一种基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法与流程

本发明涉及工件磨抛控制领域，尤其涉及一种基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法。

背景技术：

目前，基于工业机器人的自动化是兼顾生产效率和适应性的最佳解决方案。已广泛应用于航空航天、汽车、机械加工制造、电子电气、食品生产等工业领域，其中应用于机械加工制造中，焊接（包括点焊、弧焊）、喷漆、装配和搬运等技术经过长期研究与应用，已十分成熟，在实际应用中占有愈加重要的地位。机器人应用于磨抛领域正在兴起与高速发展，目前已应用于有机玻璃材质的飞机窗、步枪机匣表面、模具磨抛、航空船舶叶片磨抛、竹木家具等方面。

工业机器人是一种可编程的机械装置，针对某一领域的工业机器人应用的编程难度大、耗时耗财。目前在实际工业应用和研究中，工业机器人编程主要有三种方式：在线编程、离线编程以及使用增强现实技术机器人编程（RPAR）。

其中，在线编程缺点如下：

（1）占用机器人及自动化生产流水线的工作时间，在程序最终编完前不可进行生产；

（2）在线编程时间长，以机器人沙抛系统磨抛某一型号水龙头为例，熟练机器人操作员在线编程所写程序超过八百条，花费时间大约四个工作日，而整条程序运行循环周期只需2分钟，编程所占用时间大约是程序运行时间的三千倍；

（3）单一性、不可重用性：所得程序不易进行修改，一旦工件或工作单元内任一设备发生变化，程序即不适用，需要重新编程，缺乏柔性。对于工具品种、工作环境具有单一性，在线编程得到的程序只适用于品种单一、条件相同的工作环境；

（4）程序质量极大依赖于操作者，磨抛效果主要依靠目测，对示教人员磨抛工艺要求高；

（5）在线编程相对于CAD独立，不易实现制造的自动化、智能化；

（6）操作示教器控制机器人不够直观，要完成顺滑精确地路径并且避免干涉难度较高、比较耗时，尤其是工件复杂、工作环境复杂的情况；

（7）需要进行长时间的实验和测试；

（8）操作者现场编程、测试，具有噪声、粉尘、碰撞等显在或潜在的伤害。

离线编程技术作为编程技术的一大发展方向，越来越受到研究人员的重视。

随着“中国制造2025”、“工业4.0”等概念的提出，智能工厂的建设脚步加快，信息与物理系统的向深度融合发展，数字化、智能化建设逐步应用于产品、生产过程、企业运营等多个层面。加快磨抛机器人及自动化生产线研发与应用在航空航天、医疗器械、精密机械、模具等重要领域具有战略性作用，对于水暖卫浴而言利于提高水暖卫浴等产业的产品质量和附加值，极大改善磨抛加工环境，扩大产业的规模，促进产业结构调整和升级。实现机器人程序自动化生成是实现机器人自动化生产不可或缺的一步，实现机器人轨迹智能规划与优化、程序自动生成对于智能工厂的实现具有重要意义，以数字化离线编程取代人工在线编程是必然趋势。

目前，离线编程技术尚未达到有效进行实际生产的水平，在离线编程的通用性、精确性、有效性上还存在诸多待解决的问题。现有的离线编程方法普遍存在操作过程繁琐，结果不精确的问题，例如中国发明专利《一种实现六轴抛光打磨机械臂离线编程的方法和装置》（申请号201310750143.X），公布了一种为离线编程软件快速生成打磨程序用于复杂曲面的打磨，所述方法包括：在离线编程软件中标定六轴抛光打磨机械臂与打磨工具的相对位置；生成打磨轨迹点；建立系统的三维模型并将三维模型进行格式转换；将已转换格式的三维模型导入离线编程软件以及将打磨轨迹点导入已转换格式的三维模型；根据六轴抛光打磨机械臂与打磨工具的相对位置、打磨轨迹点以及已转换格式的三维模型，生成打磨程序。该方法在离线编程软件中标定，未考虑软件中三维模型与实际设备之间的误差，由此方法生成的程序有效性、精确性无法保证。

中国发明专利《机器人离线编程与现场调试无缝衔接方法》（申请号200810147853.2），该发明为机器人离线编程与现场调试无缝衔接方法，包括设计工装夹具及机器人工具的三维模型，并将其和机器人模型导入离线编程软件中对工装夹具、机器人工具和机器人的工艺可行性进行检查根据工装夹具、机器人及机器人工具的安装位置将实物安装到位使机器人工具在离线编程软件中的安装情况与实际安装情况一致对实际安装到位的工装夹具坐标系在机器人基坐标系中的相对位置进行测量测量结果对离线编程软件中工装夹具相对于机器人的安装位置校准，使其与实际安装情况一致通过测量及校准后，生成机器人程序，并导入至机器人直接利用该程序完成现实生产。本方法生成的程序可直接用于现实生产，真正做到离线编程与现场调试无缝衔接。该方法需要在机器人离线编程软件中生成程序，也就说该方法的实现需要依托机器人离线编程软件，离线编程软件分为通用离线编程软件和机器人制造商配套离线编程软件，两者成本高昂且对操作人员有一定要求，且机器人制造商配套离线编程软件只针对自家机器人，有一定局限性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法，将在线标定与离线计算结合，能够快速实现机器人磨抛运行程序生成。

本发明解决技术问题所采用的方案是：一种基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法，包括以下步骤：

步骤S0:通过三维软件获取工件的三维图形；

步骤S1：通过工件标定模块，用于在工件上建立一个工件坐标系OW，并标定获得该工件坐标系OW在机器人基坐标系OBase中的空间位姿齐次变换矩阵W；

步骤S2：通过工件三维图形处理模块，用于在工件的三维图形表面生成磨抛路径，将磨抛路径离散为若干个空间点，输出每个空间点的三维坐标信息，计算得到工件表面磨抛路径上若干个定义在工件坐标系OW中的空间位姿齐次变换矩阵R；

步骤S3：通过工具标定模块，在机器人工具末端与工件接触位置处建立工具末端坐标系OT，并标定获得该工具末端坐标系OT在机器人基坐标系OBase中的空间位姿齐次变换矩阵T；

步骤S4：通过机器人运动仿真模块，将空间位姿齐次矩阵R得到的目标点数据，空间位姿齐次变换矩阵T得到的工具数据，以及空间位姿齐次变换矩阵W得到的工件数据，结合机器人逆运动学计算得到机器人运动轨迹中每个目标点状态下的六个关节角值，以这六个关节角值设置关节角约束，实现机器人运动仿真；

步骤S5：通过机器人程序生产模块将计算所得机器人运动轨迹中每个目标点状态的位置和姿态信息编制为机器人所使用的程序语言。

进一步的，在步骤S1中，通过三点标定法标定工件坐标系OW。

进一步的，所述的工件坐标系OW建立于工件底部长方体的一顶点处，在机器人的机械臂末端安装一三维尺寸已知的工具，通过机器人示教器将工具末端与工件表面预设的三个点接触，获取工件表面该三个点在机器人基坐标系OBase中的坐标值，从而获得工件坐标系OW在机器人基坐标系OBase中的空间位姿齐次变换矩阵W。

进一步的，在工具末端与工件接触处建立工具末端坐标系，采用三点五步法标定工具末端坐标系OT。

进一步的，所述三点五步法标定工具末端坐标系包括以下步骤：

步骤S30：通过机器人示教器手动控制机械臂依次以第一姿态、第二姿态和第三姿态保持工具末端与空间中第一固定点接触，第一姿态、第二姿态和第三姿态位置保持在第一固定点处不变分别形成第一步位姿、第二步位姿和第三步位姿；

步骤S31：保持第三姿态不变，沿机器人基坐标系的X轴平移特定距离至第二固定点，形成第四步位姿；

步骤S33：保持第三姿态不变，从第二固定点沿机器人基坐标系的Z轴平移特定距离至第三固定点，形成第五步位姿；

步骤S34：根据第一固定点、第二固定点和第三固定点的坐标以及第一步位姿、第二步位姿、第三步位姿、第四步位姿和第五步位姿对应的机器人的关节角信息，由机器人控制器生成工具末端坐标系OT。

进一步的，在所述步骤S2中，具体通过以下步骤获取空间位姿齐次变换矩阵R：

步骤S21：采用三维软件中的表面曲线工具生成表面曲线，选取若干条磨抛路径，每条磨抛路径由两条相邻且形状一致的表面曲线组成；

步骤S22：选取其中一条磨抛路径对应的两条表面曲线，在该磨抛路径的每条表面曲线上均匀布设10-20个空间点；分别在位于沿磨抛路径方向右侧的表面曲线的空间点的前方在2-3mm处再设置一个空间点，将在磨抛路径的两条表面曲线上相邻的三个空间点作为一组空间点，得到若干组空间点；

步骤S23：输出每组空间点中三个空间点的坐标信息；

步骤S24：生成若干个由每组空间点中的三个空间点生成的坐标系；

步骤S25：通过三点标定法计算得到步骤S14中的坐标系在工件坐标系OW中的空间位姿齐次变换矩阵R。

进一步的，在所述步骤S2中，在工件三维图形表面手动绘制磨抛路径曲线。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：不需要依托机器人离线编程软件，将磨抛工业机器人的离线编程过程简化。本发明将在线标定与离线计算结合，具有实用性，能够快速生成应用于磨抛具有复杂表面工件的磨抛工业机器人程序。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1是本发明实施例的基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法的流程示意图。

图2是本发明实施例的的基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法的坐标系的转换关系示意图。

图3是本发明实施例的的基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法的工件三维图形表面生成磨抛路径示意图。

图4是本发明实施例的的基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法的三点法生成坐标系的示意图。

图5是本发明实施例的的基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法的工件标定示意图。

图6是本发明实施例的的基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法的工具标定三点五步法示意图。

图中：1-机器人；10-机械臂；11-工具末端；2-工件；3-磨抛路径；30-空间点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～6所示，本实施例的一种基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法，包括以下步骤：

步骤S0:通过三维软件获取工件2的三维图形；

步骤S1：通过工件标定模块，用于在工件2上建立一个工件坐标系OW，并标定获得该工件坐标系OW在机器人基坐标系OBase中的空间位姿齐次变换矩阵W；

步骤S2：通过工件三维图形处理模块，用于在工件2的三维图形表面生成磨抛路径3，将磨抛路径3离散为若干个空间点30，输出每个空间点30的三维坐标信息，计算得到工件2表面磨抛路径3上若干个定义在工件坐标系OW中的空间位姿齐次变换矩阵R；

步骤S3：通过工具标定模块，在机器人1工具末端11与工件2接触位置处建立工具末端坐标系OT，并标定获得该工具末端11坐标系OT在机器人1基坐标系OBase中的空间位姿齐次变换矩阵T；

步骤S4：通过机器人1运动仿真模块，将空间位姿齐次矩阵R得到的目标点数据，空间位姿齐次变换矩阵T得到的工具数据，以及空间位姿齐次变换矩阵W得到的工件2数据，结合机器人1逆运动学计算得到机器人1运动轨迹中每个目标点状态下的六个关节角值，以这六个关节角值设置关节角约束，实现机器人1运动仿真；

步骤S5：通过机器人1程序生产模块将计算所得机器人1运动轨迹中每个目标点状态的位置和姿态信息编制为机器人1所使用的程序语言。

从上述可知，本发明的有益效果在于：本发明通过将工件2三维图形与工业机器人1相结合，进行离线编程，不需要依托机器人1离线编程软件，将磨抛工业机器人1的离线编程过程简化。

如图1所示，其中机器人11中的工具末端11与工件2接触进行磨抛，程序开始时，先建立工业机器人1基坐标系OBase，在通过三点法标定在本实施例中，在步骤S1中，通过三点标定法标定工件坐标系OW、工具末端坐标系OT。三点法标定坐标系包括以下步骤：

如图4所示，在工件或者工具上分别预设三个点，标记为：A（x1,y1,z1），B（x2,y2,z2）和C（x3,y3,z3），通过以下公式得到以点B为原点，B点到A点为Z轴，C点落在ZOY平面内的坐标系：

a=(z3-z1)*(y2-y1)- (y3-y1)*(z2-z1)；

b=(z2-z1)*(x3-x1)- (z3-z1)*(x2-x1)；

c=(x2-x1)*(y3-y1)- (x3-x1)*(y2-y1)；

Nx=a/((a^2+b^2+c^2)^(1/2))；

Ny=b/((a^2+b^2+c^2)^(1/2))；

Nz=c/((a^2+b^2+c^2)^(1/2))；

Ax=(x1-x2)/ (((x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2) ^2)^(1/2))；

Ay=(y1-y2)/ (((x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2) ^2)^(1/2))；

Az=(z1-z2)/ (((x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2) ^2)^(1/2))；

Ox= Ay* Nz- Ny* Az；

Oy= Az* Nx- Nz* Ax；

Oz= Ax* Ny- Nx* Ay；

得到R，

R=[ Nx，Ox，Ax，x2

Ny，Oy，Ay，y2

Nz，Oz，Az，z2

0， 0， 0，1 ]。

其中，ZOY平面的法向量即X轴方向向量，设X轴方向向量OX（a,b,c），

Nx是磨抛路径点坐标系R的X轴的单位矢量在工件坐标系OW中的X轴上的分量，Ny是磨抛路径点坐标系R的X轴的单位矢量在工件坐标系OW中的Y轴上的分量，Nz是磨抛路径点坐标系R的X轴的单位矢量在工件坐标系OW中的Z轴上的分量；Ox是磨抛路径点坐标系R的Y轴的单位矢量在工件坐标系OW中的X轴上的分量，Oy是磨抛路径点坐标系R的Y轴的单位矢量在工件坐标系OW中的Y轴上的分量，Oz是磨抛路径点坐标系R的Y轴的单位矢量在工件坐标系OW中的Z轴上的分量；Ax是磨抛路径点坐标系R的Z轴的单位矢量在工件坐标系OW中的X轴上的分量，Ay是磨抛路径点坐标系R的Z轴的单位矢量在工件坐标系OW中的Y轴上的分量，Az是磨抛路径点坐标系R的Z轴的单位矢量在工件坐标系OW中的Z轴上的分量。

在本实施例中，在步骤S1中，通过三点标定法标定工件坐标系OW。

在本实施例中，所述的工件坐标系OW建立于工件2底部长方体的一顶点处，在机器人1的机械臂10末端安装一三维尺寸已知的工具，通过机器人1示教器将工具末端11与工件2表面预设的三个点接触，获取工件2表面该三个点在机器人1基坐标系OBase中的坐标值，从而获得工件坐标系OW在机器人1基坐标系OBase中的空间位姿齐次变换矩阵W。如图5所示，预设的三个点其中一个点位于工件2顶部长方体的一顶点，以该顶点为工件坐标系OW的原点。

在本实施例中，在工具末端11与工件2接触处建立工具末端11坐标系，采用三点五步法标定工具末端坐标系OT。

在本实施例中，所述三点五步法标定工具末端坐标系包括以下步骤：

步骤S30：通过机器人1示教器手动控制机械臂10依次以第一姿态、第二姿态和第三姿态保持工具末端11与空间中第一固定点接触，第一姿态、第二姿态和第三姿态位置保持在第一固定点处不变，分别形成第一步位姿、第二步位姿和第三步位姿；

步骤S31：保持第三姿态不变，沿机器人基坐标系的X轴平移特定距离至第二固定点，形成第四步位姿；

步骤S33: 保持第三姿态不变，从第二固定点沿机器人基坐标系的Z轴平移特定距离至第三固定点，形成第五步位姿；

步骤S34：根据第一固定点、第二固定点和第三固定点的坐标以及第一步位姿、第二步位姿、第三步位姿、第四步位姿和第五步位姿对应的机器人的关节角信息，由机器人控制器生成工具末端坐标系OT。

在本实施例中，在所述步骤S2中，具体通过以下步骤获取空间位姿齐次变换矩阵R：

步骤S21：采用三维软件中的表面曲线工具生成表面曲线，选取若干条磨抛路径3，每条磨抛路径3由两条相邻且形状一致的表面曲线组成；

步骤S22：选取其中一条磨抛路径3对应的两条表面曲线，在该磨抛路径3的每条表面曲线上均匀布设10-20个空间点30；分别在位于沿磨抛路径3方向右侧的表面曲线的空间点30的前方在2-3mm处再设置一个空间点30，将在磨抛路径3的两条表面曲线上相邻的三个空间点30作为一组空间点30，得到若干组空间点30；

步骤S23：输出每组空间点30中三个空间点30的坐标信息；

步骤S24：生成若干个由每组空间点30中的三个空间点30生成的坐标系；

步骤S25：通过三点标定法计算得到步骤S14中的坐标系在工件坐标系OW中的空间位姿齐次变换矩阵R。

在步骤S21中，在三维软件中使用“表面曲线”工具，依次选择需要建立表面曲线的表面，设置好U、V线数量，若磨抛工件2为水龙头，根据曲面复杂程度设置U、V线数量分别为10-20，三维软件即在所选表面生成表面曲线，此时可以根据需要剔除部分不需要的表面曲线，保留作为磨抛路径3的表面曲线以及与其相邻的表面曲线。一个工件2表面包括若干条磨抛路径3，根据曲面复杂程度与磨抛工具宽度共设置10条磨抛路径3，一条磨抛路径3对应两条相邻、形状相似的表面曲线。

在步骤S23中，输出空间点30三维坐标信息的方式有两种：一是人工点选目标空间点30，将显示出的坐标值手动记录；二是通过三维软件API接口二次开发程序，该程序的功能是批量输出点的坐标值。

在步骤S25中，首先，将空间位姿齐次变换矩阵R转换为表示位置的坐标值和表示姿态的四元数，工件2表面磨抛路径3上若干个定义在工件2坐标系中的空间位姿齐次变换矩阵为R如下所示：

R=[ Nx，Ox，Ax，Px

Ny，Oy，Ay，Py

Nz，Oz，Az，Pz

0， 0， 0，1 ]；

则原点坐标值为[Px，Py，Pz]；表示姿态的四元数为[Q1，Q2，Q3，Q4]；

其中

Q1 =((Nx + Oy + Az+1)^(1/2))/2；

Q2= (Oz-Ay)/(4*Q1)；

Q3= (Ax - Nz)/(4*Q1)；

Q4= (Ny - Ox)/(4*Q1)。

在本实施例中，在所述步骤S2中，在工件2三维图形表面手动绘制磨抛路径曲线。

综上所述，本发明提供的一种基于工件三维图形的磨抛工业机器人离线编程方法，将工件三维图形与工业机器人相结合，不需要依托机器人离线编程软件，将磨抛工业机器人的离线编程过程简化。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。