（机械制造及其自动化专业论文）工业机器人切削加工离线编程研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着工业机器人在各行业的广泛应用，传统的示教再现编程方式逐渐暴露出编程周期 长、示教精度低等缺点，直接影响着生产效率和工业机器人的使用效率。本文研究了工业机 器人应用于切削加工的离线编程技术，实现了从c a d c a m 系统输出a p t 刀位源文件到 a b bi r b 6 6 0 0 型工业机器人r a p i d 指令之间的转换，并能通过运动学仿真模块验证切削加 工轨迹的正确性，最终达到离线编程的目的。本文的主要研究内容和相关章节安排如下： 第一章概述了工业机器人及其在切削加工中的应用，并介绍了机器人离线编程技术及国 内外在这一技术领域的研究和发展现状。最后介绍了本文的研究意义和主要研究内容。 第二章介绍了机器人运动学的基础理论，利用齐次变换理论建立了机器人的运动学模 型，推导出i r b 6 6 0 0 型机器人运动学正解和逆解公式，解释了运动学逆解的不唯一性，并 对机器人运动学模型和各关节正、逆解应用m a t l a b 进行了仿真分析和验证，为离线编程技 术的研究奠定了良好的基础。 第三章对a p t 刀位源文件和机器人r a p i d 指令之间转换的可行性进行了研究。介绍了 a p t 刀位文件和r a p i d 编程的特点和相关概念。前者包含有位置、刀轴矢量及速度信息， 后者需要对机器人末端t c p 的位姿、轴配置参数和速度进行描述，两者的信息具有一定的 对应关系，研究表明，从a p t 文件到机器人r a p i d 指令的转换是可行的。 第四章研究了机器人离线编程中的关键技术。根据a p t 刀轨文件所提供的信息，研究 了切削加工时确定机器人末端位姿、轴配置参数、坐标变换及刀具补偿的方法，并提出了机 器人切削加工轨迹仿真时直线和圆弧的插补算法。 第五章介绍了工业机器人切削加工离线编程的实现及实验验证。根据提出的机器人 r a p i d 指令转换算法，设计了合理的数据结构，利用v i s u a lc + + 和o p e n g l 开发了i r b 6 6 0 0 型机器人切削加工离线编程软件，主要包括代码转换模块和机器人运动学仿真模块，同时研 究了机器人切削加工轨迹的位姿校正方法，最后结合锯齿蒙皮加工实例验证了本文提出的离 线编程方法和各功能模块的正确性。 第六章对本文的工作进行了回顾与总结，并对下一步工作提出了一些初步的设想。 关键词：工业机器人、离线编程、a p t 刀位源文件、r a p i d 指令、运动学正反解 i i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n so fi n d u s t r i a lr o b o t si nm a n yf i e l d s ，s u c ha s h a n d l i n g ， w e l d i n g ，p a i n t i n g ，a s s e m b l ye r e ，t h et r a d i t i o n a lo n - l i n et e a c h i n gp r o g r a m m i n gm e t h o dg r a d u a l l y e x p o s e sd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha si n e f f i c i e n tp r o g r a m m i n ga n dl o wt e a c h i n gp r e c i s i o n ，w h i c hh a v e d i r e c ti n f l u e n c eo i lt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h eu s a g eo fi n d u s t r i a lr o b o t t h i st h e s i ss t u d i e d t h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gt e c h o n o l o g i e so fi n d u s t r i a lr o b o tf o rc u t t i n gm a c h i n i n g ，s ot h a tt h ea p t s o u r c ef i l eo fc u t t i n gl o c a t i o no u t p u t e db yc a d c a ms y s t e mc a nb et r a n s f o r m e dt or a p i d i n s t r u c t i o n so fa b bi r b 6 6 0 0i n d u s t r i a lr o b o t ，a n dt h et r a j e c t o r i e so fc u t t i n gm a c h i n i n gc a nb e t e s t e da n dc h e c k e dt h r o u g ht h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c ha n dt h ec h a p t e r sa r r a n g e df o rt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： c h a p t e ro n eo v e r v i e w e di n d u s t r i a lr o b o t sa n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fc u t t i n gm a c h i n i n g ， s u b s e q u e n t l yi n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fi 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 ga n dt h er e s e a r c h s t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do ft h i st e c h n o l o g y a l s o ，t h em a j o rc o n t e n t sa n dt h eg e n e r a ls t r u c t u r e o ft h i st h e s i sw e r eg i v e n i nc h a p t e rt w o ，t h eb a s i ck i n e m a t i c st h e o r i e so fr o b o tw e r ei n t r o d u c e d u s i n gh o m o g e n e o u s t r a n s f o r m a t i o nt h e o r y , t h ek i n e m a t i c sm o d e lo fa b bi r b 6 6 0 0i n d u s t r i a lr o b o tw a se s t a b l i s h e d ， a n dt h ef o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c s e q u a t i o n sw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t so ft h em a t l a b s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ek i n e m a t i c sm o d e la n dt h ef o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n sa r e c o r r e c t m o r e o v e gt h es o l u t i o n so ft h ei n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n sa r en o tu n i q u e t h ef e a s i b i l i t yo ft h et r a n s f o r m a t i o n 丘o ma p ts o u r c ef i l eo fc u t t i n gl o c a t i o nt or a p i d i n s t r u c t i o n sw a sa n a l y z e di nc h a p t e rt h r e e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t e dc o n c e p t so fa p ts o u r e 宅 f i l ea n dr a p i dp r o g r a m m i n gw e r ep r e s e n t e d t h ea p ts o u r c ef i l ei n c l u d e si n f o m a t i o n so fc u t t i n g l o c a t i o n ，a x i sv e c t o ro fc u t t e ra n dc u t t i n g v e l o c i t y , w h i l et h er a p i di n s t r u c t i o n sn e e d i n f o r m a t i o n so fp o s i t i o n ，o r i e n t a t i o n ，a x i sc o n f i g u r a t i o na n dm o v i n gs p e e do ft c p ( t o o lc e n t e r p o i n t ) f o r t u n a t e l y , t h e r ea r er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ei n f o r m a t i o n so ft h e m t h ea n a l y s i sr e s u l t s s h o wt h a tt h et r a n s f o r m a t i o nf r o ma p ts o u r c ef i l et or a p i di n s t r u c t i o n si sf e a s i b l e i nc h a p t e rf o u r , t h ek e yt e c h n o l o g i e si no f f - l i n ep r o g r a m m i n go fi n d u s t r i a lr o b o tw e r es t u d i e d , i n c l u d i n gt h ec o m p u t a t i o nm e t h o do ft c pp o s i t i o na n do r i e n t a t i o n ，t h ee s t i m a t i o nm e t h o do fa x i s i i i c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r s ，t h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，t h ec u t t e rr a d i u sa n d l e n g t hc o m p e n s a t i o n ， a n dt h el i n e a r & c i r c u l a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o rc u t t i n gm a c h i n i n gs i m u l a t i o n i nc h a p t e rf i v e ，t h ei m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o n so ft h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gf o rc u t t i n g m a c h i n i n gb yi n d u s t r i a lr o b o tw a si n t r o d u c e d b a s e d o i lt h et r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h m so fr a p i d i i l s t r u c t i o n s t h ed a t as t r u c t u r ew a sd e s i g n e d ，a n dt h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gs o f t w a r e w h i c h i n c l u d e st h ec o d et r a n s f o r m a t i o nm o d u l ea n dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o nm o d u l ew a sd e v e l o p e d ，u s i n g v i s u a lc + + a n do p e n g l a l s o ，t h ec a l i b r a t i o nm e t h o df o rt r a j e c t o r i e s o fc u t t i n gm a c h i n i n g g e n e r a t e db yt h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gs o f t w a r ew a ss t u d i e d b o t hf u n c t i o nm o d u l e so ft h e s o 行1 ) v a r a n dt h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gm e t h o d sw e r et e s t e dt h r o u g ht h ee x a m p l eo ft h e a r c t o o t h l i k ew o r k p i e c em a c h i n i n g i i lt h el a s tc h a p t e r , t h ec o n c l u s i o n so ft h i sr e s e a r c hw e r ed r a w n ，a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r k w a s s u g g e s t e d 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 ，a p ts o u r c ef i l e o fc u t t i n gl o c a t i o n ，r a p i d i n s t r u c t i o n s ，f o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c s i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期： 年 月 日 浙江大学硕十学位论文 致谢 致谢 论文能够得以完成，我首先要感谢导师柯映林教授。柯老师渊博的学识、严谨求实的治 学态度、新颖的学术思想对我学习和工作的影响非常深刻。两年来，在柯老师悉心指导下， 我圆满地完成了所有课程的学习，顺利进入到论文阶段。在撰写期间，柯老师给我指明了研 究方向，提供了大量的学术资料，使我对本专业领域的认识进一步加深，大大开阔了我的眼 界，对论文的立论、撰写起到了决定作用。还有柯老师在生活方面也给了我无微不至的关怀， 使我能够全身心的投入到我的学习和工作当中。 其次我还要感谢实验室的姚宝国老师、李江雄老师、董辉跃老师、毕运波老师、王青老 师、蒋君侠老师、黄浦晋老师、屠智明老师、方强老师、郭彤老师、刘刚老师、章明老师， 他们对我的工作和论文撰写提供了很大的帮助、支持和鼓励，同时要衷心感谢实验室的其他 老师对我的指导和帮助，也要感谢俞慈君博士、应征博士、张旭博士、余进海博士、张斌博 士、刘楚辉博士、熊瑞斌博士、余锋杰博士、郭志敏博士、盖宇春博士、边柯柯博士、徐进 博士、吴红斌博士、白万金博士、范子春硕士、曾鹏硕士、陈琪硕士、马骢硕士、梁任硕士、 李菡硕士、扈慧强硕士、杨辉硕士、盛华硕士对我的帮助，与他们在一起的快乐时光令我难 忘，正是在这样团结和谐的氛围中，我得以顺利完成学业。 同时也感谓 机带u 2 0 0 6 硕士班所有同学和德育导师周继烈教授。 最后特别感谢我的父母，感谢他们二十几年的养育以及在生活、学业上对我的支持和关 爱，感谢他们为了我的学业而辛勤工作。感谢我所有的亲人和朋友，他们将成为我不断进取 的动力源泉，我将用我自己的努力来回报他们对我的期望。 吴涛 2 0 0 8 年6 月于求是园 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 工业机器人概述 第一章绪论 工业机器人是一种能自动定位、可重复编程、多功能、多自由度的操作机。它是最典 型的机电一体化装备，技术附加值高，在机械、汽车、航空、航天、造船等行业具有广泛应 用。目前，工业机器人的研究和应用水平成为衡量一个国家工业自动化水平的重要标志之一。 据国际机器人联合会统计，随着机器人技术的成熟和劳动力成本的增加，世界机器人市 场前景看好【2 】。国际机器人联盟( i f r ) 与联合国欧洲经济委员会( u n e c e ) 发布的数据显示，全 球多用途工业机器人销售从2 0 0 3 年开始恢复增长，预计在2 0 0 5 年至u 2 0 0 8 年间，全球工业机器 人销量预计年均增长为6 1 ，至i 2 0 0 8 年将增至1 2 1 万台【3 】o 在我国，机器人产业起步较晚， 但在国家相关政策的支持下，经过2 0 多年的发展，机器人的研究和应用取得了一定的成果， 先后研制出点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的机器人，尤其 是在水下机器人的研究方面居世界领先水平。在十五、十一五期间，通过设立国家8 6 3 机器 人研究和应用专题，帮助一些研究所和企业形成了机器人产业化基地，为我国机器人产业的 腾飞奠定了基础【4 】。但是与发达国家相比，我国的机器人技术研究和应用总的水平与发达国 家存在很大差距，机器人的装备数量和应用范围仍有很大发展空间。据专家预测，随着我国 国民经济的发展、工业自动化水平的不断提升，工业机器人市场潜力日益增大，至i j 2 0 1 0 年， 市场实际拥有量将达至i j l 7 3 0 0 台，至i j 2 0 1 5 年，市场容量将增) j h ! u i o 多万台【5 】。 1 2 工业机器人在切削加工中的应用 与数控加工中心、f i v i c 等其它加工设备相比，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头在空间的 各种位姿( 位置和姿态) ，可以满足自由曲面法向钻孔等复杂加工的要求，而且利用工业机 器人还可以完成多项不同的作业任务，比如飞机辅助装配( 取件、定位) 、钻铆加工、系统 件搬运和定位等。 与数控机床相比，尽管工业机器人存在刚性不足、关节之间有一定间隙等缺点，但是对 于加工精度要求不是很高的应用场合，仍可通过采取适当措施满足不同的加工应用要求，比 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 如，t o m a so l s s o n 等人通过切削力反馈控制的方法将a b bi r b 2 4 0 0 型机器人应用于由4 m m 铝 合金的制孔加工中，加工孔的形状和位置精度达n o 1 m m 【6 】；h u ap e n gw u 、j a n n ek o v a n e n 等人利用并联机构刚度大、响应速度快和环境适应性强等特点设计了并联机器人，将其应用 于钻、铣、切割等加工中m 1 ；s h i n i c h im a t s u o k a 等人通过使用小直径端铣刀和高速电主轴 的方法，将铝合金铣削加工中切削力降低到褶边机加工时的5 0 - 7 0 ，而且激振频率远大于机 器人机械臂自振频率，减d , t 切削加工中机器人的振动，因此保证了对加工精度的要求9 。10 1 。 目前，工业机器入的制孔、自动钻铆、铣面、切割等加工方法已经在汽车、航空制造等领域 得到了广泛应用，并且，随着工业机器人性能的不断提高，它在汽车、航空、航天制造领域 的应用会越来越多地受到学术和工业界的关注和重视 6 - 2 。 1 3 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2 1 。6 】。下面介绍几个典型的离线编程系统： w o r k s p a c e l 2 9 。3 川是美国r o b o ts 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 3 0 - 3 2 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，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。 i g r i p 3 3 - 3 4 1 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 3 5 。6 1 是a b b 公司发行的基于w i n d o w s 操作系统的专用机器人模拟与离线 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 编程工具，它以a b bv i r t 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 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。在应用需求推动下，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。 与国外相比，我国的机器人离线编程研究起步较晚，但在相关政策的支持下，8 0 年代 中期以来，国内一些大学和研究所也相继开发了不同层次的离线编程系统 3 0 , 3 1 , 3 7 - 4 6 】，如哈尔 滨工业大学国家重点焊接实验室是国内最早对弧焊离线编程系统进行研究的单位，开发了机 器人c a d c a m 系统一凡删c a d ，但它没有造型功能，模型需要从外部导入，且功能较为 简单3 们。h o l p s s 4 3 1 是熊有伦院士领导的团队自主开发的机器人仿真系统。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 图形的特点 来编程。北京工业大学自主开发了一套离线编程与仿真系统。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 模型中提取焊缝几何信息，焊接 任务规划通过人机交互的方式进行，完成焊接顺序指定、焊缝分段等，焊接参数由焊接参数 数据库提供，用户可以添加、修改，焊接路径优化模块考虑了焊缝姿态和焊枪姿态，对焊缝 之间过渡段的焊枪姿态和运动速度进行了圆滑处理，系统也提供了机器人模型标定模块删。 另外，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 a w o p s 4 5 1 ，该系统对a u t o c a d 和m r c w o r d 进行了二次开发，对工件特征提取及几何建模、 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纠4 6 1 。 从总体上看，现阶段国内的工业机器人离线编程系统多是针对特定机器人开发，且多为 单机仿真，运动学和动力学算法上没有达到离线编程系统所应有的功能，成熟的工业机器人 离线编程软件比较少。与国外相比，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： 1 ) 对离线编程中误差校正部分还缺少相应研究。 2 ) 系统的几何建模功能有待进一步完善，且与其它外部c a d 软件的兼容性较差。 3 ) 对多机器人协作离线编程系统的研究涉及的很少。 3 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 1 4 工业机器人离线编程技术 工业机器人离线编程技术就是利用计算机图形学的成果，建立机器人及其工作环境的三 维模型，利用一些规划算法，通过对图形的操作和控制，在离线的情况下进行轨迹规划。机 器人离线编程系统已被证明是一个有力的工具，有利于增加操作的安全性，减小机器人非工 作时间和降低成本等5 1 。 一个完整的机器人离线编程系统至少应包含以下部分3 0 】： 1 ) 三维几何造型 这是离线编程系统的基础，为机器人的编程及仿真提供三维图象，主要有以下三种方式： 三维实体表示、边界表示和扫描变换表示。 2 1 运动学计算 这是离线编程系统中控制机器人运动的依据，分为运动学正解( 计算机器人末端位姿) 和反解( 计算关节变量值) 两部分。 3 ) 轨迹规划 轨迹规划接受路径设定和约束条件的输入，并输出起点和终点之间按时间排列的机器人 关节空间或直角空间里的位姿、速度和加速度序列，以保证机器人完成既定的作业，同时， 还应有可达空间计算和碰撞干涉检查的功能。 4 ) 用户接口 离线编程系统的一个关键问题是要有良好的机器人编程环境，便于人机交互，从而帮助 用户方便地进行整个系统的构型和编程操作。 5 ) 语言转换 语言转换负责生成所研究机器人对象的语言指令，以便机器人的工作。 此外，误差校正也是一个非常重要的模块。由于离线编程系统中的仿真模型( 理想模型) 和实际机器人模型存有误差，产生误差的原因主要有机器人本身的制造误差、工件加工误差 及机器人与工件定位误差等，所以未校正的离线编程系统工作时会产生较大的误差，如何有 效的校正误差是离线编程系统实用化的关键。 与示教再现编程方式相比，离线编程方式的主要优点有 5 , 3 0 】： 1 ) 减少了机器人空闲时间，当对下一个任务编程时，机器人仍可在生产线上工作； 2 ) 使用范围广，可对各种机器人进行编程，并能方便地进行程序优化； 3 ) 便于和c a d c a m 系统集成，做到c a d c a m 机器人一体化； 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 4 ) 可以进行复杂运动轨迹规划，能够进行碰撞和干涉检验； 5 ) 改善了编程环境，使编程者远离危险的工作环境，且便于编辑和修改机器人程序。 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，通过离线编程建立起机器人和c a d c a m 系统之间的联系。设计离线编程系统应考 虑以下几方面内容【5 】：1 ) 机器人工作过程及几何学、运动学知识；2 ) 机器人、工具和工件 三维实体模型；3 ) 基于三维图形的显示和仿真软件系统；4 ) 轨迹检查算法，如检查机器人 的关节超限、碰撞等；5 ) 通讯功能，将离线编程系统所生成的代码下载到机器人控制柜；6 ) 用户接口，提供有效的人机界面，便于人工干预和操作；7 ) 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。 1 5 本文研究意义及主要研究内容 1 5 1 本文研究意义 飞机装配涉及的产品尺寸大、形状复杂、零件及连接件数量多，而且装配过程复杂，劳 动量大。目前，世界上航空业发达国家的飞机装配技术已从简单机械化、自动化装配转向数 字化、柔性化装配，柔性装配是飞机装配技术的重要发展方向。工业机器人由于其高度的柔 性、较小的安装空间需求和可编程控制等特点已逐渐扩大其在飞机柔性装配系统中的应用， 比如对铝合金零部件进行对接处局部轻切削加工、装配过程中的取件与定位、系统件安装等 辅助装配工作。将工业机器人应用于飞机大部件调姿对合装配系统，让工业机器人完成大量、 重复、繁杂的现场局部修配加工、钻铆任务是机器人应用的一个新兴发展方向。 传统的工业机器人作业系统往往任务单一或较少。飞机大部件调姿对合装配工艺过程复 杂，劳动量大，如何增加工业机器人作业系统的功能使其取代工人完成更多的任务是改进产 品质量、提高生产效率、降低成本和劳动强度的一个关键问题。另一方面，飞机大部件调姿 对接装配系统中集成的设备非常多，导致各设备的安装空间紧张，如何将必须的设备以最紧 凑的方式集成安装在同一装配平台上，也是一个难题。 为了解决上述飞机装配中的技术难题及尽可能充分发挥系统各组成部分的功能和作用， 在国家重大x x x 工程中，使用工业机器人完成大量的辅助装配作业任务，开发工业机器人 多任务飞机辅助装配系统。本系统实现多种作业功能，包括系统件取件、定位，飞机水平测 量点打制，雷达罩安装孔面加工等辅助安装及切削加工功能，一机多用，高度集成，充分发 5 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 挥机器人辅助飞机装配的功能和作用。而且，移动式机器人安装布局，在具有比较大作业空 间的同时，保证了飞机装配系统总体布局设计上的结构紧凑性和作业空间开敞性。 在基于工业机器人的多任务飞机辅助装配系统研制中，最为关键的是要解决以工业机器 人为平台的铝合金高速切削加工问题。根据飞机装配中对雷达罩孔面等加工的实际应用需 求，采用高速切削技术，已成功实现了基于a b bi r b 6 6 0 0 型工业机器人的铝合金制孔、铣 小平面、蒙皮切割、自动钻铆等对精度要求不是很高的切削加工问题。比如，制孔加工，孔 径为由1 0 m m ，精度可达到o 0 4 m m ，孔心距精度达到0 0 5 m m 4 5 0 m m ；铣平面2 0 8 m m x 2 0 8 r a i n ，平面度可达到0 0 5 m m ，均满足了实际加工要求，证明了工业机器人应用于铝合金等 软金属的切削加工是切实可行的。 然而，工业机器人应用于切削加工如果仍然采用示教再现编程方式，则是一件非常费时 费力的事，尤其当切削加工轨迹较复杂( 比如锯齿蒙皮铣切) 时，示教点的数目非常多，不 但示教的效率比较低下，而且示教的精度也不易保证。 同时，由于在飞机装配中应用机器人技术需要普遍引入第7 轴，移动式机器人、机器人 平台( 第7 轴) 、工件及工作台、周围工装及设备需要进行协同编程和运动仿真。而且，切 削加工具有一定的精度要求，传统在线示教编程方式己无法满足这一要求，这就需要对移动 式机器人在平台上的站位及机器人的位姿按设计位置要求进行离线编程，并在实际运行之前 进行位姿校正( 比如使用激光跟踪仪) ，以弥补机器人在定位精度上的不足。 特别地，飞机装配线是一个庞大、复杂的系统，各种设备和产品比较昂贵，机器人辅助 装配进行实际应用前，如果可先在仿真系统上进行模拟仿真，观察机器人作业时的运动过程 以及运动结果，这样不仅可以预先对作业方案及机器人的作业轨迹进行检查和评价，而且可 以避免直接在现实中操作工业机器人时对自身及其周围工件( 比如飞机机身) 、工装等设备 可能造成的破坏，最大限度地降低使用机器人可能造成的不安全因素。 也就是说，基于工业机器人的各项辅助作业任务，都需要先对机器人的各项作业任务进 行离线编程，然后将生成的作业指令在整个飞机装配线的模拟系统中进行仿真、干涉检查， 进行全局的规划和验证后，才能进行实际的操作及应用。 由此可见，在飞机装配线这样一个复杂的现场环境中，要完成机器人的各项作业任务， 使用机器人离线编程技术尤为重要。 根据以上分析，本文提出了以a p t 刀位源文件为中介的实现工业机器人切削加工离线 编程的方法。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 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 直接生成a p t 文件，因此，本文提出的工业机器人离线编程方法是以a p t 文件为桥梁，提 取其中的位置、刀轴矢量及速度等信息，经过机器人控制点计算和代码转换，最终生成a b b i r b 6 6 0 0 型工业机器人r a p i d 指令，既避免了独立开发机器人c a d c a m 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 2 本文主要研究内容 针对飞机大部件装配中铝合金加工需求，研究开发了基于工业机器人的切削加工离线编 程系统，主要内容有： 1 对a b bi r b 6 6 0 0 型工业机器人的运动学正、逆解进行研究。首先利用齐次变换理论 建立机器人的运动学模型，推导出机器人正解和逆解公式，解释了机器人逆解的不唯一性， 并对机器人运动学模型和各关节正、逆解应用m a t l a b 进行仿真分析和验证。 2 对a p t 刀位源文件和机器人r a p i d 指令之间转换的可行性进行研究。a p t 文件包 含有位置、刀轴矢量和速度信息，机器人指令则需要描述末端t c p 的位姿、轴配置及运动 速度，两者有一定的对应关系。研究表明，从a p t 代码到机器人指令的转换是可行的。 3 研究机器人切削加工离线编程中的关键技术。根据a p t 刀位源文件所提供的信息， 研究机器人应用于切削加工时确定其末端位姿、轴配置参数的技术，以及坐标变换和刀具补 偿的方法，并提出机器人加工轨迹仿真时直线和圆弧轨迹的插补算法。 4 根据提出的机器人r a p i d 指令转换算法，设计合理的数据结构，利用v i s u a lc + + 和 o p e n g l 开发了一套适用于i r b 6 6 0 0 型工业机器人切削加工的r a p i d 代码转换与仿真软件， 主要包括代码转换模块和加工轨迹仿真模块，并研究了机器人切削加工轨迹位姿校正的方 法，最后进行了实际的切削加工实验，从而检验所生成的机器人r a p i d 程序的正确性。 7 浙江大学硕上学位论文第二章机器人运动学基础理论 第二章机器人运动学基础理论 【内容提要】 本章在研究机器人运动学基本理论的基础上，求解a b bi r b 6 6 0 0 型工业机器人各关节位 姿矩阵，以得到该型机器人的运动学正、反解，最后分析机器人的轴配置参数。 2 1 机器人运动学概述 机器人运动学描述机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系，是机器人末端执 行器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【4 7 1 。机器人运动学包括由给 定关节变量确定机器人末端执行器位姿的运动学正解和由给定的机器人末端期望位姿计算 对应关节变量的运动学逆解，如图2 1 所示。机器人运动学是离线编程、轨迹规划等任务的 基础，其求解算法将直接影响到机器人系统离线编程或轨迹规划的精度和速度。 关节变 图2 1 机器人运动学正、逆解模型 2 2 机器人位姿的几何描述 姿 在描述物体间的关系时，需要建立相关坐标系以便用数学的方法表达物体间的位姿关 系。表示位姿的方法并不唯一，可以在不同的坐标系下描述，也可以用不同的表达方式描述。 下面简要介绍常见的机器人位姿描述方法。 2 2 1 位置描述 一旦建立了坐标系，就可以用某个3 1 的位置矢量来确定空间内任意一点的位置。比 如，对于直角坐标系内任意一点p 的位置可以用( x ，y ，z ) t 列向量来描述。对于柱面坐标系内 任意一点p 的位置可以用( z ，口，r ) t 列向量来描述。对于球面坐标系内任意一点p 的位置可以用 ，p ，r ) t 列向量来描述。 8 浙江大学硕士学位论文第二章机器人运动学基础理论 2 2 2 方位描述 为了研究机器人的运动与操作，不仅需要描述其空间位置，而且需要描述其方位。物体 的方位可用某个固接于此物体的坐标系描述。下面结合本应用介绍旋转矩阵和四元数两种方 位描述方法。 2 2 2 13 3 矩阵法 x l 图2 2 方位表示 如图2 2 所示，设直角坐标系0 1 x l y i z l 与物体同接，则此坐标系三个单位主矢量x l 、y l 、 z l 相对于参考坐标系o x y z 的方向余弦组成的3 x 3 矩阵r 为 r = k 。y 。乙】- 1 l吒2_ 3 r 2 1吃2r 2 s 吃1吩2r 3 s ( 2 - 1 ) 用矩阵r 表示物体相对参考坐标系o x y z 的方位。由于矩阵r 的三个列向量x l 、y l 、z l 是相互垂直的单位矢量，因而它的9 个元素满足如下6 个约束条件5 | ： 2 2 2 2 四元数法 由上述矩阵r 的约束条件可知，它的9 个元素中只有3 个是独立的，因此可以采用更为 简单的表达方式，如四元数。用四元数表示方位不仅可以避免欧拉方程的奇异性，而且在运 算效率上也优越于欧拉角的计算。四元数的优势使得它在刚体姿态及机器人轨迹定义中广泛 应用，如在a b bi r b 6 6 0 0 型机器人中，采用四元数来表示控制点的方位。 1 四元数基础 四元数q 表示【4 8 1 为： q = q o 斗q ，【i x + q y i y + q z i ： ( 2 3 ) 式中，q 0 、q x 、q y 、q ：为标量，i 。、i y 、i ：为直角坐标系中x 、y 、z 方向的单位主矢量， 9 、，2 2，、 1 o = = 刁两乙可 = = m 乙 m m = = 而朋而而 浙江大学硕十学位论文第二章机器人运动学基础理论 且各分量满足鳐+ 讲+ g + 彰= l 。 四元数既有标量的性质也有向量的性质。标量和向量都可以看成四元数的一个特殊情 况，标量可以看成q x = q y = q z = o 的四元数，矢量可以看成是q o = 0 的四元数。 四元数的乘法符号是 ，乘法遵从以下规则4 9 】： i 。 i x = - 1 ，i ；oi y = i ：，i 。 i z - 一i y i y 圆i x = 一i ：，i y o i y = - 1 ，i y i z = i ； i ： i x = i y ，i ：0 i ，= i 。，i ：o i ：= 1 ( 2 4 ) 四元数乘法满足分配律和结合律，对任意两个四元数a 、b ，其乘积为： a b 2 ( a o + a 。i 。+ a y i y + a ：i ：) o ( b o + b 。i 。+ b y i y + b ：i ：) 2 ( a 。b 。v a 。v b ，a 。v b + b 。v a + v a v b ) ( 2 - 5 ) 2 ( a o b o - a ，b 。一a y b y a ：b ：) + ( a o b 。+ a 。b o + a y b ：a ：b y ) i ； + ( a o b y 。a ；b ：+ a y b o + a z b x ) i y + ( a o b ：+ a 。b y 。a y b x + a ：b o ) i z ( 2 5 ) 式定义的四元数乘法与叉乘类似，也遵守右手定则，不同的是单位向量的自乘结 果。注意到a o b b o a ，即不满足交换律。当两个四元数中的任何一个是标量时，乘积为 标量与四元数各分量的乘积组成的新的四元数，两个都是向量时，乘积按( 2 - 5 ) 式计算。 四元数的算法还和复数相似