數(shù)控加工機(jī)器人后置處理的研究及軟件實(shí)現(xiàn)

陳勝奮，謝明紅

(華僑大學(xué)機(jī)電學(xué)院，福建廈門(mén) 361021)

0 前言

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在很多方面得到了應(yīng)用，例如焊接、裝配、運(yùn)輸、包裝及產(chǎn)品檢驗(yàn)［1］。但在將工業(yè)機(jī)器人直接利用來(lái)對(duì)工件進(jìn)行成型加工，還是一個(gè)相對(duì)新的研究領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展飛快，廣泛地應(yīng)用使用了CAD/CAM軟件，同時(shí)對(duì)復(fù)雜曲面或形狀工件的需求量日益增加。所以CAD/CAM生成的刀位文件已經(jīng)在五軸數(shù)控機(jī)床上得到廣泛的應(yīng)用，但對(duì)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)卻相差甚遠(yuǎn)，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀也是差距很大，目前，國(guó)內(nèi)基本還是采用傳統(tǒng)示教方法［2］。所以將CAD/CAM的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與加工機(jī)器人進(jìn)行連接，這對(duì)工業(yè)機(jī)器人加工是非常必要的，可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件加工。然而，加工機(jī)器人控制器一般不接受CAD/CAM等刀位數(shù)據(jù)，因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)特定環(huán)境下的NC代碼進(jìn)行研究。如SMITSI等［3］對(duì)機(jī)器人離線編程的軌跡規(guī)劃和加工代碼進(jìn)行研究，NETO Pedro等［4］提出一種新的基于CAD的離線機(jī)器人編程解決方案。王引等人［5］對(duì)將G代碼的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化成虛擬刀具5個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行研究。總之研究一種能將刀位文件轉(zhuǎn)換為工業(yè)機(jī)器人工作語(yǔ)言的后置處理器，將會(huì)開(kāi)辟工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用新的領(lǐng)域，極大推動(dòng)國(guó)內(nèi)工業(yè)行業(yè)的發(fā)展。

1 工業(yè)機(jī)器人后置處理

數(shù)控加工中的刀位文件中的加工信息數(shù)據(jù)是以工件坐標(biāo)系為參考基準(zhǔn)即加工坐標(biāo)系，并沒(méi)把具體的加工設(shè)備結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)考慮進(jìn)去。因此后置處理器的任務(wù)就是通過(guò)讀取CAD/CAM軟件處理生成的刀位文件，然后根據(jù)加工設(shè)備的一些具體參數(shù)，運(yùn)動(dòng)特性及控制指令格式，進(jìn)行坐標(biāo)系變換，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，解的唯一性選擇，最后生成加工設(shè)備可以讀取的數(shù)據(jù)文件［6］。加工機(jī)器人的后置處理流程如圖1所示。

圖1 加工機(jī)器人的后置處理框圖

1.1 相關(guān)坐標(biāo)系及軸的定義

目前，機(jī)器人制造廠商所開(kāi)發(fā)的機(jī)器人加工語(yǔ)言不盡相同，對(duì)坐標(biāo)系的定義也不一樣。圖2是加工機(jī)器人末端執(zhí)行器(刀具)方位進(jìn)行定義。

圖2 機(jī)器人各坐標(biāo)系名稱

利用PRO/E生成刀位文件［7］。PRO/E處理輸出的刀位文件包含工藝參數(shù)，刀心的位置矢量和姿態(tài)矢量以及其他指令。刀位文件中的坐標(biāo)系是建立在工件坐標(biāo)系上的，而工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠識(shí)別的語(yǔ)言中數(shù)據(jù)是建立在機(jī)器人坐標(biāo)系上的，并且只是關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因此要開(kāi)發(fā)一種根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)相應(yīng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，分離變量法求逆解，把刀具的位置矢量和姿態(tài)矢量轉(zhuǎn)換成工業(yè)機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的后置處理器。

如圖2所示，OtXtYtZt為刀具坐標(biāo)系，OwXwYwZw為工件坐標(biāo)系，OX0Y0Z0為機(jī)器人基坐標(biāo)系，OsXsYsZ為工作臺(tái)坐標(biāo)系。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人擺放固定時(shí)，機(jī)器人基坐標(biāo)系就固定不變，Z軸垂直于底座。工件坐標(biāo)系是把工件上的某點(diǎn)當(dāng)作坐標(biāo)系原點(diǎn)從而建立的一個(gè)坐標(biāo)系，這樣便于數(shù)據(jù)編程，這也是CAD/CAM生成刀位文件的參考坐標(biāo)系，方向與基坐標(biāo)系一致;刀具坐標(biāo)系中刀尖點(diǎn)是其坐標(biāo)原點(diǎn)，固定在刀具上，Z軸垂直于刀軸。工作臺(tái)坐標(biāo)系是固定在工作臺(tái)上，當(dāng)工作臺(tái)擺放固定時(shí)，工作臺(tái)坐標(biāo)系也是固定的，方向與機(jī)器人基坐標(biāo)系一致。安裝刀具，使刀具的軸線與第6軸的軸線重合。Om(軸4、軸5和軸6的交點(diǎn))為刀具旋轉(zhuǎn)中心，顯然，目的就是把刀位文件中的數(shù)據(jù)即工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換為機(jī)器人基坐標(biāo)系下刀具的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而求出各個(gè)關(guān)節(jié)角的角度。

1.2 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

如圖2所示，在初始狀態(tài)下，工件坐標(biāo)系和刀具坐標(biāo)系的方向是一致的。刀具坐標(biāo)系原點(diǎn)Ot到Om的向量為rm(0，0，l)。刀具在工件坐標(biāo)系下的姿態(tài)矢量為u(i，j，k)和位置矢量rp(x，y，z)。

根據(jù)上述的坐標(biāo)變換，可得:

POm是Om在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，POt是刀位點(diǎn)在工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)即為u。a是刀軸單位矢量即為rp。

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人和工作臺(tái)安裝固定不動(dòng)時(shí)，機(jī)器人坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系相對(duì)位置也就固定下來(lái)。當(dāng)工件裝夾到工作臺(tái)上面時(shí)，工作臺(tái)坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的相對(duì)位姿也可以確定。設(shè)機(jī)器人坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系相對(duì)位置為ro1(ex1，ey1，ez1)，可以通過(guò)固定工件時(shí)得到工作臺(tái)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系相對(duì)位置ro2(ex2，ey2，ez2)，工件坐標(biāo)系的方向與機(jī)器人的坐標(biāo)系一致(可以通過(guò)裝夾做到)。工件坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為

當(dāng)機(jī)器人坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系不一致時(shí)，則需要在后處理過(guò)程中進(jìn)行坐標(biāo)變換。設(shè)工件坐標(biāo)系相對(duì)基坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣M和平移矢量ro在機(jī)器人控制器中定義，編程時(shí)作為已知參數(shù)輸入。以POOm表示Om在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的位置，則映射關(guān)系如下:

同理可得aO表示刀軸在機(jī)器人坐標(biāo)系下的姿態(tài)，則映射關(guān)系如下:

2 去冗余與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

對(duì)于6自由度工業(yè)機(jī)器人，當(dāng)最后3個(gè)關(guān)節(jié)軸相交于一點(diǎn)時(shí)，這樣是存在解析解，把這種求解稱為工業(yè)機(jī)器人的解耦。

通常用歐拉角來(lái)表示空間物體的姿態(tài)［8］。由于五軸數(shù)控G代碼對(duì)歐拉角的(α，β，γ)中的γ沒(méi)有給出(γ為刀具軸線旋轉(zhuǎn)方向)，因此一般六自由度工業(yè)機(jī)器人對(duì)于五軸G代碼是冗余的。可以通過(guò)固定第6個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)(即θ6為0)來(lái)去除冗余。

如圖3所示，數(shù)控加工機(jī)器人最后3個(gè)關(guān)節(jié)軸相交于點(diǎn)O4，所以可以對(duì)點(diǎn)O4進(jìn)行解耦，將6個(gè)關(guān)節(jié)軸分為(θ1，θ2，θ3)和(θ4，θ5，θ6)兩個(gè)部分，分別對(duì)這兩組解進(jìn)行求逆解。

各個(gè)連桿的參數(shù)如表1所示。

表1 各個(gè)連桿的參數(shù)表

求取所需的逆解，可以采取分離變量法來(lái)求解。從前面可以知道，手腕的位置只與θ1，θ2，θ3角度有關(guān)，所以可以得到下式:

這樣可以求出θ1，θ2，θ3，再把θ1，θ2，θ3代入式(7)可以求出θ4，θ5，θ6。

3 逆解優(yōu)化方法

對(duì)于6個(gè)自由度的工業(yè)機(jī)器人來(lái)講，逆解θi是通過(guò)反三角函數(shù)求得，而反三角函數(shù)解往往存在不只一個(gè)，所以關(guān)節(jié)角θi，i=1，2，…，6，是一般都存在多組解的。當(dāng)對(duì)避障問(wèn)題不進(jìn)行考慮的情況下，文中所用目標(biāo)函數(shù)D如下:

式中:li(i=1，2，3)是關(guān)節(jié)i直接驅(qū)動(dòng)的連桿的長(zhǎng)度。用計(jì)算“最短行程”解作為目標(biāo)函數(shù)，使得選擇的解是體現(xiàn)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的位移最小。即D取到最小值時(shí)，θ1，θ2，θ3就是所求的最優(yōu)解。

由于最后3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸相交于一點(diǎn)，連桿長(zhǎng)度為0，不能采用目標(biāo)函數(shù)D。所以文中采用最優(yōu)解是直接取代數(shù)均值來(lái)作為目標(biāo)函數(shù)T。

這樣可以得到θ4，θ5，θ6的最優(yōu)解。

4 軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工作代碼

由于機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)都不相同，很難得到通用的加工代碼，但機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)不影響加工時(shí)刀具的加工軌跡及姿態(tài)和通用信息，所以就可以用刀位文件來(lái)保存這些數(shù)據(jù)。不同CAD/CAM軟件生成的格式又不大相同。文中的刀位文件是由PROE軟件生成的，它包含了刀具的位姿狀態(tài)和一些指令信息，下面簡(jiǎn)要介紹Proe刀位文件中的一些具體信息所代表的含義。

表2 PRO/E刀位文件命令符的功能

在讀取PROE刀位原文件的時(shí)候，先判斷讀到是否是標(biāo)識(shí)符，否則就一直往下讀。直到出現(xiàn)標(biāo)識(shí)符，提取標(biāo)識(shí)符，繼續(xù)讀取文件遇到GOTO時(shí)開(kāi)始記錄運(yùn)算，然后就將接下來(lái)讀到的字符轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型。轉(zhuǎn)換后就可以提取到GOTO后的位姿矢量數(shù)據(jù)，在讀到GOTO后面字符的時(shí)候，須把整個(gè)數(shù)據(jù)讀完。字符在刀位文件中是分兩行，獲得數(shù)據(jù)后就按照前面的得到的公式進(jìn)行計(jì)算，得到最終所要的數(shù)據(jù)。然后再接著讀取后面的內(nèi)容，重復(fù)此過(guò)程，直到出現(xiàn)標(biāo)識(shí)符FINI就完成了整個(gè)刀位文件讀取和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。用此種方式轉(zhuǎn)換一個(gè)原文件所需時(shí)間相對(duì)較短。而將整個(gè)刀位文件讀取后再轉(zhuǎn)換，這種方式所需的時(shí)間比上種方式多了很多。

G代碼后置處理包括刀位原文件文件的讀取，提取關(guān)鍵標(biāo)識(shí)符，刀位坐標(biāo)，刀軸姿態(tài)，然后將提取到的數(shù)據(jù)根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，最后生成加工代碼。當(dāng)然PROE刀位文件中也包含了一些冗余的信息注釋，在讀取的時(shí)候可以直接讀過(guò)去，例如MFGNO指令，這樣可以除去冗余信息。

圖3 后置處理流程圖

后置處理流程圖如圖3所示。

根據(jù)圖3的流程圖，可以定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用來(lái)存取工業(yè)機(jī)器人所需的加工代碼信息。

首先讀入刀位文件，提取刀位坐標(biāo)及姿態(tài)和工藝等參數(shù)信息存放在對(duì)應(yīng)后置處理前的變量里，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)反解求出機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)角，并存放在后置處理后的變量中，然后把計(jì)算后的結(jié)果顯示到界面，即可生成作業(yè)程序。

struct NODE

{

int Flag;//判斷G01還是G00

double Feed;//進(jìn)給速度

int Speed;//保存主軸轉(zhuǎn)速

double x，y，z;//刀位文件中的刀位點(diǎn)坐標(biāo)

double posture［3］;//刀位文件中的刀具姿態(tài)

double post_x，post_y，post_z;//后置處理后的刀位點(diǎn)坐標(biāo)

double post_posture［3］;//后置處理后的刀具姿態(tài)

Float A，B，C，I，J，K;//機(jī)器人加工時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)角位置

};

代碼轉(zhuǎn)換過(guò)程是將APT文件讀入，讀取標(biāo)識(shí)符，提取刀位數(shù)據(jù)、刀具參數(shù)、工藝參數(shù)等。利用刀位數(shù)據(jù)和工業(yè)機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)參數(shù)求解工業(yè)機(jī)器人的位姿矢量，然后再將運(yùn)動(dòng)參數(shù)求得機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)角度。

打開(kāi)軟件，點(diǎn)擊“讀取文件”按鈕，選擇要加工的刀位原文件代碼，在軟件界面上顯示如圖4所示。點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)換”按鈕，進(jìn)入刀位數(shù)據(jù)的后置處理，得到工業(yè)機(jī)器人加工代碼，在軟件上顯示圖5所示。

圖4 讀入刀位文件數(shù)據(jù)界面

圖5 機(jī)器人加工代碼生成界面

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)CAD/CAM軟件生成的刀位文件數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取刀位數(shù)據(jù)信息及一些控制指令。結(jié)合6R機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，通過(guò)各坐標(biāo)系之間的平移和旋轉(zhuǎn)變換，推導(dǎo)出工件坐標(biāo)系下的刀位數(shù)據(jù)在機(jī)器人基坐標(biāo)系下各個(gè)關(guān)節(jié)角度。結(jié)合各個(gè)關(guān)節(jié)角的最優(yōu)解生成機(jī)器人加工代碼控制指令，最終達(dá)到控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)目的。

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