CN115879244A - 一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法。构建了与现实环境相同的打磨工作站离线编程环境，基于该环境结合SiemensNX强大的路径规划能力，实现了依据打磨工件三维实体模型特征直接自动生成打磨刀具路径，通过编辑和应用机器人控制参数，将刀具路径快速、安全的应用到机器人加工中，有效提升了复杂打磨工况下离线编程轨迹规划能力和编程效率。通过用户自定义事件，在离线编程环境中对打磨工作站全部动作进行仿真验证，保证了复杂打磨工况下程序仿真验证完整性，提升了工作站离线编程质量和程序安全性，大大减少了现场在线调试工作量。

Description

一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法

技术领域

本发明属于机械加工编程技术领域，具体涉及一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法。

背景技术

金属打磨属于典型的有害作业，其主要职业危害因素为金属粉尘、噪音和强体力劳动。粉尘和噪音环境极易对操作人员肺部和耳部造成伤害，而且金属粉尘属于易燃易爆品，加之打磨会产生火花，安全隐患较大，严重威胁操作者人身安全。

随着工业机器人技术的不断进步和工业机器人在焊接、切割、雕刻、打磨、去毛刺等行业的广泛应用，越来越多的人工打磨作业被自动化、无人化的打磨工作站代替，解决了操作人员的职业健康问题和安全问题，打磨质量和打磨效率也得到了较大的提升。

为了得到较高的打磨质量和打磨效率，对打磨过程中机器人的位置、姿态和打磨路径要求较严格。目前大多数打磨工作站的编程属于在线示教编程方式，编程效率很低，单个零件的示教时间长达数十小时，并且难以准确控制机器人位置、姿态和打磨路径。离线编程作为机器人应用过程中的一项关键技术，已经有力的推动了机器人作业的效率，降低了机器人示教人员的工作难度。但是，目前的打磨工作站离线编程技术还存在以下问题：

主流厂商离线编程软件均采用在软件中拖动、偏置等方法生成路径，本质上还是属于示教方式，轨迹规划能力弱。对于复杂打磨工况，其路径点一般达到上千个点，编程效率很低。中国专利发明《基于三维建模软件实现工业机器人离线编程的方法》（公开号CN103085072B）和中国专利发明《基于离线编程的机器人加持工件打磨的轨迹规划方法》（公开号CN107283422A）提出了在打磨曲面上绘制曲线的方法生成打磨轨迹，均无法在3D实体模型曲面特征上直接生成打磨轨迹。对于复杂曲面打磨，用绘制曲线的方法生成打磨轨迹难于准确控制机器人位置、姿态的复杂变化，而且工作量巨大，编程效率也较低。

目前的离线编程软件大部分只针对机器人进行编程，而无法对安全门开关、打磨工具和打磨夹具运动等打磨工作站其他运动部件进行编程，无法对工作站的全部动作进行全面模拟仿真，产生的机器人程序不完整，无法彻底解决机器人程序的干涉、碰撞等安全性问题，程序质量和程序安全性较差。

目前主流机器人生产厂商均推出了针对自己品牌产品的离线编程软件，如ABB的robotstudio、FANUC的ROBOGUID、安川的MotosimEG-VRC、KUKA的KUKAsim等。其优点是对自家品牌的机器人兼容性好，缺点是不能兼容其他品牌，通用性较差。

SiemensNX软件是UGS PLM新一代数字化产品开发系统，包含了企业应用中最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。NX加工基础模块提供了强大的加工刀具轨迹生成和修改功能，可以在3D实体模型生成全参数化的复杂刀具路径，并且提供了机床构建、仿真验证和后处理构造器等基本工具。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，根据打磨工件三维实体模型特征直接生成打磨轨迹，对打磨工作站全部动作进行编程和仿真验证，可适用于多种品牌机器人离线编程，解决复杂打磨工况下离线编程轨迹规划能力弱、编程效率低、程序质量和安全性差、离线编程环境通用性较差的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，包括打磨工作站离线编程环境构建方法和打磨工作站离线编程方法；

其中，打磨工作站离线编程环境构建方法，具体实施步骤如下：

步骤A1：创建完整的打磨工作站三维实体模型，根据打磨工作站各组件的实际尺寸和布局，在SiemensNX建模和装配模块中创建完整的打磨工作站三维实体模型；

步骤A2：构建打磨工作站运动学模型，定义打磨机器人、打磨夹具和安全门的运动部件的运动属性；

步骤A3：构建工作站工件、打磨工具部件安装连接，定义工件和打磨工具的安装位置与安装方位，为了适应机器人引导工具和机器人引导工件两种打磨工况，分别针对两种工况定义工件和打磨工具的安装连接；

步骤A4：构建工作站运动链，定义工作站运动属性，为了适应机器人引导工具和机器人引导工件两种打磨工况，针对两种工况分别定义工作站运动链；

步骤A5：创建打磨工作站用户自定义事件；

步骤A6：自定义后处理器；

步骤A7：创建和管理打磨工作站打磨工具系统和工件坐标系统，保存为加工模板供离线编程调用，建立EXCEL格式的坐标系统管理表，通过SiemensNX表达式管理工具对坐标系统进行管理；

其中，打磨工作站离线编程方法，具体实施步骤如下：

步骤B1：在SiemensNX中新建文件，根据待打磨工件图纸创建工件三维模型或导入已有的工件三维模型；

步骤B2：使用打磨工作站加工模板对加工环境进行初始化，自动生成打磨工具和打磨坐标系统，使用SiemensNX表达式管理工具导入EXCEL格式的坐标系统管理表，供后处理器调用输出；

步骤B3：在机床导航器中调用打磨工作站，载入打磨工作站运动学模型；

步骤B4：创建打磨工序；

步骤B5：编辑和应用机器人控制参数，通过编辑和应用机器人控制参数，可以将刀具路径快速、安全的应用到机器人加工中，大大提升各种复杂平面和曲面打磨工况的路径规划能力；

步骤B6：机器人控制参数编辑完成后，应用机器人规则，打开刀轨报告显示查找结果；

步骤B7：打磨工序三维仿真验证；

步骤B8：对选定的工序进行后处理。

进一步的，步骤A1中，创建打磨机器人各运动轴和底座的三维实体模型，其形状和尺寸与实际使用的打磨机器人相同，在SiemensNX装配模块中将各运动轴和底座的三维实体模型组合成打磨机器人；

采用相同的方法创建砂带机、打磨主轴的打磨工具系统和定位台、固定打磨夹具、运动打磨夹具、上料拖盘、下料拖盘、机房、安全门的外围部件，部件创建完成后，在SiemensNX装配模块按照各部件的实际布局位置将部件装配成完整的打磨工作站。

进一步的，步骤A2中，构建打磨机器人运动学模型，为机器人底座和机器人各运动轴分别指定对应的实体模型，构建J1、J2、J3、J4、J5、J6旋转运动轴和外部轴，各运动轴的初始值、上下限值的几何属性和最大速度、加速度的运动属性根据机器人规格说明书指定；

构建打磨夹具、安全门的外围设备的运动学模型，为打磨夹具和安全门指定对应的实体模型，构建固定打磨夹具和运动打磨夹具夹紧松开、安全门开关的直线运动轴，各运动轴的初始值、上下限值的几何属性和最大速度、加速度的运动属性根据打磨工作站设计说明书指定。

进一步的，步骤A3中，建立机器人引导工具工况下的工具和工件部件及其安装连接：在机器人J6轴法兰中心定义打磨工具部件及其安装连接，用于机器人引导工具工况下打磨工具的定位，连接点坐标的X-方向为工具的轴向，Y-方向为打磨轨迹路径方向，Z-方向为工具与工件的接触方向，在固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘上分别定义工件及其安装连接，用于机器人引导工具工况下工件三维模型的定位，其XYZ坐标方向与工件坐标系一致；

建立机器人引导工件工况下的工具和工件部件及其安装连接：在砂带机、打磨主轴的打磨工具系统的合适位置建立打磨工具部件及其安装连接，用于机器人引导工件工况下打磨工具的定位，各连接点坐标的X-方向为工具的轴向，Y-方向为打磨轨迹路径方向，Z-方向为工具与工件的接触方向，在机器人J6轴法兰中心定义运动夹具组件和运动夹具安装连接，在运动夹具组件上定义工件及其安装连接，用于机器人引导工件工况下工件三维模型的定位，其XYZ坐标方向与工件坐标系一致。

进一步的，步骤A4中，定义机器人引导工具工况下的工作站运动链：运动链工具端为机器人J6轴法兰中心定义的打磨工具，运动链部件端为固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘上定义的工件，每个位置的工件分别定义一条运动链；

定义机器人引导工件工况下的工作站运动链：运动链部件端为机器人J6轴运动夹具组件上定义的工件，运动链工具端为砂带机、打磨主轴的打磨工具系统的合适位置建立的打磨工具部件，每个位置的工具分别定义一条运动链；

步骤A5中，打磨工作站除了控制机器人运动以外，还包括砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关的运动事件，以上事件需事先进行定义，才能在工作站离线编程过程中使用，在打磨工作站的cdl文件中定义事件名称，指定事件对应的后处理函数，定义事件参数。

进一步的，步骤A6中，根据机器人编程说明书和工作站用户自定义事件自定义工作站后处理器，使用TCL语言编写SiemensNX后处理文件，主要内容包括定制程序和运动路径头尾输出、运动指令数学计算与输出、用户自定义事件后处理函数，通过自定义后处理器，将离线编程生成的机器人运动程序和用户自定义事件转化为实际机器人控制系统中可以识别并加以应用的程序语言，适应各品牌机器人的程序语言格式要求。

进一步的，步骤A7中，机器人工作坐标包括工具坐标和基坐标两大类，根据工作站打磨工况不同，对于同一个打磨工具或工件坐标，既可以是工具坐标也可以是基座标，所以必须在构建打磨工具和工件坐标时进行定义和说明；

构建打磨工具系统，根据打磨工具实际形状确定打磨工具的直径、长度的几何尺寸，刀具号为该打磨工具输出的坐标编号，在刀具描述属性中定义该打磨工具属于机器人引导型工具或外部固定工具，对于机器人引导型工具，打磨工具坐标在后处理时输出坐标类型为工具坐标，对于外部固定工具，打磨工具坐标在后处理时输出坐标类型为基坐标；

构建工件坐标，在固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘和机器人引导的运动打磨夹具上分别建立工件坐标，夹具偏置号与机器人坐标编号对应，机器人引导的运动打磨夹具上建立的工件坐标系在后处理时输出坐标类型为工具坐标，固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘建立的工件坐标在后处理时输出坐标类型为基坐标；

将包含打磨工具系统和工件坐标系统的文件保存为打磨工作站加工模板文件，供离线编程时调用；

对实际打磨工作站的打磨工具和工件坐标进行标定，将标定结果存储在EXCEL格式的坐标系统管理表中，在离线编程时通过SiemensNX表达式管理工具导入工作站坐标数据，供后处理器调用输出。

进一步的，步骤B3中，根据不同的打磨工况要求，通过装配定位将工件安装在打磨工作站不同位置上，在机器人引导工具的工况下，工件安装在固定夹具上，通过组装配置器将工件几何体分配到固定夹具上的工件安装节点，在机器人引导工件的工况下，工件安装在机器人引导的运动夹具上，通过组装配置器将工件几何体分配到运动夹具上的工件安装节点，在组装配置器中将打磨工具分别装入对应的工具安装节点；

步骤B4中，SiemensNX加工模块提供了多种加工模板和多种工序子类型，适用于平面、三维轮廓和多轴加工的众多加工场景要求，可以基于三维模型特征直接生成刀具路径，其加工轨迹规划与编程能力居于世界先进水平；

根据打磨平面及曲面的形状特征，选择合适的工序子类型，选择合适的打磨工具，指定打磨几何体，设置打磨进给速度、进退刀和避让的参数，即可在打磨平面及曲面上自动快速生成打磨刀具路径。

进一步的，步骤B5中，I.新建和编辑每个工序机器人的起始姿态和结束姿态，对于当前工序而言，其起始姿态为上一个工序的结束姿态，其结束姿态为下一个工序的起始姿态，从而保证了工序间机器人姿态转换的安全性和连续性；

II.指定打磨工具方向，在常规的五轴铣削刀具路径中，假定刀具关于主轴轴线是轴对称的，五个轴可以控制六个自由度，而机器人可以容纳各种不限于轴对称假设的加工工具，所以必须指定工具的方向，工具方向定义以工具的Y方向为基准，包括相对于部件固定、与刀具路径相切和绝对固定的几种类型；

III.选择机器人配置，机器人配置限制三个机器人轴的角度范围，以控制模拟和后处理器使用的解决方案，配置列表设置反映了J3、J5和OH的可用组合，通过选择合适的组合，防止违反机器人运动轴限制和奇点；

IV.添加用户自定义事件，在打磨工序结束或开始位置添加砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关的运动事件，以便完整仿真验证工作站运行过程，保证工作站程序安全、完整。

进一步的，步骤B6中，刀轨记录中显示了过切、奇异性、软限制违例、硬限制违例、展开、碰撞、触及失败、变量限制违例、刀具夹持器碰撞、刀具快速碰撞的有问题导轨的位置，并在图形窗口以不同的颜色显示，根据刀轨报告提供的各种错误提示，修改编辑工序参数，修正工序错误；

步骤B7中，完成工作站打磨工序创建后，在三维环境下动态仿真打工作站中机器人与砂带机、打磨主轴、夹具、安全门之间协调工作过程，通过仿真验证，可以识别打磨工具与工件、工具与工作站部件之间的三维空间碰撞干涉，可以进行打磨动态除料工艺过程仿真，对仿真中出现错误的工序进行适当修正，最后生成完整、正确的工作站程序；

步骤B8中，调用后处理器，对经过仿真验证的工序进行后处理，将机器人运动程序和用户自定义事件转化为实际机器人控制系统中可以识别并加以应用的程序语言，程序中包含了程序注释、程序初始化、工具与坐标设定、运动指令、用户自定义指令和程序结束语句的要素，可以完整的控制工作站机器人运动、砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关，后处理完成后，通过机器人配置软件将程序传输至机器人。

本发明的有益效果：

本发明提供了基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，构建了与现实环境相同的打磨工作站离线编程环境，基于该环境结合SiemensNX强大的路径规划能力，实现了依据打磨工件三维实体模型特征直接自动生成打磨刀具路径，通过编辑和应用机器人控制参数，将刀具路径快速、安全的应用到机器人加工中，有效提升了复杂打磨工况下离线编程轨迹规划能力和编程效率。通过用户自定义事件，在离线编程环境中对打磨工作站全部动作进行仿真验证，保证了复杂打磨工况下程序仿真验证完整性，提升了工作站离线编程质量和程序安全性，大大减少了现场在线调试工作量。通过自定义后处理器，使处理后的程序适应各品牌机器人的程序语言格式要求，有效提升了离线编程的通用性。

基于以上优点，本发明能有效提升复杂打磨工况下离线编程轨迹规划能力和编程效率、提升工作站离线编程质量和程序安全性、提升离线编程的通用性。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1是本发明打磨工作站的结构示意图。

图2是本发明打磨工作站离线编程环境构建方法的流程示意图。

图3是本发明打磨工作站离线编程方法的流程示意图。

图中：1-打磨机器人，2-砂带机，3-打磨主轴，4-定位台，5-固定打磨夹具，6-运动打磨夹具，7-上料托盘，8-下料托盘，9-机房，10-安全门。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1：

一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，包括打磨工作站离线编程环境构建方法和打磨工作站离线编程方法。

其中，打磨工作站离线编程环境构建方法，基于SiemensNX创建打磨工作站三维实体模型和运动学模型、创建用户定义命令、自定义后处理器、创建和管理工具坐标系统，构建完整的打磨工作站离线编程环境，适应机器人引导工具和机器人引导工件两种打磨工况的离线编程。

打磨工作站离线编程环境构建方法流程图如图2所示，具体实施步骤如下：

步骤A1：创建完整的打磨工作站三维实体模型，根据打磨工作站各组件的实际尺寸和布局，在SiemensNX建模和装配模块中创建完整的打磨工作站三维实体模型。打磨工作站示意图如图1所示。

创建打磨机器人1各运动轴和底座的三维实体模型，其形状和尺寸与实际使用的打磨机器人相同，在SiemensNX装配模块中将各运动轴和底座的三维实体模型组合成打磨机器人1。

采用相同的方法创建砂带机2、打磨主轴3的打磨工具系统和定位台4、固定打磨夹具5、运动打磨夹具6、上料拖盘7、下料拖盘8、机房9、安全门10的外围部件，部件创建完成后，在SiemensNX装配模块按照各部件的实际布局位置将部件装配成完整的打磨工作站。

步骤A2：构建打磨工作站运动学模型，定义打磨机器人、打磨夹具和安全门的运动部件的运动属性。

构建打磨机器人运动学模型，为机器人底座和机器人各运动轴分别指定对应的实体模型，构建J1、J2、J3、J4、J5、J6旋转运动轴和外部轴，各运动轴的初始值、上下限值的几何属性和最大速度、加速度的运动属性根据机器人规格说明书指定。

构建打磨夹具、安全门的外围设备的运动学模型，为打磨夹具和安全门指定对应的实体模型，构建固定打磨夹具和运动打磨夹具夹紧松开、安全门开关的直线运动轴，各运动轴的初始值、上下限值的几何属性和最大速度、加速度的运动属性根据打磨工作站设计说明书指定。

步骤A3：构建工作站工件、打磨工具部件安装连接，定义工件和打磨工具的安装位置与安装方位，为了适应机器人引导工具和机器人引导工件两种打磨工况，分别针对两种工况定义工件和打磨工具的安装连接。

建立机器人引导工具工况下的工具和工件部件及其安装连接：在机器人J6轴法兰中心定义打磨工具部件及其安装连接，用于机器人引导工具工况下打磨工具的定位，连接点坐标的X-方向为工具的轴向，Y-方向为打磨轨迹路径方向，Z-方向为工具与工件的接触方向，在固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘上分别定义工件及其安装连接，用于机器人引导工具工况下工件三维模型的定位，其XYZ坐标方向与工件坐标系一致。

建立机器人引导工件工况下的工具和工件部件及其安装连接：在砂带机、打磨主轴的打磨工具系统的合适位置建立打磨工具部件及其安装连接，用于机器人引导工件工况下打磨工具的定位，各连接点坐标的X-方向为工具的轴向，Y-方向为打磨轨迹路径方向，Z-方向为工具与工件的接触方向，在机器人J6轴法兰中心定义运动夹具组件和运动夹具安装连接，在运动夹具组件上定义工件及其安装连接，用于机器人引导工件工况下工件三维模型的定位，其XYZ坐标方向与工件坐标系一致。

步骤A4：构建工作站运动链，定义工作站运动属性，为了适应机器人引导工具和机器人引导工件两种打磨工况，针对两种工况分别定义工作站运动链。

定义机器人引导工具工况下的工作站运动链：运动链工具端为机器人J6轴法兰中心定义的打磨工具，运动链部件端为固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘上定义的工件，每个位置的工件分别定义一条运动链。

定义机器人引导工件工况下的工作站运动链：运动链部件端为机器人J6轴运动夹具组件上定义的工件，运动链工具端为砂带机、打磨主轴的打磨工具系统的合适位置建立的打磨工具部件，每个位置的工具分别定义一条运动链。

步骤A5：创建打磨工作站用户自定义事件。

打磨工作站除了控制机器人运动以外，还包括砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关的运动事件，以上事件需事先进行定义，才能在工作站离线编程过程中使用，在打磨工作站的cdl文件中定义事件名称，指定事件对应的后处理函数，定义事件参数。

步骤A6：自定义后处理器。

根据机器人编程说明书和工作站用户自定义事件自定义工作站后处理器，使用TCL语言编写SiemensNX后处理文件，主要内容包括定制程序和运动路径头尾输出、运动指令数学计算与输出、用户自定义事件后处理函数，通过自定义后处理器，将离线编程生成的机器人运动程序和用户自定义事件转化为实际机器人控制系统中可以识别并加以应用的程序语言，适应各品牌机器人的程序语言格式要求。

步骤A7：创建和管理打磨工作站打磨工具系统和工件坐标系统，保存为加工模板供离线编程调用，建立EXCEL格式的坐标系统管理表，通过SiemensNX表达式管理工具对坐标系统进行管理。

机器人工作坐标包括工具坐标和基坐标两大类，根据工作站打磨工况不同，对于同一个打磨工具或工件坐标，既可以是工具坐标也可以是基座标，所以必须在构建打磨工具和工件坐标时进行定义和说明。

构建打磨工具系统，根据打磨工具实际形状确定打磨工具的直径、长度的几何尺寸，刀具号为该打磨工具输出的坐标编号，在刀具描述属性中定义该打磨工具属于机器人引导型工具或外部固定工具，对于机器人引导型工具，打磨工具坐标在后处理时输出坐标类型为工具坐标，对于外部固定工具，打磨工具坐标在后处理时输出坐标类型为基坐标（外部TCP）。

构建工件坐标，在固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘和机器人引导的运动打磨夹具上分别建立工件坐标，夹具偏置号与机器人坐标编号对应，机器人引导的运动打磨夹具上建立的工件坐标系在后处理时输出坐标类型为工具坐标，固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘建立的工件坐标在后处理时输出坐标类型为基坐标。

将包含打磨工具系统和工件坐标系统的文件保存为打磨工作站加工模板文件，供离线编程时调用。

对实际打磨工作站的打磨工具和工件坐标进行标定，将标定结果存储在EXCEL格式的坐标系统管理表中，在离线编程时通过SiemensNX表达式管理工具导入工作站坐标数据，供后处理器调用输出。

其中，打磨工作站离线编程方法，创建或导入工件三维模型，基于构建的打磨工作站离线编程环境，使用加工模板初始化加工环境，调用打磨工作站运动学模型，创建打磨工序，编辑和应用机器人控制参数，并进行仿真验证和后处理。

打磨工作站离线编程方法流程如图3所示，具体实施步骤如下：

步骤B1：在SiemensNX中新建文件，根据待打磨工件图纸创建工件三维模型或导入已有的工件三维模型。

步骤B2：使用打磨工作站加工模板对加工环境进行初始化，自动生成打磨工具和打磨坐标系统，使用SiemensNX表达式管理工具导入EXCEL格式的坐标系统管理表，供后处理器调用输出。

步骤B3：在机床导航器中调用打磨工作站，载入打磨工作站运动学模型，根据不同的打磨工况要求，通过装配定位将工件安装在打磨工作站不同位置上，在机器人引导工具的工况下，工件安装在固定夹具上，通过组装配置器将工件几何体分配到固定夹具上的工件安装节点，在机器人引导工件的工况下，工件安装在机器人引导的运动夹具上，通过组装配置器将工件几何体分配到运动夹具上的工件安装节点，在组装配置器中将打磨工具分别装入对应的工具安装节点。

步骤B4：创建打磨工序，SiemensNX加工模块提供了多种加工模板和多种工序子类型，适用于平面、三维轮廓和多轴加工的众多加工场景要求，可以基于三维模型特征直接生成刀具路径，其加工轨迹规划与编程能力居于世界先进水平。

根据打磨平面及曲面的形状特征，选择合适的工序子类型，选择合适的打磨工具，指定打磨几何体，设置打磨进给速度、进退刀和避让的参数，即可在打磨平面及曲面上自动快速生成打磨刀具路径。

步骤B5：编辑和应用机器人控制参数，通过编辑和应用机器人控制参数，可以将刀具路径快速、安全的应用到机器人加工中，大大提升各种复杂平面和曲面打磨工况的路径规划能力。

I.新建和编辑每个工序机器人的起始姿态和结束姿态，对于当前工序而言，其起始姿态为上一个工序的结束姿态，其结束姿态为下一个工序的起始姿态，从而保证了工序间机器人姿态转换的安全性和连续性。

II.指定打磨工具方向，在常规的五轴铣削刀具路径中，假定刀具关于主轴轴线是轴对称的，五个轴可以控制六个自由度，而机器人可以容纳各种不限于轴对称假设的加工工具，所以必须指定工具的方向，工具方向定义以工具的Y方向为基准，包括相对于部件固定、与刀具路径相切和绝对固定的几种类型。

III.选择机器人配置，机器人配置限制三个机器人轴的角度范围，以控制模拟和后处理器使用的解决方案，配置列表设置反映了J3、J5和OH的可用组合，通过选择合适的组合，防止违反机器人运动轴限制和奇点。

IV.添加用户自定义事件，在打磨工序结束或开始位置添加砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关的运动事件，以便完整仿真验证工作站运行过程，保证工作站程序安全、完整。

步骤B6：机器人控制参数编辑完成后，应用机器人规则，打开刀轨报告显示查找结果，刀轨记录中显示了过切、奇异性、软限制违例、硬限制违例、展开、碰撞、触及失败、变量限制违例、刀具夹持器碰撞、刀具快速碰撞的有问题导轨的位置，并在图形窗口以不同的颜色显示，根据刀轨报告提供的各种错误提示，修改编辑工序参数，修正工序错误。

步骤B7：打磨工序三维仿真验证，完成工作站打磨工序创建后，在三维环境下动态仿真打工作站中机器人与砂带机、打磨主轴、夹具、安全门之间协调工作过程，通过仿真验证，可以识别打磨工具与工件、工具与工作站部件之间的三维空间碰撞干涉，可以进行打磨动态除料工艺过程仿真，对仿真中出现错误的工序进行适当修正，最后生成完整、正确的工作站程序。

步骤B8：对选定的工序进行后处理，调用后处理器，对经过仿真验证的工序进行后处理，将机器人运动程序和用户自定义事件转化为实际机器人控制系统中可以识别并加以应用的程序语言，程序中包含了程序注释、程序初始化、工具与坐标设定、运动指令、用户自定义指令和程序结束语句的要素，可以完整的控制工作站机器人运动、砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关，后处理完成后，通过机器人配置软件将程序传输至机器人。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：包括打磨工作站离线编程环境构建方法和打磨工作站离线编程方法；

其中，打磨工作站离线编程环境构建方法，具体实施步骤如下：

步骤A1：创建完整的打磨工作站三维实体模型，根据打磨工作站各组件的实际尺寸和布局，在SiemensNX建模和装配模块中创建完整的打磨工作站三维实体模型；

步骤A2：构建打磨工作站运动学模型，定义打磨机器人、打磨夹具和安全门的运动部件的运动属性；

步骤A3：构建工作站工件、打磨工具部件安装连接，定义工件和打磨工具的安装位置与安装方位，为了适应机器人引导工具和机器人引导工件两种打磨工况，分别针对两种工况定义工件和打磨工具的安装连接；

步骤A4：构建工作站运动链，定义工作站运动属性，为了适应机器人引导工具和机器人引导工件两种打磨工况，针对两种工况分别定义工作站运动链；

步骤A5：创建打磨工作站用户自定义事件；

步骤A6：自定义后处理器；

步骤A7：创建和管理打磨工作站打磨工具系统和工件坐标系统，保存为加工模板供离线编程调用，建立EXCEL格式的坐标系统管理表，通过SiemensNX表达式管理工具对坐标系统进行管理；

其中，打磨工作站离线编程方法，具体实施步骤如下：

步骤B1：在SiemensNX中新建文件，根据待打磨工件图纸创建工件三维模型或导入已有的工件三维模型；

步骤B2：使用打磨工作站加工模板对加工环境进行初始化，自动生成打磨工具和打磨坐标系统，使用SiemensNX表达式管理工具导入EXCEL格式的坐标系统管理表，供后处理器调用输出；

步骤B3：在机床导航器中调用打磨工作站，载入打磨工作站运动学模型；

步骤B4：创建打磨工序；

步骤B5：编辑和应用机器人控制参数，通过编辑和应用机器人控制参数，可以将刀具路径快速、安全的应用到机器人加工中，大大提升各种复杂平面和曲面打磨工况的路径规划能力；

步骤B6：机器人控制参数编辑完成后，应用机器人规则，打开刀轨报告显示查找结果；

步骤B7：打磨工序三维仿真验证；

步骤B8：对选定的工序进行后处理。

2.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤A1中，创建打磨机器人（1）各运动轴和底座的三维实体模型，其形状和尺寸与实际使用的打磨机器人相同，在SiemensNX装配模块中将各运动轴和底座的三维实体模型组合成打磨机器人（1）；

采用相同的方法创建砂带机（2）、打磨主轴（3）的打磨工具系统和定位台（4）、固定打磨夹具（5）、运动打磨夹具（6）、上料拖盘（7）、下料拖盘（8）、机房（9）、安全门（10）的外围部件，部件创建完成后，在SiemensNX装配模块按照各部件的实际布局位置将部件装配成完整的打磨工作站。

3.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤A2中，构建打磨机器人运动学模型，为机器人底座和机器人各运动轴分别指定对应的实体模型，构建J1、J2、J3、J4、J5、J6旋转运动轴和外部轴，各运动轴的初始值、上下限值的几何属性和最大速度、加速度的运动属性根据机器人规格说明书指定；

构建打磨夹具、安全门的外围设备的运动学模型，为打磨夹具和安全门指定对应的实体模型，构建固定打磨夹具和运动打磨夹具夹紧松开、安全门开关的直线运动轴，各运动轴的初始值、上下限值的几何属性和最大速度、加速度的运动属性根据打磨工作站设计说明书指定。

4.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤A3中，建立机器人引导工具工况下的工具和工件部件及其安装连接：在机器人J6轴法兰中心定义打磨工具部件及其安装连接，用于机器人引导工具工况下打磨工具的定位，连接点坐标的X-方向为工具的轴向，Y-方向为打磨轨迹路径方向，Z-方向为工具与工件的接触方向，在固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘上分别定义工件及其安装连接，用于机器人引导工具工况下工件三维模型的定位，其XYZ坐标方向与工件坐标系一致；

建立机器人引导工件工况下的工具和工件部件及其安装连接：在砂带机、打磨主轴的打磨工具系统的合适位置建立打磨工具部件及其安装连接，用于机器人引导工件工况下打磨工具的定位，各连接点坐标的X-方向为工具的轴向，Y-方向为打磨轨迹路径方向，Z-方向为工具与工件的接触方向，在机器人J6轴法兰中心定义运动夹具组件和运动夹具安装连接，在运动夹具组件上定义工件及其安装连接，用于机器人引导工件工况下工件三维模型的定位，其XYZ坐标方向与工件坐标系一致。

5.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤A4中，定义机器人引导工具工况下的工作站运动链：运动链工具端为机器人J6轴法兰中心定义的打磨工具，运动链部件端为固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘上定义的工件，每个位置的工件分别定义一条运动链；

定义机器人引导工件工况下的工作站运动链：运动链部件端为机器人J6轴运动夹具组件上定义的工件，运动链工具端为砂带机、打磨主轴的打磨工具系统的合适位置建立的打磨工具部件，每个位置的工具分别定义一条运动链；

步骤A5中，打磨工作站除了控制机器人运动以外，还包括砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关的运动事件，以上事件需事先进行定义，才能在工作站离线编程过程中使用，在打磨工作站的cdl文件中定义事件名称，指定事件对应的后处理函数，定义事件参数。

6.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤A6中，根据机器人编程说明书和工作站用户自定义事件自定义工作站后处理器，使用TCL语言编写SiemensNX后处理文件，主要内容包括定制程序和运动路径头尾输出、运动指令数学计算与输出、用户自定义事件后处理函数，通过自定义后处理器，将离线编程生成的机器人运动程序和用户自定义事件转化为实际机器人控制系统中可以识别并加以应用的程序语言，适应各品牌机器人的程序语言格式要求。

7.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤A7中，机器人工作坐标包括工具坐标和基坐标两大类，根据工作站打磨工况不同，对于同一个打磨工具或工件坐标，既可以是工具坐标也可以是基座标，所以必须在构建打磨工具和工件坐标时进行定义和说明；

构建打磨工具系统，根据打磨工具实际形状确定打磨工具的直径、长度的几何尺寸，刀具号为该打磨工具输出的坐标编号，在刀具描述属性中定义该打磨工具属于机器人引导型工具或外部固定工具，对于机器人引导型工具，打磨工具坐标在后处理时输出坐标类型为工具坐标，对于外部固定工具，打磨工具坐标在后处理时输出坐标类型为基坐标；

构建工件坐标，在固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘和机器人引导的运动打磨夹具上分别建立工件坐标，夹具偏置号与机器人坐标编号对应，机器人引导的运动打磨夹具上建立的工件坐标系在后处理时输出坐标类型为工具坐标，固定打磨夹具、定位台、上料托盘、下料托盘建立的工件坐标在后处理时输出坐标类型为基坐标；

将包含打磨工具系统和工件坐标系统的文件保存为打磨工作站加工模板文件，供离线编程时调用；

对实际打磨工作站的打磨工具和工件坐标进行标定，将标定结果存储在EXCEL格式的坐标系统管理表中，在离线编程时通过SiemensNX表达式管理工具导入工作站坐标数据，供后处理器调用输出。

8.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤B3中，根据不同的打磨工况要求，通过装配定位将工件安装在打磨工作站不同位置上，在机器人引导工具的工况下，工件安装在固定夹具上，通过组装配置器将工件几何体分配到固定夹具上的工件安装节点，在机器人引导工件的工况下，工件安装在机器人引导的运动夹具上，通过组装配置器将工件几何体分配到运动夹具上的工件安装节点，在组装配置器中将打磨工具分别装入对应的工具安装节点；

步骤B4中，SiemensNX加工模块提供了多种加工模板和多种工序子类型，适用于平面、三维轮廓和多轴加工的众多加工场景要求，可以基于三维模型特征直接生成刀具路径，其加工轨迹规划与编程能力居于世界先进水平；

根据打磨平面及曲面的形状特征，选择工序子类型，选择打磨工具，指定打磨几何体，设置打磨进给速度、进退刀和避让的参数，即可在打磨平面及曲面上自动快速生成打磨刀具路径。

9.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤B5中，I.新建和编辑每个工序机器人的起始姿态和结束姿态，对于当前工序而言，其起始姿态为上一个工序的结束姿态，其结束姿态为下一个工序的起始姿态，从而保证了工序间机器人姿态转换的安全性和连续性；

II.指定打磨工具方向，在常规的五轴铣削刀具路径中，假定刀具关于主轴轴线是轴对称的，五个轴可以控制六个自由度，而机器人可以容纳各种不限于轴对称假设的加工工具，所以必须指定工具的方向，工具方向定义以工具的Y方向为基准，包括相对于部件固定、与刀具路径相切和绝对固定的几种类型；

III.选择机器人配置，机器人配置限制三个机器人轴的角度范围，以控制模拟和后处理器使用的解决方案，配置列表设置反映了J3、J5和OH的可用组合，通过选择组合，防止违反机器人运动轴限制和奇点；

IV.添加用户自定义事件，在打磨工序结束或开始位置添加砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关的运动事件，以便完整仿真验证工作站运行过程，保证工作站程序安全、完整。

10.根据权利要求1所述的基于SiemensNX的机器人打磨工作站离线编程方法，其特征在于：步骤B6中，刀轨记录中显示了过切、奇异性、软限制违例、硬限制违例、展开、碰撞、触及失败、变量限制违例、刀具夹持器碰撞、刀具快速碰撞的有问题导轨的位置，并在图形窗口以不同的颜色显示，根据刀轨报告提供的各种错误提示，修改编辑工序参数，修正工序错误；

步骤B7中，完成工作站打磨工序创建后，在三维环境下动态仿真打工作站中机器人与砂带机、打磨主轴、夹具、安全门之间协调工作过程，通过仿真验证，可以识别打磨工具与工件、工具与工作站部件之间的三维空间碰撞干涉，可以进行打磨动态除料工艺过程仿真，对仿真中出现错误的工序进行适当修正，最后生成完整、正确的工作站程序；

步骤B8中，调用后处理器，对经过仿真验证的工序进行后处理，将机器人运动程序和用户自定义事件转化为实际机器人控制系统中可以识别并加以应用的程序语言，程序中包含了程序注释、程序初始化、工具与坐标设定、运动指令、用户自定义指令和程序结束语句的要素，可以完整的控制工作站机器人运动、砂带机启动停止、打磨主轴启动停止、夹具夹紧松开、安全门开关，后处理完成后，通过机器人配置软件将程序传输至机器人。

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