工業機器人自動磨拋系統的離線仿真研究

林少丹 (福建船政交通職業學院信息工程系,福建福州 350001)

工業機器人自動磨拋系統的離線仿真研究

林少丹 (福建船政交通職業學院信息工程系,福建福州 350001)

選擇solidworks作為平臺,研究了工業機器人自動磨拋系統的離線仿真。使用solidworks環境下工業機器人離線仿真的過程包括在solidworks環境下完成三維仿真模型、機器人加工軌跡的規劃、運動學求解、運動仿真等。將逆運動學獲得的夾起工件時和拋光時各個關節θ參數帶入到solidworks的COSMO Smotion插件上,設置好各關節的約束、運動類型并根據拋光要求設定好初始狀態到開始拋光的時間以及插值時間,然后直接使用solidworks仿真模塊進入仿真場景。離線仿真降低了生產時間,生產效率大幅提高。[關鍵詞]工業機器人;磨拋系統;離線編程;仿真建模

傳統的工業機器人控制系統通常是封閉式的結構,這種結構的缺點是柔性差,其軟件結構依賴于硬件,移植性差,不便于擴展和改進。因此增加離線仿真軟件符合工業機器人系統智能化、自動化的趨勢。開發工業機器人離線仿真軟件是必然趨勢,它對穩定、提高產品質量,提高生產效率,改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用[1]。從系統整體上來講,主要由工業機器人的三維模型模塊(實現仿真系統的基礎)、示教再現模塊(實現示教和再現的功能)、離線編程模塊3個模塊組成。

對于離線編程系統主要內容是機器人及其環境的建模、軌跡的規劃和仿真。對此,該系統選擇solidworks作為該系統的平臺。由于solidworks具有強大的建模、幾何信息的建立以及圖形仿真等功能,并且它的二次開發功能很強大,能夠開發出拋光離線編程系統,這樣的拋光離線編程系統很容易被中小企業接受,對于推廣離線編程的實際應用具有重要意義[2]。

1 工作環境的建模

1.1 機器人的建模

根據機器人的結構及其技術參數完成機器人零部件模型,按照零部件的之間的配合關系完成機器人的裝配[3]。對于用于離線編程的機器人只需要保證正常仿真就行,因此,在保留機器人的關鍵的桿系參數以及約束的基礎上,對于機器人的建模,盡量要簡化其模型的結構[4]。裝配完機器人之后完成各關節之間的運動角的配合,使各關節的轉動控制在轉動范圍內并能夠自由轉動(見圖1)。

1.2 砂拋機的建模

砂拋機的建模與機器人建模一樣,保證正常仿真就行。建模過程中由于考慮到砂帶是軟性的,在拋光過程是工件曲面與砂帶面的接觸,會導致砂帶表面產生彎曲變化[5]。而solidworks中的任何模型都是剛性的,這樣會導致發生干涉現象[6]。為了解決這個問題可以將要接觸到的砂帶面根據工件的形狀繪制曲面。

圖1 solidworks環境下的機器人模型

1.3 機器人與工作環境關系的建立

離線編程的準確性取決于機器人及其工作環境的正確建模和精確的工作位置。該系統通過機器人的基座中心與四臺砂拋機中心之間的距離關系[7],建立的拋光機器人工作環境(見圖2)。

2 機器人加工軌跡的規劃

2.1 路徑曲線

路徑規劃是指拋光上關鍵曲線的劃分,一般通過幾何信息提取的方式獲得必要信息,實現比較困難,特別對于形狀復雜的工件(具有多處過度的部分)。下面對拋光曲線的獲取進行一定的討論。通過多個基準面與工件模型相交得到一條曲線,之后對曲線進行取點來得到加工路徑(見圖3)[8]。

圖2 拋光機器人的工作環境

圖3 加工路徑的取得

完成相交曲面的曲線之后,規劃拋光工藝的拋光順序。由于水龍頭工件在砂拋機上的拋光是面的接觸,這種接觸是與工件存在彈性的曲面接觸,不同于焊接和噴涂的加工工藝所使用的點對點的加工。此外,還存在拋光面是曲面(在離線系統中的仿真只針對剛性材料而不能仿真軟性材料);以及拋光曲面局部曲率的不同。因此對于工件曲面在砂帶平面上加工,必須要將所得到的曲線分成幾段進行分別加工。又因為水龍頭工件的拋光不同于焊接,它的拋光位置會因拋光曲面的不同而不一樣[9]。因此,要先通過對拋光水龍頭的工藝來確定各個曲面在砂帶上所對應的位置。在了解好工藝之后,首先確定好拋光時在砂帶上位置的曲面,將得到的曲線分成多段線段,對于曲線局部曲率大的,需要取點取得比較密,劃分的密集度會影響到工件的加工精度;取好的點通過插值擬合出相應的曲線。對于劃分好的曲線,要加工段的曲線部分每次取A和B 2個點來對應砂帶上的2點A1和B1,以A對應A1,B對應B1來最終確定機器人水龍頭拋光時的位置和位姿。在這樣通過逆運動學解出各軸的參數。

2.2 任務點的坐標確定

任務點的坐標的確定就需要通過solidworks的二次開發調用VC++的GetSelected ObjectCounr和IGetSelectionPoint 2個相關函數才能得到目標點在模型空間坐標系中的三維坐標值[10]。以下是solidworks二次開發求出目標點坐標[11]的部分主要程序:

以上程序通過VC++進行編譯運行,主要通過程序中管理器指針pSelect Manger,把三維坐標值(x,y,z)存入ret這個數組中,這個數組的值就是在模型空間坐標系中的三維坐標值[12]。

2.3 工件的建模

針對工件的建模,采用三次樣條曲線插值應用到工件復雜曲面樣條曲線的擬合上,所達到的效果逼近工件的CAD模型曲線。因此,通過三次樣條曲線插值的應用,更加準確表達出拋光件的曲面模型的數學形式,從而更加準確的建立拋光件的曲面模型。以下描述了三次樣條曲線插值的計算過程。首先,從取到的坐標點之后通過擬合一條曲線,建立三次樣條曲線函數。利用曲線的連續性,求出該曲線的兩端的一階導數。以兩端點的一階導數為邊界條件得出彎矩矩陣[13]。通過彎矩矩陣求出相應彎矩后就得到了n段三次樣條曲線組成一條連續的曲線。通過這個過程就可以繪制出工件曲面在離線仿真系統中的模型。

3 逆運動學的計算

根據正逆運動學之間的關系(見圖4),通過已知連桿參數建立拋光機器人的D-H模型(見圖5)及表1機器人結構參數。

圖4 正逆運動學之間的關系

圖5 拋光機器人的D-H模型

機器人的第2軸與第3軸是成平行四邊形連桿結構,由于平行四邊形連桿結構,第2軸的轉動θ的同時第3軸的電機也會轉動-θ,故在數學建模的時候添加一個輔助軸。

根據機器人結構參數表可以推斷出各坐標系之間的變換矩陣(A1、A2、A3、A4、A5、A6),通過變換矩陣可以推算出各軸的θ參數[14]:

表1 機器人結構參數表

根據剛體的平移和旋轉理論,完成2個相鄰坐標系n與n-1間的齊次變換矩陣,通過求解該矩陣得到機器人末端的位姿;機器人末端裝置相對基座標變換矩陣的反解可求得對應6個關節的角度[15]。

4 運動仿真

通過上述D-H算法驗證后,將逆運動學獲得的夾起工件時和拋光時各個關節θ參數帶入到solidworks的COSMOSmotion插件上,設置好各關節的約束、運動類型并根據拋光要求設定好初始狀態到開始拋光的時間以及插值時間,然后直接使用solidworks仿真模塊進入仿真場景(見圖6)。

圖6 仿真場景

5 結語

由于拋光機的砂帶是軟性材料,以及拋光工件具有復雜曲線等因素,因此要考慮到接觸力的大小關系。在仿真的時候不能準確的判斷出實際拋光面的寬度以及厚度,需要通過現場進一步觀察拋光程度,這樣才能通過離線編程進一步得到調整。通過在solidworks下仿真后得到的磨拋軌跡坐標降低了原先使用示教器在線示教的時間,生產效率有了很大的提高。

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[編輯] 張濤

TG43;TP242.2

A

1673-1409(2014)22-0071-04

2014-04-24

國家高技術研究發展(863)計劃項目;福建省重大專項(2012HZ0006-2);福建省教育廳A類科技資助項目(JA12398)。

林少丹(1979),男,碩士,講師,現主要從事工業機器人、嵌入式系統方面的教學與研究工作。