基于CAD的機(jī)器人表面制造工具軌跡規(guī)劃方法*

陳 琳，韋志琪，徐 杰，戴 駿，倪崇琦，潘海鴻

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；3.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083；4.濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司，濟(jì)南 250300)

基于CAD的機(jī)器人表面制造工具軌跡規(guī)劃方法*

陳 琳1,2，韋志琪1，徐 杰1，戴 駿3，倪崇琦4，潘海鴻1,2

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；3.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083；4.濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司，濟(jì)南 250300)

為解決機(jī)器人表面制造作業(yè)中傳統(tǒng)人工示教方法耗時(shí)長、易出錯(cuò)和過于依賴工人技術(shù)等局限性，提出一種基于CAD的機(jī)器人表面制造工具軌跡規(guī)劃方法。該方法首先通過Pro/E建立工件參數(shù)化模型，然后對模型直接進(jìn)行切片并通過點(diǎn)分析功能獲得路徑節(jié)點(diǎn)信息，最后根據(jù)路徑節(jié)點(diǎn)信息和改進(jìn)的姿態(tài)計(jì)算方法得到機(jī)器人工具軌跡。仿真結(jié)果表明該方法與基于stl機(jī)器人工具路徑生成方法相比，得到的機(jī)器人工具路徑在法向姿態(tài)信息上平均減少0.07317rad偏差，在位置信息上平均減少19.16857mm偏差。根據(jù)所提出的方法和步驟通過機(jī)器人銑削實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，證明該方法可以實(shí)現(xiàn)對工件模型表面作業(yè)機(jī)器人工具的軌跡規(guī)劃及該方法的有效性。

機(jī)器人；CAD；表面加工制造；工具軌跡規(guī)劃

0 引言

在表面自動(dòng)化制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于機(jī)器人銑削、磨削、自動(dòng)噴涂、快速成型、拋光、清洗、焊接、切割、雕刻等各個(gè)行業(yè)，其中機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃是其關(guān)鍵作業(yè)步驟之一。機(jī)器人表面自動(dòng)化制造的各個(gè)行業(yè)在不考慮各自加工工具差異的情況下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，它們各自的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法主要為兩種：一種是基于stl或點(diǎn)云等離散點(diǎn)特征的切片求交法獲得機(jī)器人工具軌跡；另一種是先通過UG等三維軟件CAM加工功能得到刀具加工代碼，再通過計(jì)算得到機(jī)器人工具軌跡。目前基于stl或點(diǎn)云等離散點(diǎn)特征的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行研究的有：Chen H[1]等提出CAD導(dǎo)航噴涂軌跡自動(dòng)規(guī)劃方法生成。Bi Z M[2]等采用傳感器獲取復(fù)雜工件模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用節(jié)點(diǎn)搜索算法建立機(jī)器人噴槍軌跡自動(dòng)規(guī)劃算法。Sheng W H[3]等在自動(dòng)化制造中通過小平面組合分片方法對機(jī)器人末端工具路徑進(jìn)行規(guī)劃。陳浣[4]等通過ATOSII三維光學(xué)儀器獲得工件表面數(shù)據(jù)模型，采用切片方法來生成機(jī)器人工具路徑，并對生成軌跡進(jìn)行優(yōu)化?；赨G等三維軟件CAM加工功能的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行研究主要有：孫家廣[5]等在采用UG自動(dòng)生成刀具路徑NC代碼，采用插值方法對NC代碼中路徑進(jìn)行擬合和處理得到機(jī)器人末端工具連續(xù)軌跡；繆東晶[6]等采用數(shù)控加工方法生成刀位路徑，通過刀位路徑與機(jī)器人軌跡關(guān)系獲得機(jī)器人末端工具軌跡。王偉[7]等采用經(jīng)典截面法生成機(jī)器人磨削曲面工具路徑。喻偉雄等[8-9]通過UG軟件生成G代碼方法來獲得機(jī)器人打磨和拋光作業(yè)路徑。?？怂箍倒驹O(shè)計(jì)ROMOCUT銑削機(jī)器人，通過將建立模具數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中NC模塊產(chǎn)生G代碼并導(dǎo)入機(jī)器人上位機(jī)控制系統(tǒng)中來規(guī)劃得到機(jī)器人加工路徑[10]。張海鷗[11-12]等基于UG刀具G代碼功能來計(jì)算獲得機(jī)器人原型制造路徑。黃[13]等基于Open CASCADE幾何內(nèi)核基礎(chǔ)上開發(fā)出機(jī)器人的CAM軟件平臺(tái)，并通過切片面族與模型直接求交來獲得機(jī)器人表面制造加工路徑。

針對stl切片方法需要對工件表面進(jìn)行處理而造成工件模型表面數(shù)據(jù)信息丟失的特點(diǎn)和UG方法采用自身路徑生成模塊直接生成刀具路徑的特點(diǎn)，提出一種基于CAD的模型直接切片的機(jī)器人表面制造工具軌跡規(guī)劃方法。

1 基于CAD的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法

基于CAD的機(jī)器人表面制造工具軌跡規(guī)劃方法流程框架如圖1所示：首先在三維軟件Pro/E中建立工件CAD模型，使用一組等間距平面面族與模型直接進(jìn)行求交獲取交點(diǎn)信息；其次，根據(jù)交點(diǎn)信息對工件路徑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序以及節(jié)點(diǎn)姿態(tài)計(jì)算；最后通過工件路徑坐標(biāo)系和機(jī)器人工具路徑坐標(biāo)系之間變換得到機(jī)器人工具路徑，根據(jù)表面制造機(jī)器人工具運(yùn)行速度逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工具軌跡仿真。

圖1 基于CAD的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法框架

2 機(jī)器人工具路徑節(jié)點(diǎn)信息獲取

基于CAD的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法采用三維軟件Pro/E建立工件CAD參數(shù)模型，通過一組切片平面與CAD模型進(jìn)行直接求交得到獲取路徑的位置節(jié)點(diǎn)信息。切片求交計(jì)算時(shí)切片面族間隔距離d可根據(jù)特定表面制造類型和相應(yīng)作業(yè)工藝參數(shù)而定。例如在噴涂作業(yè)中取決于噴幅的有效漆膜覆蓋等工藝參數(shù)范圍[14-15]；在銑削打磨等加工作業(yè)中，則取決于刀具工藝參數(shù)[12]。切片方向根據(jù)CAD模型特征和工件作業(yè)時(shí)最大邊界走向等工藝參數(shù)而定。如圖2所示工件采用平行平面組切片時(shí)，假設(shè)工件切片平面最長走向?yàn)長，則切片層數(shù)n=L/d?；贑AD機(jī)器人工具路徑規(guī)劃方法在滿足路徑間距參數(shù)d約束條件下，采用一組滿足工藝參數(shù)間距為d的截屏面(切平面1～切平面6)與CAD模型求交，產(chǎn)生交點(diǎn)數(shù)據(jù)。利用Pro/E的點(diǎn)分析功能得到機(jī)器人工具路徑節(jié)點(diǎn)信息(如圖3)。

圖2 切片面族與模型求交

圖3 機(jī)器人工具路徑節(jié)點(diǎn)

將Pro/E中獲取的工具路徑節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入到Matlab中，采用最近點(diǎn)搜索方法進(jìn)行排序，排序后獲得機(jī)器人工具路徑如圖4所示，工具路徑節(jié)點(diǎn)主要包括位置信息和法向矢量信息。

圖4 機(jī)器人工具路徑

3 機(jī)器人工具軌跡節(jié)點(diǎn)姿態(tài)計(jì)算

機(jī)器人工具軌跡包括機(jī)器人工具位置信息和三個(gè)方向姿態(tài)信息，在切片法得到機(jī)器人位置和法向信息后，尚需進(jìn)一步計(jì)算機(jī)器人工具方向向量和接近向量的姿態(tài)信息。為此，在繆東晶等[6]提出的近似計(jì)算方法基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的姿態(tài)計(jì)算方法得到機(jī)器人末端工具姿態(tài)。該方法通過分析近似姿態(tài)計(jì)算方法與實(shí)際工具姿態(tài)間關(guān)系，改進(jìn)姿態(tài)計(jì)算方法來解決姿態(tài)近似計(jì)算問題。如圖5所示，近似計(jì)算方法計(jì)算得到姿態(tài)的方向軸為O′軸，而改進(jìn)方法計(jì)算得到姿態(tài)的方向軸為O軸。改進(jìn)計(jì)算方法是根據(jù)工具路徑上任意一點(diǎn)P2的工具位置信息和P2的法向信息計(jì)算工具位姿矩陣。計(jì)算過程：從規(guī)劃路徑節(jié)點(diǎn)信息中任取三個(gè)連續(xù)節(jié)點(diǎn)組成一段路徑P1P2P3，機(jī)器人末端工具運(yùn)動(dòng)方向P1→P2→P3，假設(shè)現(xiàn)在機(jī)器人末端工具運(yùn)行至P2點(diǎn)，可以得到P2點(diǎn)位置信息P2=[x(2),y(2),z(2)]和法向信息A=[nx(2),ny(2),nz(2)]。任一路徑節(jié)點(diǎn)處機(jī)器人工具位姿步驟如下：

(1)讀取路徑節(jié)點(diǎn)位置P2和接近向量A；

(2)初步計(jì)算方向向量O′，O′=P2-P3；

(3)計(jì)算法向向量N，N=O′×A；

(4)方向向量計(jì)算，便于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器人工具路徑節(jié)點(diǎn)取的是離散點(diǎn)，此時(shí)通過步驟2計(jì)算方向向量O′會(huì)存在一定偏移，現(xiàn)通過機(jī)器人工具姿態(tài)三個(gè)矢量軸相互垂直關(guān)系來重新計(jì)算方向向量O，O=A×N。

其中，N為機(jī)器人工具法向向量，O為機(jī)器人工具方向向量，A為機(jī)器人工具接近向量。

圖5 機(jī)器人工具位姿計(jì)算

假定機(jī)器人末端工具移動(dòng)速度為v，由機(jī)器人工具路徑和末端工具移動(dòng)速度v計(jì)算出機(jī)器人工具運(yùn)行至每一個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)時(shí)間t，從而得到表面制造機(jī)器人工具軌跡。將機(jī)器人工具軌跡表示成隨時(shí)間變化的位姿矩陣從而更好方便機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。通過以上算法得到機(jī)器人工具軌跡任一時(shí)刻機(jī)器人齊次位姿矩陣MatrixT為：

其中：nx(t),ny(t),nz(t)為工具軌跡點(diǎn)法向向量信息，ox(t),oy(t),oz(t)為工具軌跡點(diǎn)方向向量信息，ax(t),ay(t),az(t)為工具軌跡點(diǎn)接近向量信息。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 不規(guī)則非獨(dú)立特征的刪除

(1)模型建立：將CAD軟件中機(jī)器人各關(guān)節(jié)零件和工件模型轉(zhuǎn)換為stl數(shù)據(jù)格式；采用Matlab中rndread函數(shù)讀取stl數(shù)據(jù)模型。通過DH參數(shù)建模方法在matlab仿真環(huán)境中建立機(jī)器人整機(jī)模型。

(2)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解：機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法生成的是笛卡爾空間機(jī)器人工具軌跡，通過將笛卡爾空間機(jī)器人工具軌跡對應(yīng)位姿矩陣進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)θi(t),i=1,2,3,4,5,6。

(3)運(yùn)動(dòng)仿真：在Matlab下首先使用DH法建立機(jī)器人模型，然后通過實(shí)時(shí)讀取各個(gè)時(shí)刻關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)來計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)位姿矩陣，最后使用patch函數(shù)和各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)位姿矩陣來更新機(jī)器人各關(guān)節(jié)在笛卡爾空間顯示位置，實(shí)現(xiàn)軌跡動(dòng)態(tài)仿真，如圖6所示。

圖6 某個(gè)時(shí)刻機(jī)器人工具軌跡仿真

4.2 基于stl方法與基于CAD方法的機(jī)器人工具路徑分析

基于stl的機(jī)器人路徑規(guī)劃方法通過三維造型軟件將圖2工件模型轉(zhuǎn)換成ASCII碼格式的stl文件。通過stl切片方法生成的機(jī)器人工具路徑，如圖7中虛線所示(28個(gè)路徑節(jié)點(diǎn))，基于CAD方法生成機(jī)器人工具路徑如圖7中實(shí)線所示。

圖7 基于CAD方法與基于stl方法機(jī)器人工具路徑

比較分析上述2種方法對提取28個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)的工具路徑數(shù)據(jù)(位置數(shù)據(jù)和法向姿態(tài)數(shù)據(jù))可知：①與基于stl方法生成機(jī)器人工具路徑相比，采用基于CAD方法生成機(jī)器人工具路徑在法向姿態(tài)信息上可減少偏差平均為0.07317rad，見表1；②與基于stl方法生成機(jī)器人工具路徑相比，采用基于CAD方法生成機(jī)器人工具路徑在位置信息上可減少偏差為平均19.16857mm，見表2。

表1 基于stl方法與基于CAD方法工具路徑法 向姿態(tài)偏差(單位為：rad)

表2 基于stl方法與基于CAD方法工具路徑 位置信息偏差(單位為：mm)

基于CAD方法是通過對參數(shù)化建立工件CAD模型進(jìn)行直接切片得到機(jī)器人工具路徑信息，參數(shù)化的工件模型表面數(shù)據(jù)是連續(xù)的，不會(huì)造成生成機(jī)器人工具路徑的數(shù)據(jù)丟失?；趕tl方法是通過用小面片來擬合工件模型，采用的是離散點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系近似擬合工件模型表面特征，使得工件模型表面信息數(shù)據(jù)發(fā)生丟失，進(jìn)而造成生成機(jī)器人工具路徑比基于CAD方法偏差較大。

4.3 基于CAD方法的機(jī)器人表面制造加工實(shí)例

搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用基于CAD的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法對曲面工件模型進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所提出方法的有效性。銑削加工工件模型和生成的工件表面加工部分刀具路徑分別為如圖8和圖9所示。

圖8 基于CAD方法工件模型

圖9 基于CAD方法機(jī)器人銑削加工刀具路徑

機(jī)器人銑削加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有：①上位機(jī)采用Windows XP操作系統(tǒng)，Inter(R)Core(TM)四核處理器 i5-2300，主頻為2.8GHz，4GB內(nèi)存；②機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制軟件由實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)；③機(jī)器人本體采用六自由度工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人末端安裝加工主軸。機(jī)器人進(jìn)行表面加工采用“先粗后精”方式，銑削刀具采用硬質(zhì)合金高速鋼銑刀(可任意銑削加工HRC70以下的各種金屬和非金屬材料)，銑削刀具柄徑為3mm。機(jī)器人作業(yè)時(shí)，沿著工件表面法向進(jìn)行銑削加工，粗加工：選用有效加工直徑為8mm刀頭，主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min；精加工：選用有效加工直徑為3mm刀頭，主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min。銑削加工進(jìn)給速度v為5mm/s，銑削加工路徑間距d為0.7mm。

根據(jù)基于CAD的工件模型切片方法，通過規(guī)劃機(jī)器人銑削加工軌跡和加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對蠟材質(zhì)模具的表面銑削加工，實(shí)驗(yàn)過程如圖10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法的有效性。

圖10 機(jī)器人銑削加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

5 結(jié)論

機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃在機(jī)器人作業(yè)中起著不可或缺的重要作用，在CAD模型基礎(chǔ)上提出一種與模型進(jìn)行直接求交的機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)：與基于stl方法生成機(jī)器人工具路徑相比，所提出的基于CAD模型得到機(jī)器人工具路徑可以減少法向姿態(tài)信息和位置信息的偏差。通過機(jī)器人銑削加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法有效性。下一步將對金屬進(jìn)行銑削加工的研究，并借助激光檢測等測量設(shè)備對提出機(jī)器人工具軌跡規(guī)劃方法加工精度等進(jìn)行驗(yàn)證。

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(編輯 李秀敏)

CAD-based Robot Tool Path Planning in Surface Processing Manufacturing

CHEN Lin1,2,WEI Zhi-qi1, XU Jie1,DAI Jun3,NI Chong-qi4,PAN Hai-hong1,2

(1.School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System & Advanced Manufacturing Technology, Nanning 530004, China)

The traditional artificial teaching methods of the robot surface manufacturing process have some limitations. They are time-consuming, error-prone and overly dependent on technology workers, etc. To solve the problems, the CAD-based tool path planning method of robots for surface manufacturing was proposed. Firstly the workpiece model was established in Pro/E. Secondly, the CAD model was sliced directly by a set of planes and then the information of tool path tag point could be obtained by the point analysis function in Pro/E. Finally, the path tag point and the improved orientation calculating method were used to generate the robot tool path automatically. The simulation experiments indicate that it could generate the robot tool path for surface manufacturing automatically; compared with stl-based robot tool path planning method, the CAD-based robot tool path planning method could reduce the mean variation in the normal vector information by 0.07317rad and in the position information by 19.16857mm. The robot milling experiment in the laboratory demonstrates that the proposed methods could generate the robot tool path for surface manufacturing and validates the effectiveness of the proposed methods.

robot; CAD; surface processing manufacturing; tool path planning

1001-2265(2017)02-0001-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.001

2016-04-26

國家自然科學(xué)基金(51465005, 51065005)；桂科攻(1598008-21)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目(14-045-15S09)

陳琳(1973—)，女，山東青島人，廣西大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制技術(shù)、數(shù)字信號(hào)檢測與處理、伺服電機(jī)控制,(E-mail)gxdxcl@163.com；通訊作者：潘海鴻(1966—)，男，南寧人，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師, 博士，研究方向?yàn)槎鄼C(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)，(E-mail)hustphh@163.com。

TH165;TG659

A