六轴工业机器人铣削加工离线编程方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，包括：读取步骤：读取离散刀位文件；建模步骤：根据离散刀位文件建立一维机器人位姿优化模型；求解步骤：使用离散搜索算法求解建立的一维机器人位姿优化模型；输出步骤：输出对应机器人系统的可执行文件。本发明专利技术成功优化出对应的机器人位姿，据此可转化为对应的机器人可执行文件，如Motoman机器人的JOB文件。使用该机器人路径开展铣削加工，可使得工业机器人具有较高的整体刚度性能，从而提高加工精度。

Off line programming method and system for six axis industrial robot milling

The invention provides an off-line programming method for a six-axis industrial robot milling process, which comprises: reading steps: reading discrete cutter position files; modeling steps: establishing a one-dimensional robot pose optimization model based on discrete cutter position files; solving steps: solving the established one-dimensional robot pose optimization model using discrete search algorithm Output steps: output executable files corresponding to the robot system. The invention successfully optimizes the corresponding robot posture and can be transformed into corresponding robot executable files, such as the JOB file of the Motoman robot. Using the robot path to carry out milling can make the industrial robot have higher overall stiffness performance and improve the machining accuracy.

【技术实现步骤摘要】
六轴工业机器人铣削加工离线编程方法及系统
本专利技术涉及工控
，具体地，涉及一种六轴工业机器人铣削加工离线编程方法及系统。
技术介绍
相对于多轴数控机床，机器人具有成本低、柔性好和工作空间大等优势，为大型复杂零件的制造提供了新的思路。将工业机器人的应用范围从简单的重复性任务扩展到高精度的铣削加工领域，对制造行业具有重要意义。缺乏标准的后处理软件是开展高精度机器人加工的一个主要障碍。在铣削应用中，机器人的运动路径通常从商业CAM软件的五轴铣削模块生成的刀位文件转化而来。但是，一个标准的工业机器人有六个自由度，典型的铣削任务只需要五个自由度(其中的三个用于定位刀尖点的位置，两个用于确定刀轴的方向)，使用六轴工业机器人开展五轴铣削任务将造成一个冗余的自由度，因而有必要对该冗余自由度进行优化以确定唯一的机器人路径。对现有的技术进行检索发现，很多研究机构和学者从机器人的灵巧性、关节极限和传动比等因素出发，提出了一系列的铣削机器人位姿优化的指标和算法。这些指标和算法均聚焦于提升机器人的运动学或动力学性能，而忽略了由于机器人弱刚性造成的被加工工件质量差这一问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种六轴工业机器人铣削加工离线编程方法及系统。根据本专利技术提供的一种六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，包括：读取步骤：读取离散刀位文件；建模步骤：根据离散刀位文件建立一维机器人位姿优化模型；求解步骤：使用离散搜索算法求解建立的一维机器人位姿优化模型；输出步骤：输出对应机器人系统的可执行文件。较佳的，所述离散刀位文件包含刀尖点位置、刀轴方向以及加工工艺信息。较佳的，所述一维机器人位姿优化模型的表达式如下：s.t.θi＝f-1(γi)θmin≤θi≤θmaxθi-1-δωΔt≤θi≤θi-1+δωΔt||J(θi)||||J-1(θi)||≤η式中，下标i表示在第i个刀位点，ID(γi)表示整体刚度性能指标值，γ表示冗余的欧拉角，θ＝[θ1,…,θ6]T表示各机器人各关节转角，f-1(·)表示解析的机器人运动学逆解，θmin和θmax表示机器人各关节转角下界和上界，ω表示机器人各关节角速度的最大值，δ∈(0,1]和η∈[1,+∞)为用户指定的参数，不等式θmin≤θi≤θmax，θi-1-δωΔt≤θi≤θi-1+δωΔt和||J(θi)||||J-1(θi)||≤η分别描述了机器人关节极限约束、路径光顺约束和机器人灵巧性约束。较佳的，所述离散搜索算法包括：将γ在[-π,π]之间n等分，对于(j＝0,…,n)，计算所有可行的运动学逆解，将满足约束条件的逆解取出以计算整体刚度性能指标值，保留使得整体刚度性能指标值最大的运动学逆解，若优于当前最优解，则替代之，直到遍历所有的γj，最终输出第i个刀位点下的最优机器人位姿。较佳的，所述离散刀位文件由CAM软件生成。根据本专利技术提供的一种六轴工业机器人铣削加工离线编程系统，包括：读取模块：读取离散刀位文件；建模模块：根据离散刀位文件建立一维机器人位姿优化模型；求解模块：使用离散搜索算法求解建立的一维机器人位姿优化模型；输出模块：输出对应机器人系统的可执行文件。较佳的，所述离散刀位文件包含刀尖点位置、刀轴方向以及加工工艺信息。较佳的，所述一维机器人位姿优化模型的表达式如下：s.t.θi＝f-1(γi)θmin≤θi≤θmaxθi-1-δωΔt≤θi≤θi-1+δωΔt||J(θi)||||J-1(θi)||≤η式中，下标i表示在第i个刀位点，ID(γi)表示整体刚度性能指标值，γ表示冗余的欧拉角，θ＝[θ1,…,θ6]T表示各机器人各关节转角，f-1(·)表示解析的机器人运动学逆解，θmin和θmax表示机器人各关节转角下界和上界，ω表示机器人各关节角速度的最大值，δ∈(0,1]和η∈[1,+∞)为用户指定的参数，不等式θmin≤θi≤θmax，θi-1-δωΔt≤θi≤θi-1+δωΔt和||J(θi)||||J-1(θi)||≤η分别描述了机器人关节极限约束、路径光顺约束和机器人灵巧性约束。较佳的，所述离散搜索算法包括：将γ在[-π,π]之间n等分，对于(j＝0,…,n)，计算所有可行的运动学逆解，将满足约束条件的逆解取出以计算整体刚度性能指标值，保留使得整体刚度性能指标值最大的运动学逆解，若优于当前最优解，则替代之，直到遍历所有的γj，最终输出第i个刀位点下的最优机器人位姿。较佳的，所述离散刀位文件由CAM软件生成。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术成功优化出对应的机器人位姿，据此可转化为对应的机器人可执行文件，如Motoman机器人的JOB文件。使用该机器人路径开展铣削加工，可使得工业机器人具有较高的整体刚度性能，从而提高加工精度。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的流程图；图2为一条五轴数控铣削加工路径示意图；图3为工件坐标系与刀具坐标系的关系示意图；图4为离散搜索算法流程图；图5为优化后机器人关节角度变化示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，根据本专利技术提供的一种六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，从商用CAM软件生成的刀位文件中读取刀位信息。然后，针对第i个刀位点，以机器人整体刚度性能最优为目标，以机器人关节极限、路径光顺性和机器人灵巧性为约束，建立机器人位姿优化模型。最后，使用离散搜索算法求解该模型，获取机器人在第i个刀位点的最优位姿。重复这一过程，直到遍历所有的刀位点，最终输出对应机器人系统的可执行文件。以图2的UG软件CAM模块生成的一条五轴数控铣削加工路径为例，具体包括：读取步骤：读取离散刀位文件，离散刀位文件包含刀尖点位置、刀轴方向以及加工工艺信息。离散刀位点可以表示为集合形式CLs＝{CLi|CLi＝(xi,yi,zi,ii,ji,ki)T,i＝1,…,m}，其中第i个刀位点CLi＝(xi,yi,zi,ii,ji,ki)T的前三个分量表示刀尖点在工件坐标系中的坐标，后三个分量表示刀具轴线方向在工件坐标系中的坐标。设在第i个刀位点，刀具坐标系与工件坐标系的位姿如图3所示，图中工件坐标系OwXwYwZw到刀具坐标系OtXtYtZt的变换矩阵wTt可表示为一个六维向量(xi,yi,zi,αi,βi,γi)T的函数，其中αi，βi和γi表示z-y-z型欧拉角，即wTt＝rot(z,αi)rot(y,βi)rot(z,γi)trans(xi,yi,zi)；式中，rot和trans分别表示旋转和平移变换。给定刀位点CLi＝(xi,yi,zi,ii,ji,ki)T，可确定(xi,yi,zi,αi,βi)的值，其中：[iijiki]T＝[-cosαisinβi-sinβisinαi-cosβi]T。建模步骤：根据离散刀位文件建立一维机器人位姿优化模型。据前述，γi取值任意，可结合机器人运动学逆解，建立如下只与欧拉角γi相关的机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，其特征在于，包括：读取步骤：读取离散刀位文件；建模步骤：根据离散刀位文件建立一维机器人位姿优化模型；求解步骤：使用离散搜索算法求解建立的一维机器人位姿优化模型；输出步骤：输出对应机器人系统的可执行文件。

【技术特征摘要】
1.一种六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，其特征在于，包括：读取步骤：读取离散刀位文件；建模步骤：根据离散刀位文件建立一维机器人位姿优化模型；求解步骤：使用离散搜索算法求解建立的一维机器人位姿优化模型；输出步骤：输出对应机器人系统的可执行文件。2.根据权利要求1所述的六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，其特征在于，所述离散刀位文件包含刀尖点位置、刀轴方向以及加工工艺信息。3.根据权利要求1所述的六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，其特征在于，所述一维机器人位姿优化模型的表达式如下：s.t.θi＝f-1(γi)θmin≤θi≤θmaxθi-1-δωΔt≤θi≤θi-1+δωΔt||J(θi)||||J-1(θi)||≤η式中，下标i表示在第i个刀位点，ID(γi)表示整体刚度性能指标值，γ表示冗余的欧拉角，θ＝[θ1,…,θ6]T表示各机器人各关节转角，f-1(·)表示解析的机器人运动学逆解，θmin和θmax表示机器人各关节转角下界和上界，ω表示机器人各关节角速度的最大值，δ∈(0,1]和η∈[1,+∞)为用户指定的参数，不等式θmin≤θi≤θmax，θi-1-δωΔt≤θi≤θi-1+δωΔt和||J(θi)||||J-1(θi)||≤η分别描述了机器人关节极限约束、路径光顺约束和机器人灵巧性约束。4.根据权利要求3所述的六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，其特征在于，所述离散搜索算法包括：将γ在[-π,π]之间n等分，对于计算所有可行的运动学逆解，将满足约束条件的逆解取出以计算整体刚度性能指标值，保留使得整体刚度性能指标值最大的运动学逆解，若优于当前最优解，则替代之，直到遍历所有的γj，最终输出第i个刀位点下的最优机器人位姿。5.根据权利要求1所述的六轴工业机器人铣削加工离线编程方法，其特征在于，所述离散刀位文件由CAM软件生成。...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊刚，丁烨，朱利民，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31