農(nóng)業(yè)機器人切削過程仿真分析—基于計算機輔助設(shè)計

王 珂，王桂鳳

(鄭州旅游職業(yè)學(xué)院 信息工程系，鄭州 450000)

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農(nóng)業(yè)機器人切削過程仿真分析
—基于計算機輔助設(shè)計

王 珂，王桂鳳

(鄭州旅游職業(yè)學(xué)院 信息工程系，鄭州 450000)

利用6自由度機器人切削加工平臺，討論了該機器人與計算機輔助設(shè)計工具的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)，研究了其運動控制過程，并對設(shè)計結(jié)果進行有效優(yōu)化。通過介紹切削加工控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了機器人運動學(xué)模型，并根據(jù)計算機輔助設(shè)計工具，對機器人后續(xù)優(yōu)化過程的坐標轉(zhuǎn)換、各關(guān)節(jié)正逆運動學(xué)計算以及機器人運動控制程序生成過程進行了深入研究。同時，對系統(tǒng)進行了ADAMS軟件仿真，并完成了3D樣件的加工。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以自動生成機器人運動控制程序的加工指令，直接驅(qū)動機器人末端執(zhí)行刀具的運動，實現(xiàn)零部件的加工生產(chǎn)，可行性高。

切削加工機器人；6自由度；計算機輔助設(shè)計；ADAMS

0 引言

機器人在工業(yè)方面的應(yīng)用已十分普遍，智能機器人開始逐步解放勞動力。在機械加工業(yè)中，機器人性能和準確性達不到要求，發(fā)展比較緩慢。近年來，將智能機器人與數(shù)控平臺結(jié)合起來，彌補了機器人準確性不高的缺陷，使其有了很好的應(yīng)用前景。本文根據(jù)農(nóng)業(yè)零部件加工特點，結(jié)合切削加工機器人特征，采用計算機輔助設(shè)計工具，將CAD技術(shù)應(yīng)用于機器人末端執(zhí)行刀具的軌跡優(yōu)化上，自動生成系統(tǒng)可識別的驅(qū)動應(yīng)用程序，實現(xiàn)實例樣本的仿真與加工生產(chǎn)。

1 機器人整體系統(tǒng)與數(shù)據(jù)鏈分析

1.1 農(nóng)業(yè)切削加工機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

切削機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是其性能是否穩(wěn)定、功能是否強大的決定性因素，本文通過對農(nóng)業(yè)機器切削加工過程的具體分析研究，結(jié)合農(nóng)業(yè)零部件特征，搭建了如圖1所示的切削加工機器人整體結(jié)構(gòu)。

為了滿足計算機輔助設(shè)計流程及機器人切削加工控制系統(tǒng)的性能要求，該切削加工機器人整體結(jié)構(gòu)主要包括5個模塊：①計算機輔助設(shè)計模塊，主要負責(zé)設(shè)計零部件CAD尺寸要求，并根據(jù)工藝要求將其生成坐標文件；②信息處理模塊，完成生產(chǎn)加工程序中具體控制信息的獲取；③運動模型模塊，主要建立切削加工機器人運動模型，分析其正、逆運動學(xué)特點；④機器人運動控制程序模塊，負責(zé)規(guī)劃設(shè)計切削加工的程序，自動生成運動控制程序；⑤仿真模塊，負責(zé)農(nóng)業(yè)加工機器人控制系統(tǒng)的仿真，判斷其可行性與準確性。切削加工機器人工作原理為：首先要利用CAD輔助工具進行建模，然后將CAD模型信息導(dǎo)入到信息處理模塊，設(shè)計出零部件模型及加工策略，再由系統(tǒng)自動生成切削加工程序，最后完成系統(tǒng)仿真。

圖1 切削加工機器人整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of cutting robot

1.2 計算機輔助設(shè)計的數(shù)據(jù)鏈原理

該機器人利用計算機輔助工具進行設(shè)計，其數(shù)據(jù)鏈與傳統(tǒng)CAD設(shè)計相比，不同之處在于加工機器人引入了運動學(xué)模型求解部分及機器人加工程序生成模塊。G代碼是機床加工的重要控制策略，負責(zé)控制加工的具體流程，本文重點研究切削加工機器人控制代碼生成過程。切削加工機器人運動控制流程如圖2所示。

圖2 切削加工機器人運動控制流程圖Fig.2 The motion control flow chart of cutting robot

機器人運動控制規(guī)劃一般根據(jù)其運動學(xué)模型求解，計算其正、逆運動學(xué)的過程中，通常需要采用歐拉角表達式對其執(zhí)行器件坐標和位移變化進行轉(zhuǎn)換，然后對運動過程實施有效優(yōu)化，最后求解其運動學(xué)方程，自動生成運動控制可執(zhí)行的程序。機器人坐標變換過程的矢量示意圖如圖3所示。

圖3 機器人坐標變換矢量示意圖Fig.3 The vector diagram of robot coordinate transformation

圖3中，坐標變換矢量表達式為(x,y,z,α,β,γ)，其末端執(zhí)行器件的變換表達式為

(1)

其中，i、j、k分別是x、y、z軸上的單位向量。

末端執(zhí)行器變換的歐拉表達式為

(2)

運動學(xué)模型求解正逆運動學(xué)中，除了優(yōu)化處理過程，還需要設(shè)計有效空間坐標系。機器人末端執(zhí)行器運動軌跡往往不唯一，因此常常需要根據(jù)末端執(zhí)行器的坐標位置、剛性分析要求及系統(tǒng)估判來確定。

2 農(nóng)業(yè)切削機器人坐標定義及轉(zhuǎn)換

2.1 G代碼坐標轉(zhuǎn)換

進行G代碼坐標轉(zhuǎn)換，首先要對其空間坐標進行定義。定義規(guī)則如下：

1)z軸為垂直于機床工作臺平面的方向，可調(diào)整機器人末端執(zhí)行刀具與待加工材料之間距離；

2)x軸平行于機床工作臺平面，正方向為主軸的右方；

3)y軸依據(jù)x、z軸確定；

4)G代碼旋轉(zhuǎn)坐標A、B、C這3條軸線與x、y、z等這3條坐標系旋轉(zhuǎn)運動方向一一對應(yīng)；

5)坐標原點o根據(jù)具體實例器件決定。

根據(jù)以上定義，G代碼坐標與末端執(zhí)行刀具之間的關(guān)系為

(3)

其中，R是與G代碼第1個旋轉(zhuǎn)坐標向?qū)?yīng)的矩陣。R的表示式為

(4)

(5)

(6)

(7)

其中，Er為根據(jù)A、B、C等3軸確定的旋轉(zhuǎn)矩陣；si和ci分別旋轉(zhuǎn)角度的正弦和余弦。

變換后，G代碼坐標與末端執(zhí)行刀具矢量的關(guān)系表達式為

(8)

2.2 矢量與歐拉角兩者表達式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

在對機器人末端執(zhí)行刀具的運動過程進行優(yōu)化時，為了將自由度γ與其他變量區(qū)分開來，一般采用歐拉角表達式。因此，需要將上述所求齊次坐標矢量表達式轉(zhuǎn)換為歐拉角表達式。轉(zhuǎn)化后的結(jié)果為

(9)

(10)

其中，A、B為末端執(zhí)行刀具的兩個旋轉(zhuǎn)坐標角度，且自由度γ與A、B無關(guān)，屬于冗余分量。

3 農(nóng)業(yè)切削機器人運動學(xué)模型

機器人運動模型通常采用D-H法進行建立。根據(jù)農(nóng)業(yè)切削機器人實體圖，建立的D-H坐標系如圖4所示。圖4中，Z0軸沿關(guān)節(jié)1的軸，Zi軸沿關(guān)節(jié)i+1的軸。令所有Xi軸與機座坐標系X0軸平行，Yi軸按右手坐標系確定。各連桿的D-H參數(shù)和關(guān)節(jié)變量如表1所示。

圖4 農(nóng)業(yè)切削機器人D-H坐標系Fig.4 D-H coordinate system of agricultural cutting robot表1 各連桿的D-H參數(shù)和關(guān)節(jié)變量Table 1 The D-H parameter and the joint variables of each link

連桿變量αadcosαsinα1θ1-90°000-12θ290°0d2013d300d3104θ4-90°000-15θ590°00016θ600010

該農(nóng)業(yè)切削機器人的運動學(xué)方程為

T6=A1A2A3A4A5A6

(11)

求解兩桿之間的位姿矩陣Ai為

A1=Rot(z0,θ1)Trans(l1,0,0)

(12)

A2=Rot(z1,θ2)Trans(l2,0,0)

(13)

…

A6=Rot(z5,θ6)Trans(l6,0,0)

(14)

(15)

其中，n、o、a分別為X、Y、Z坐標軸的單位矢量；θ1～θ6為各關(guān)節(jié)變量。

4 農(nóng)業(yè)切削機器人運動控制程序

生成運動控制程序時，需要選擇末端執(zhí)行刀具加工步長為單位進行設(shè)計和優(yōu)化。機器人末端執(zhí)行刀具運動控制程序由系統(tǒng)自動生成，其模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 農(nóng)業(yè)切削機器人運動控制程序生成模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of motion control program generation

module for agricultural robot cutting

在每個加工步長的運動控制程序產(chǎn)生時，應(yīng)先根據(jù)規(guī)劃要求在數(shù)據(jù)庫中找到相對應(yīng)的加工信息，設(shè)計刀具信息及其運動軌跡信息，并將軌跡信息送給圓弧優(yōu)化器生成冗余優(yōu)化路徑點；然后，將末端執(zhí)行刀具的信息與優(yōu)化路徑送入位姿求解器，求出逆運動學(xué)方程；再結(jié)合數(shù)據(jù)庫參考指標確定末端執(zhí)行器件各關(guān)節(jié)運動速度；最后生成機器人運動控制程序，且該程序可被控制系統(tǒng)自動識別。

5 實例仿真

為了驗證基于計算機輔助設(shè)計的農(nóng)業(yè)切削加工機器人切削過程的可行性、有效性及穩(wěn)定性，采用軟件進行仿真，并對控制程序的生成和農(nóng)業(yè)零部件的切削加工進行了驗證。

本文以小麥聯(lián)合收割機的吊桿軸承座為例，基于ADAMS平臺開發(fā)的機器人運動控制系統(tǒng)對自動生成程序進行仿真。軟件仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 運動控制軟件仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of motion control software

由圖6可知：本文控制系統(tǒng)規(guī)劃的末端執(zhí)行器刀具運動軌跡與仿真結(jié)果相同。這說明，系統(tǒng)自動生成的運動控制程序符合要求，可以用于生產(chǎn)農(nóng)業(yè)機器的零部件。

6 結(jié)論

本文介紹了6自由度機器人切削加工平臺的實現(xiàn)原理，并針對該切削加工控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，建立了機器人運動學(xué)模型，著重對機器人后置優(yōu)化處理過程的坐標系轉(zhuǎn)換、正逆運動學(xué)求解及機器人運動控制程序生成過程進行了研究。通過ADAMS軟件仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以自動生成機器人運動控制程序的加工指令，直接驅(qū)動機器人末端執(zhí)行刀具的運動，實現(xiàn)零部件的加工生產(chǎn)。

[1] 肖文磊,郇極.切削加工機器人與CAD/CAM系統(tǒng)集成化[J].機械工程學(xué)報,2011(15):52-60.

[2] 劉祥,陳友東,王田苗.一種工業(yè)機器人切削加工的系統(tǒng)集成與仿真方法[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2014(6):19-22.

[3] 鄭紅梅,鄔亞蘭.6R機器人正運動學(xué)分析方法研究[J].機械設(shè)計與制造,2014(3):5-7,11.

[4] 蘇晨,鄧三鵬.模塊化六自由度機器人的運動學(xué)分析[J].機電信息,2014(15):153-154.

[5] 張新敏,朱學(xué)軍,趙晨晨,等.基于MATLAB的HP20機器人運動學(xué)分析與仿真[J].制造業(yè)自動化,2014(13):12-15.

[6] 陳桂,王建紅,湯玉東.KUKA機器人運動學(xué)仿真與實驗研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2014(8):94-97.

[7] 李麗,房立金,王國勛.基于STEP-NC的切削加工機器人后置處理方法[J].東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014(11):1612-1616.

[8] 楊旭東.數(shù)控車削加工自動編程系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué),2003.

[9] 高超.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的切削加工機器人模型設(shè)計及加工仿真[D].淄博：山東理工大學(xué),2006.

[10] 高金剛.切削加工機器人綜合誤差解耦補償及運動規(guī)劃[D].鄭州:蘭州理工大學(xué),2014.

[11] 洪曉燕.6R切削機器人控制系統(tǒng)研究[D].淄博:山東理工大學(xué),2013.

[12] 葉燕華.六自由度機器人三維仿真平臺及工作空間的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[13] 張廣鵬,黃玉美,王效岳,等.一種切削加工機器人運動功能方案的解析設(shè)計方法[J].機床與液壓,1999(3):6-8.

[14] 王效岳,黃玉美,劉永超,等.新型切削加工機器人的模塊化設(shè)計及應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造,1999(4):20-21.

[15] 董立新,黃玉美,高峰,等.六自由度冗余度磨削機器人的運動仿真[J].西安理工大學(xué)學(xué)報,1999(4):11-14.

[16] 劉旭.銑削工業(yè)機器人在自由曲面仿形加工中的應(yīng)用研究[D].北京：北京交通大學(xué),2008.

[17] 李銳軍,王效岳,畢聯(lián)昌.新型切削加工機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動分析[J].山東理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2003(2):76-79.

[18] 雷曉敏.基于CAD/CAM的工業(yè)機器人切削加工離線編程技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué),2012.

[19] 王效岳,王成.新型切削加工機器人常用表面加工方法研究[J].機械設(shè)計與制造,2005(12):98-99.

[20] 王智興,樊文欣,張保成,等.基于MatLab的工業(yè)機器人運動學(xué)分析與仿真[J].機電工程,2012(1): 33-37.

[21] 韓志超,王瑋.深孔加工機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及液壓行走控制系統(tǒng)研究[J].機械,2012(3):45-47.

[22] 高超,王效岳,張玉海.基于VRML的切削加工機器人建模及仿真方法研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007(1):25-27,31.

[23] 程永倫,朱世強,羅利佳,等.基于MatLab的QJ-6R焊接機器人運動學(xué)分析及仿真[J].機電工程,2007(11):107-110.

[24] 高鵬.六自由度果蔬采摘機器人離線編程系統(tǒng)設(shè)計[D].杭州:浙江理工大學(xué),2013.

[25] 官睿.基于OpenGL的數(shù)控加工仿真軟件系統(tǒng)的研究[D].上海：同濟大學(xué),2006.

[26] 申東.混聯(lián)式切削機器人方案創(chuàng)成及其并聯(lián)機構(gòu)運動分析[D].西安：西安理工大學(xué),2007.

[27] 荊學(xué)東,魯省龍,黃紹民,等.應(yīng)用基于運動螺旋的機器人正解映射求解搬運機器人的逆運動學(xué)問題[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2008(6):133-137.

[28] 甘文峰.T樣條曲面計算機輔助制造方法與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

Analysis and Simulation of Cutting Process of Agricultural Robot—Based on Computer Aided Design

Wang Ke, Wang Guifeng

(Department of Information Engineering, Zhengzhou Tourism College, Zhengzhou 450000, China)

As for the 6 freedom degrees robot machining platform, it discusses the data chain structure of the robot and computer aided design tools, and research on the motion control process and optimize the design result. Through it introduces the machining control the whole structure of the system, to construct the robot kinematics model, then according to the computer aided design tool, the transformation of the coordinates of the robot the subsequent optimization process, each joint forward and inverse kinematics calculation and robot motion control program generation process is studied. This paper has carried on the system simulation software ADAMS, and completed the processing of 3D samples. The test results show that the system can automatically generate a processing instruction robot motion control program, direct drive robot end effect or tool movement, produce the parts, high feasibility.

cutting robot; 6 freedom degrees; computer aided design; ADAMS

2016-03-03

河南省科技廳科技攻關(guān)項目(162102210379)

王 珂(1980-)，女，鄭州人，講師，碩士，(E-mail) wangkezz1980@sina.cn。

TP242; S225.51

A

1003-188X(2017)06-0055-05