面向表面制造的机器人工具轨迹规划方法

摘要

在表面自动化制造业中，工业机器人广泛应用于机器人铣削、磨削、自动喷涂、快速成型、抛光、清洗、焊接、切割、雕刻等各个行业，其中机器人工具轨迹规划是其关键作业步骤之一。目前机器人表面制造作业中传统人工示教方法存在着耗时长、易出错和过于依赖工人技术等问题;而且与传统的机床加工相比，采用机器人进行表面制造具有自由度多运动灵活、工作范围广等优点从而可以保证末端较高的位姿精度，提高工件加工质量，同时对于复杂表面的工件加工通过离线方式规划好机器人作业轨迹可以实现生产自动化和提高生产效率。由此对机器人表面制造工具轨迹规划方法研究成为工业机器人表面制造作业中一个重要内容。
　　机器人表面制造工具轨迹规划方法研究首先对目前存在的机器人姿态控制方法与路径规划方法进行对比分析，针对研究对象为铣削加工，为满足加工与使用要求，确定采用欧拉角插补方式实现机器人变姿态运动，并以此方式实现空间直线、圆弧等轨迹插补算法，并且对机器人运动控制时遇到机器人工作范围内奇异点导致逆运动学无解等问题通过采用随机概率方法对机器人工作空间进行分析从而确定工件完备的工作位置。
　　其次，设计机器人工具轨迹规划系统整体架构，在三维软件Pro/E中建立工件CAD模型，使用一组等间距平面面族与模型直接进行求交，通过交线获得路径节点，在Matlab中对路径节点处姿态进行计算，通过机器人逆运动学解求得各关节转角值，最终实现轨迹规划。然后与基于stl生成机器人加工轨迹方法相比，基于CAD的方法在工具路径法向姿态和位置信息上均可以保证良好的精度，故确定采用基于CAD的方法实现机器人轨迹规划。
　　最后，通过对机器人铣削加工硬件平台进行介绍，选择机器人铣削加工的刀具类型、走刀行距、加工步长、进给速度等参数，优化刀具铣削路径，在Matlab及OpenGL环境下对机器人加工过程进行仿真，并搭建机器人实验平台，在该平台上完成机器人铣削加工实验验证提出方法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 机器人姿态控翻和孰迹规划研究现状

1．2．1 姿态控制研究现状

1．2．2 机器人轨迹规划研究现状

1．3 课题来源

1．4 主要研究内容及论文结构

第二章 机器人工具轨迹规划系统

2．1 机器人工具轨迹规划系统

2．1．1 Pro／E参数化建模

2．1．2 Matlab下路径生成

2．2 上位机控制软件

2．3 机器人工作空间及位置确定

2．3．1 图解法获取机器人工作空间原理

2．3．2 机器人工作空间和工件位置确定

2．4 本章小结

第三章 工业机器人变姿态描述方法

3．1 机器人坐标系建立

3．2 工业机器人姿态表示

3．2．1 RPY角姿态表示

3．2．2 四元数法姿态表示

3．2．3 欧拉角姿态表示

3．3 机器人变姿态插补算法

3．3．1 变姿态直线插补算法

3．3．2 变姿态圆弧插补算法

3．3．3 插补中姿态奇异位

3．4 本章小结

第四章 基于CAD的机器人工具轨迹生成方法

4．1 基于stl机器人工具轨迹生成方法

4．1．1 模型建立

4．1．2 路径生成

4．2 基于CAD机器人工具轨迹规划方法

4．2．1 工具路径生成

4．2．2 机器人工具轨迹节点姿态计算

4．2．3 仿真

4．3 基于stl方法与基于CAD方法生成机器人工具路径比较

4．4 本章小结

第五章 机器人铣削加工实例

5．1 机器人铣削加工平台介绍

5．2 机器人铣削加工参数确定

5．3 机器人铣削加工实例

5．3．1 机器人铣削加工轨迹与仿真

5．3．2 机器人铣削加工实例

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表学术论文情况