开发的m i c r o s o f t r o b o t i cd e v e l o p e rs t u d i o 以及完全开源且免费的o r o c o s ( o p e nr o b o tc o n t r o l s o f t w a r e ) 等。目前，这类机器人软件开发平台软件仍处于起步阶段，尚待发展和 完善。 图形化的开发环境l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ne n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 具有模块化和数据流图的开发模式，包含丰富的开发组件，如视觉 开发模块，运动控制开发模块、数据采集与分析模块、网络通讯模块、仪器分 析模块、3 维图形控制模块等，使得应用软件设计尤其是工程应用软件设计方便 灵活。另外，该环境可集成多种开发环境下编写的源程序，可实现源代码的无 缝移植，如用c 语言、m a t l a b 、x m a t h 或者各种开发环境生成的动态链接库等， 都可在l a b v l e w 的环境下自由调用。此外由l a b v i e w 语言编写的软件模块具 9 第一章绪论 有模块化程度高、重用性强、可维护性好等优点，可有效提高软件设计的效率 和质量，目前逐渐成为非软件工程专业人员开发应用系统的首选开发平台】。 1 2 4 相贯线切割装备与机器人 管桁钢结构以其形式多样、承载能力强、外形美观和经济性好等优点，广 泛应用于海上石油平台，石油管道、化工厂火炬塔架、电视广播塔架、电力输 送塔架、大型场馆等，见图卜1 0 。由于该类结构所采用的节点及接头形式类型 多，所用的钢管尺寸各异，相贯角度又各不相同，而且需要在钢管上切割出预 留焊接坡口相贯曲面，因此该类工程难度大且无法实现批量规模生产。 目前，我国此类钢结构生产企业的生产模式多采用人工方式，其加工工艺 主要包括计算机或近似计算、绘图放样、制样板、人工划线、手动切割和打磨 等。随着我国经济的快速发展，上述类型的钢结构的需求还将快速增加，但由 a ) 海上五油平台( b ) 会屉中心 ( 0 通讯塔与电视培 “) 桥粱 图1 1 0 钢管相贯焊接结构应用于大型工程 天津大学博士学位论文 于落后的人工方式不仅使得切割效率低下而且其切割质量难以保证，直接影响 到工程的质量，不仅如此，由于手工切割工艺造成的焊接坡i z l 粗糙不平整，直 接增加了后续焊接工序的工作量和成本。因此，引进或者开发数控管道相贯线 切割专机是有效提升该类钢结构产品质量和降低生产成本的重要途径。 数控切割机和切割机器人是切割领域中应用的两种典型的自动化装备。经 过4 0 多年的发展，基于数控技术的切割技术、工艺、配套软件已经日趋成熟， 广泛应用于板材切割、型材切割、管材相贯线切割、3 d 曲面的数控切割其中 国外的数控相贯线切割类产品代表机型有日本丸秀株式会社生产的 p i p e - c o a s t e r 切割机，美国j e s o n 公司的s e 一4 ，s e - 5 系列数控管切割机， 德国m u l l e r 公司的r b 系列数控管切割机。其性能和自动化程度都很高，但 造价相对比较昂贵。国内较为成熟的有上海通用企业集团数控切割机公司 c n c x g 系列数控相贯线切割机，哈尔滨四海数控设备制造有限公司生产的 s k g g - b 型数控相贯线切割机和山东法因数控机械有限公司生产的p b 6 6 0 型等 c s g 9 1 , 见图i 1 1 。由图可见数控相贯线切割机1 9 2 - 9 5 1 多采用具有串联结构的5 轴4 联动方式，少数采用6 轴5 联动，其特点是钢管需卡盘定位和伺服回转， 必须配备复杂的支撑机构。控制系统基于机床n c 系统设计，无法直接对相贯线 进行编舞和轨迹拧制、而是通过外部稃申提供栩贯线的教学模刊竹根据数控切 剖1 il 站柑样件与数控制盟线训割机 第一章绪论 割机的结构参数计算出相应的切割轨迹n c 文件。该方法采用空间直线段来逼近 相贯线轮廓，因而其割炬的轨迹精度也较低。 基于机器人的切割系统则具有更高的灵活性和适应性，因此适用于汽车、 航空航天、造船、海洋平台、钢结构等行业的型材切割、三维曲面切割、柔性 切割等方面。但近年来国内外有关机器人特别是混联机器人在钢管切割方面应 用的报道甚少，尚无成功经验可供借鉴，目前仍存在很多基础技术问题亟待解 决。 1 2 4 1 零点标定 由于p k m 含多支链闭环结构，铰链数目和类型多且其结构复杂，各种误差 映射到p k m 末端后难以分离，现有测量手段及控制方法尚不能有效改善该类装 备的精度，因此精度问题一直是困扰p k m 研究领域的热点和难点问题，也是制 约该类装备工业化进程的瓶颈问题一6 | 。 影响p k m 精度的因素很多，如机器人初始位形误差( 也称零点误差) 、零部 件的制造与装配误差、伺服控制、自身重力及负载引起的变形和热变形等引