CN105269565A - 一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，具体包括建立模型、提取工件加工路径信息、点数据处理、生成机器人加工运动关节角、生成机器人加工运动轨迹、机器人磨抛加工运动仿真、生成机器人运动关键参数转换模块和代码、砂带位置修正、位姿和奇异位形修正以及磨抛工作环境的修正。该发明的离线编程及修正方法，使六轴磨抛工业机器人离线编程过程简化，具有实用性，能够快速生成应用于磨抛具有复杂表面工件的六轴磨抛工业机器人程序，同时提高磨抛加工的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及抛光领域，具体涉及一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法。
背景技术
随着工业自动化的不断发展，人们开始关注工业机器人的应用，机器人技术的发展正逐步代替人从事各种生产作业，使人类从繁重的、重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来。磨抛领域也正逐渐采用工业机器人进行磨抛，目前在工业生产中对工件抛光工作通常由人工完成，存在抛光质量不稳定、精度不高，人工成本高、生产效率低等缺点，工作单调重复、抛光噪音和粉尘严重影响工人的健康。因此，提供一种用于磨抛的离线编程技术方法是十分有必要的。
现有的离线编程方法普遍存在操作过程繁琐，结果不精确的问题，例如中国发明专利《一种实现六轴抛光打磨机械臂离线编程的方法和装置》（公开号103692320A），公布了一种为离线编程软件快速生成打磨程序用于复杂曲面的打磨，所述方法包括：在离线编程软件中标定六轴抛光打磨机械臂与打磨工具的相对位置；生成打磨轨迹点；建立系统的三维模型并将三维模型进行格式转换；将已转换格式的三维模型导入离线编程软件以及将打磨轨迹点导入已转换格式的三维模型；根据六轴抛光打磨机械臂与打磨工具的相对位置、打磨轨迹点以及已转换格式的三维模型，生成打磨程序。该方法存在的问题是：
a、在读取六轴抛光打磨机械臂与打磨工具的相对位置时采用的方法是四点法标定打磨机，（1）实际加工位置是砂带，由于装配过程中的误差会传递到砂带，以及砂轮为柔性，并非理想状态的形状和尺寸；（2）仿真过程中无法确定加工量；（2）磨抛的水龙头形状各异，需要不同的夹具，对应的砂轮要求和形状也不一样；（3）夹具和工具以及砂抛机的制造和安装位置过程中同样会产生误差，这些误差未做修正；（4）磨抛加工是一种面与面接触加工方式，对于凹凸加工曲面往往需要通过柔性砂带变形完成磨抛，弯曲程序根据实际进行调整，而这种方法未考虑实际情况；（5）最重要的是砂带和砂轮在长期抛光过程中的变形都会导致磨削的误差，需要重新标定，这样较为麻烦。
b、在运动学仿真过程中，根据打磨点与打磨轨迹点的重合，计算得到各关节的转动角度。但各关节最后得到的转动角度虽然与仿真相同，但其实际运动轨迹会存在多种运动轨迹，因此，该方法的仿真运动轨迹无法得到全部的实际运动轨迹情况。
发明内容
本发明提供一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，以解决现有磨抛的离线编程方法存在仿真过程无法确定加工量，对零部件安装过程会产生误差未做修正，未考虑实际情况对砂带的弯曲程序进行调整以及砂带变形产生的误差需要重新标定以及实际运动与仿真运动轨迹存在误差等缺点。
本发明所采用的技术方案是：
一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，包括以下步骤：
（1）、建立模型：先通过三维软件建立磨抛系统的三维模型，该磨抛系统包括机器人、磨抛机、工件以及相应的夹具，然后在三维软件上完成磨抛系统工作环境的布局。
（2）、提取工件加工路径信息：利用极限等距法结合三维软件二次开发获取工件加工几何信息数据，该数据包括加工点的位置、法向矢量、副法向矢量以及切向量方向上的点，建立一系列加工点坐标系的三组一系列点三维坐标；
极限等距法具体如下：在工件加工曲面上规划出要加工的曲线L，以曲线L作曲面M的边界，对曲面M作等距为1mm的等距曲面M1，曲面M1上的边界曲线L1即为曲线L的等距曲线；再以曲线L、L1作曲面M2，同样作等距为1mm的等距曲面M3，L2即为曲线L的另一边等距曲线；在曲线L、L1、L2上进行均匀取若干数量的点。上述三维软件二次开发的内容为能够快速获得大量点坐标值的三维软件的插件。
（3）、点数据处理：由获得的工件加工几何信息数据进行坐标转换，并以这三组点求出另一组点，之后建立齐次矩阵，如步骤（2）中获得的建立加工点坐标系三个点坐标分别P01=（x01,y01,z01）、P11=（x11,y11,z11）和P21=（x21,y21,z21），经转换后的坐标为P01＇=（x01＇,y01＇,z01＇）、P11＇=（x11＇,y11＇,z11＇）和P21＇=（x21＇,y21＇,z21＇），根据向量积原理求出另一个点P31＇=(x31＇,y31＇,z31＇)；则其齐次矩阵T1是：，根据加工点数据配置要求，加工曲面、曲线需离散为指定数量的点，并获取到所有的数据信息；上述齐次矩阵设定的离散点数为n，对于其中第i点的齐次矩阵Ti为：，这些信息数据储存在相应文件里，等待下一步处理。
（4）、生成机器人加工运动关节角：根据步骤（3）处理后获取的数据信息，通过逆运动学算法生成机器人磨抛加工运动对应的机器人运动关节角数据。
（5）、生成机器人加工运动轨迹：根据步骤（4）获取的机器人磨抛加工运动关节角数据，通过三维软件二次开发导入到三维软件中生成机器人运动轨迹特征点及轨迹；以三个磨抛点为例，根据步骤（4）得到的运动关节角J1=(j11,j12,j13,j14,j15,j16),其对应机器人位置1时的法兰盘中心位置Q1=（x1,y1,z1）,在空间3D草图中记录当前法兰盘中心位置；依次类推记录J2=(j21,j22,j23,j24,j25,j26)对应的机器人法兰盘中心位置Q2=（x2,y2,z2）,Ji=(ji1,ji2,ji3,ji4,ji5,ji6)对应机器人法兰盘中心的位置Qi=（xi,yi,zi），采用直线将这些特征点连接起来形成磨抛加工轨迹M。
（6）、机器人磨抛加工运动仿真：在三维软件中，导入步骤（5）得到的机器人加工运动轨迹，设置机器人运动过程中的所有关节角，并结合条件仿真对各磨抛曲面按一定时间条件对磨抛加工运动轨迹进行约束，最后进行仿真验证整个离线编程。
（7）、生成机器人运动关键参数转换模块和代码：将相关坐标系的齐次矩阵转换成其他空间姿态描述形式，在转换完之后，根据选择对应的机器人厂家，按照该机器人厂家的运动控制程序代码编写的语言规则进行生成相应的程序文件。
（8）、砂带位置的修正：由于实际布局与理论布局存在一定的偏差，需要对布局进行修正，该修正的主要是针对磨抛工具砂带位置，通过偏移变量法修正砂带的位置。
所述修正砂带位置的偏移变量法具体是：在机器人末端法兰盘安装标定工具，编写标定程序使标定工具沿砂带上下左右运动，在标定程序中添加坐标系变量，根据标定程序运行情况不断调整所述坐标系变量，得到满意的坐标系变量，即可在三维软件中调整砂带的位置。
（9）、位姿和奇异位形的修正：采用四元数线性插补法修正位姿和奇异位形；四元数线性插补法的公式为：，其中，特殊位姿或者奇异位形前后的位姿为q1、q2，以及q1与q2之间的角度为θ，在q1，q2之间插入一定个数的加工点，加工点的姿态为qi,qi与q1之间的夹角为tθ，t=Si/S,t∈[0,1],加工曲线路径的周长为S，曲线路径中目标点与初始目标点的弧长为Si。
（10）、磨抛工作环境的修正：根据步骤（8）获取的砂带偏差量，在三维软件中重新摆放磨抛机的位置。
由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
该发明的离线编程及修正方法，使六轴磨抛工业机器人离线编程过程简化，具有实用性，能够快速生成应用于磨抛具有复杂表面工件的六轴磨抛工业机器人程序，同时提高磨抛加工的均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例的路径规划流程示意图；
图3为本发明实施例利用等距曲面原理建立加工曲面坐标系的示意图；
图4为本发明实施例各坐标系转换关系示意图；
图5为本发明实施例加工点坐标系齐次矩阵建立流程示意图；
图6为本发明实施例确定离线编程关键参数的流程示意图；
图7为本发明实施例机器人加工运动轨迹规划示意图；
图8为本发明实施例实际与理论工具坐标系的偏差示意图；
图9为本发明实施例实际运行标定程序的示意图；
图10为本发明实施例四元数线性插补原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例是基于Solidworks这一三维软件实现一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，参照图1，包括以下十个主要步骤：
一、建立模型
模型建立的第一部分是通过三维软件Solidworks建立磨抛系统的三维模型，该磨抛系统的三维模型包括一台六轴工业机器人、由四台砂抛机组成的一套砂抛机组、一个水龙头工件和对应的夹具；模型建立的第二部分是根据实际加工图纸，确定各部分之间的相对位置尺寸，在三维软件上完成磨抛系统工作环境的布局。
二、提取工件加工路径信息：利用极限等距法结合三维软件Solidworks二次开发获取工件加工几何信息数据（包括加工点的位置、法向矢量、副法向矢量和切向量方向上的点），进而建立一系列加工点坐标系的三组一系列点三维坐标。
参照图2，在路径规划过程中，首先，选取待加工曲面，在其上规划刀位曲线，利用极限等距法结合三维软件的二次开发功能插件a程序得到加工点的法向矢量N、副法向矢量T，进而得到建立加工点的齐次位姿矩阵的数据。
参照图3，利用等距曲面原理对加工路径曲线进行处理，其中极限等距法为：在工件加工曲面上规划出要加工的曲线L，以曲线L作曲面M的边界，对曲面M作等距为1mm的等距曲面M1，曲面M1上的边界曲线L1即为曲线L的等距曲线；再以曲线L、L1作曲面M2，同样作等距为1mm的等距曲面M3，L2即为曲线L的另一边等距曲线；在曲线L、L1、L2上进行均匀取一定数量的点。
上述三维软件二次开发功能插件a的内容为：能够快速获得大量点坐标值的三维软件的插件。
三、点数据处理：由获得的工件加工几何信息数据进行坐标转换，并以这三组点求出另一组点，之后建立齐次矩阵，比如获得的建立加工点坐标系三个点坐标分别P01=（x01,y01,z01）、P11=（x11,y11,z11）和P21=（x21,y21,z21），经转换后的坐标为P01＇=（x01＇,y01＇,z01＇）、P11＇=（x11＇,y11＇,z11＇）和P21＇=（x21＇,y21＇,z21＇），根据向量积原理求出另一个点P31＇=(x31＇,y31＇,z31＇);则其齐次矩阵T1是：
根据加工点数据配置要求，加工曲面、曲线需离散为指定数量的点，并获取到所有的数据信息；比如上述齐次矩阵设定的离散点数为n，对于其中第i点的齐次矩阵Ti为：
这些信息数据储存在相应文件里，等待下一步处理。
参照图4，一般六自由度工业机器人的编程直线运动指令中的数据划分到5个空间坐标系内，即：大地坐标系O-XYZ、法兰盘上的坐标系(即初始TCP坐标系)O1-X1Y1Z1、工件坐标系O2-X2Y2Z2、加工点坐标系Oi-XiYiZi和工具坐标系O3-X3Y3Z3。
由于5个坐标系的原点O是不重合，所以存在着坐标平移；对应坐标轴也并不平行，对应坐标轴之间存在旋转角。大地坐标系和法兰盘上的坐标系是机器人固有的，而工具坐标系、工件坐标系以及加工点的坐标系是根据对工件的加工工艺分析进行建立的用户坐标系。因此必须将工具坐标系、工件坐标系和加工点坐标系转换成以大地坐标系和法兰盘坐标系为母坐标系表示的坐标系，根据机器人、工件和抛光机直接的位置，得到出5个坐标系之间的数学转换关系。
大地坐标系：机器人安装的位置建立的坐标系，是其他的坐标系的基准。
法兰盘上的坐标系：机器人末端执行器法兰盘上的建立的坐标系，他的姿态是机器人各轴运动的结果，用于计算各轴的关节角，且是安装在法兰盘上的工件或者工具的母坐标系。
工件坐标系：一般是工件模型的几何中心，是建模的基准，是加工点坐标系的母坐标系。
加工点坐标系：对规划出的加工点建立坐标系，用于与工具坐标系重合，一般它的Z轴是加工表面的法向量。
工具坐标系：根据加工的工艺不同，其位置也不同，如砂抛机，其位置是可以在砂带的任意位置。
参照图5，在Solidworks平台上建立工件的三维模型,并在模型上建立参考坐标系以及建立加工点坐标系所需的相关曲线，再对相关曲线进行离散化处理，最后通过点坐标输出插件实现加工点的几何信息的提取，几何信息以齐次矩阵表示和保存。
四、生成机器人加工运动关节角
根据步骤三获取加工工件的几何信息处理后的数据，通过逆运动学算法生成机器人磨抛加工运动对应的机器人运动关节角数据。
参照图6，建立工具坐标系以及工件坐标系，确认机器人执行器握着的工件，以为计算公式（其中T为机器人法兰盘坐标系、T1为工具坐标系、T2为工件坐标系、为加工点坐标系），选择要加工的曲线并记录曲线上的点数n和计算第一个加工点i=1，计算出TCP的转换矩阵T，得到各组关节角，判断各个关节角是否在角度范围，如此循环，得到n组关节角组解及轴配置供选择，从i=1开始比较相邻两角并选出最接近（可以相同）的轴配置，最终得到n组确定的点参数，输出结束。
五、生成机器人加工运动轨迹
根据步骤（4）获取的机器人磨抛加工运动关节角数据，通过solidworks二次开发功能插件b导入到solidworks三维软件中生成机器人运动轨迹特征点及轨迹。
参照图7，以三个磨抛点为例，根据步骤四得到的运动关节角J1=(j11,j12,j13,j14,j15,j16),其对应机器人位置1时的法兰盘中心位置Q1=（x1,y1,z1）,在空间3D草图中记录当前法兰盘中心位置；依次类推记录J2=(j21,j22,j23,j24,j25,j26)对应的机器人法兰盘中心位置Q2=（x2,y2,z2）,J3=(j31,j32,j33,j34,j35,j36)对应机器人法兰盘中心的位置Q3=（x3,y3,z3），采用直线将这些特征点连接起来形成磨抛加工轨迹M。
六、机器人磨抛加工运动仿真
在三维软件中，导入步骤五得到的机器人加工运动轨迹，设置机器人运动过程中的所有关节角，并结合条件仿真对各磨抛曲面按一定时间条件对磨抛加工运动轨迹进行约束，最近进行仿真验证整个离线编程。
七、生成机器人运动关键参数转换模块和代码
将相关坐标系（加工点坐标系、工件和工具坐标系）的齐次矩阵转换成其他空间姿态描述形式（如四元数、欧拉角），在转换完之后，根据选择对应的机器人厂家，按照该机器人厂家的运动控制程序代码编写的语言规则进行生成相应的程序文件。
八、砂带位置的修正
由于实际布局与理论布局存在一定的偏差，需要对布局进行修正，该修正的主要是针对磨抛工具砂带位置，通过偏移变量法修正砂带的位置。
所述修正砂带位置的偏移变量法具体是：在机器人末端法兰盘安装标定工具，编写标定程序使标定工具沿砂带上下左右运动，在标定程序中添加坐标系变量，根据标定程序运行情况不断调整所述坐标系变量，得到满意的坐标系变量，即可在三维软件中调整砂带的位置。
参照图8，在三维软件中对砂带或者砂抛轮上建立的工具坐标系跟实际砂带或者砂抛轮相同位置建立的工具坐标系存在偏差，从而导致磨抛的轨迹与理想的不一样。离线编程中根据砂带上的特征点建立的工具坐标系为L，S为实际砂带上同样特征点建立的工具坐标系。两个坐标系之间存在着一定的偏差，通过本实验的方法测定出这两个坐标系间的偏差值，通过在Solidworks修正砂带或者砂抛轮的位置。
参照图9，砂带修正标定的步骤可以描述为：①机器人末端法兰盘上安装标定工具1；②在Solidworks软件中利用三点法在实体的特殊点处建立工件坐标系以及工具坐标系；③对标定工件沿砂带2上下左右进行离线编写一段标定程序；④在程序中添加坐标系变量（△X,△Y,△Z,△RX,△RY,△RZ）和相关指令类似于：
其中△X,△Y,△Z,△RX,△RY,△RZ均是坐标系变量。
⑤将编写好的程序导入示教器中并运行标定程序的情况，如图8所示；⑥通过不断修改变量重新运行程序，直至实际工具坐标系与离线编程中的工具坐标系重合；⑦根据示教器上显示的偏差值在Soliworks调整工作环境的布局。
九、位姿和奇异位形的修正
采用四元数线性插补法对特殊位姿和奇异位形进行修正，采用四元数四元数q（x，y，z，s）代替齐次矩阵表示姿态，其具体步骤：
如图10所示，特殊位姿或者奇异位形前后的位姿为q1、q2，以及q1与q2之间的角度为θ，在q1，q2之间插入一定个数的加工点，加工点的姿态为qi,qi与q1之间的夹角为tθ，t=Si/S,t∈[0,1],加工曲线路径的周长为S，曲线路径中目标点与初始目标点的弧长为Si，则当前qi的姿态的四元数为：
十、磨抛工作环境的修正
根据步骤八获取的砂带偏差量，在三维软件中进行重新摆放砂抛机的位置。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (7)
1.一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、建立模型：先通过三维软件建立磨抛系统的三维模型，该磨抛系统包括机器人、磨抛机、工件以及相应的夹具，然后在三维软件上完成磨抛系统工作环境的布局；
（2）、提取工件加工路径信息：利用极限等距法结合三维软件二次开发获取工件加工几何信息数据，该数据包括加工点的位置、法向矢量、副法向矢量以及切向量方向上的点，建立一系列加工点坐标系的三组一系列点三维坐标；
（3）、点数据处理：将步骤（2）中获取的工件加工几何信息数据进行坐标转换，并根据向量积原理以这三组点求出另一组点，之后建立齐次矩阵获取所有的数据信息，该数据信息储存在相应文件里；
（4）、生成机器人加工运动关节角：根据步骤（3）处理后获取的数据信息，通过逆运动学算法生成机器人磨抛加工运动对应的机器人运动关节角数据；
（5）、生成机器人加工运动轨迹：根据步骤（4）获取的机器人磨抛加工运动关节角数据，通过三维软件二次开发导入到三维软件中生成机器人运动轨迹特征点及轨迹；
（6）、机器人磨抛加工运动仿真：在三维软件中，导入步骤（5）得到的机器人加工运动轨迹，设置机器人运动过程中的所有关节角，并结合条件仿真对各磨抛曲面按一定时间条件对磨抛加工运动轨迹进行约束，最后进行仿真验证整个离线编程；
（7）、生成机器人运动关键参数转换模块和代码：将相关坐标系的齐次矩阵转换成其他空间姿态描述形式，在转换完之后，根据选择对应的机器人厂家，按照该机器人厂家的运动控制程序代码编写的语言规则进行生成相应的程序文件；
（8）、砂带位置的修正：通过偏移变量法修正砂带的位置；
（9）、位姿和奇异位形的修正：采用四元数线性插补法修正位姿和奇异位形；
（10）、磨抛工作环境的修正：根据步骤（8）获取的砂带偏差量，在三维软件中重新摆放磨抛机的位置。
2.如权利要求1所述的一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，其特征在于，所述极限等距法具体如下：在工件加工曲面上规划出要加工的曲线L，以曲线L作曲面M的边界，对曲面M作等距为1mm的等距曲面M1，曲面M1上的边界曲线L1即为曲线L的等距曲线；再以曲线L、L1作曲面M2，同样作等距为1mm的等距曲面M3，L2即为曲线L的另一边等距曲线；在曲线L、L1、L2上进行均匀取若干数量的点。
3.如权利要求1所述的一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，其特征在于：所述三维软件二次开发的内容为能够快速获得大量点坐标值的三维软件的插件。
4.如权利要求1所述的一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，其特征在于，步骤（3）的点数据处理具体包括：步骤（2）获得的建立加工点坐标系三个点坐标分别为P01=（x01,y01,z01）、P11=（x11,y11,z11）和P21=（x21,y21,z21），经转换后的坐标为P01＇=（x01＇,y01＇,z01＇）、P11＇=（x11＇,y11＇,z11＇）和P21＇=（x21＇,y21＇,z21＇），根据向量积原理求出另一个点P31＇=(x31＇,y31＇,z31＇);则其齐次矩阵T1是：，其中第i点的齐次矩阵Ti为：。
5.如权利要求1所述的一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，其特征在于，所述步骤（5）的具体过程如下：根据步骤（4）得到的运动关节角J1=(j11,j12,j13,j14,j15,j16),其对应机器人位置1时的法兰盘中心位置Q1=（x1,y1,z1）,在空间3D草图中记录当前法兰盘中心位置；依次类推记录J2=(j21,j22,j23,j24,j25,j26)对应的机器人法兰盘中心位置Q2=（x2,y2,z2）,Ji=(ji1,ji2,ji3,ji4,ji5,ji6)对应机器人法兰盘中心的位置Qi=（xi,yi,zi），采用直线将这些特征点连接起来形成磨抛加工轨迹M。
6.如权利要求1所述的一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，其特征在于，所述步骤（8）的偏移变量法具体是：在机器人末端法兰盘安装标定工具，编写标定程序使标定工具沿砂带上下左右运动，在标定程序中添加坐标系变量，根据标定程序运行情况不断调整所述坐标系变量，得到满意的坐标系变量，即可在三维软件中调整砂带的位置。
7.如权利要求1所述的一种六轴磨抛工业机器人离线编程及修正方法，其特征在于，所述步骤（9）四元数线性插补法的公式为：，其中，特殊位姿或者奇异位形前后的位姿为q1、q2，以及q1与q2之间的角度为θ，在q1，q2之间插入一定个数的加工点，加工点的姿态为qi,qi与q1之间的夹角为tθ，t=Si/S,t∈[0,1],加工曲线路径的周长为S，曲线路径中目标点与初始目标点的弧长为Si。
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