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1、上海交通大学硕士学位论文机器人等离子切割离线编程技术姓名：姜蓓申请学位级别：硕士专业：材料科学与工程学指导教师：林涛20080201上海交通大学硕士学位论文 机器人等离子切割离线编程技术 摘 要 机器人等离子切割离线编程技术 摘 要 在现代制造业尤其是汽车、船舶制造业中，切割是非常重要的加工手段。 而传统的机器人示教方法在许多复杂的作业应用中不能满足要求。 离线编程技术的出现则为上述问题的解决提出了可供选择的方案。离线编程技术便于和 CAD/CAM 系统结合，做到 CAD/CAM/机器人一体化。 文章首先阐述了机器人离线编程的概念和技术内容， 机器人离线编程系统的组成；分析了机器人离线编程技术
2、的现状及发展趋势。文章的重点是针对造船工业中钢板及 L 型钢的切割问题， 提出了离线编程实现等离子切割的解决方法。 即从钢板及 L 型钢的原始 CAD 图形中提取出切割信息，并计算出切割关键点的坐标；通过切割信息的处理使得切割路径连贯；通过坐标变换，将原本 CAD 坐标系中的坐标转换成机器人坐标系中的坐标；提出扫描线算法对切割路径进行规划；其次根据已有的信息，进行机器人逆运动学求解机器人各关节角，编写机器人程序；最终用 OPENGL 软件仿真切割过程，并在 MOTOMAN UP6上完成了模拟切割实验，分析实验的误差以及误差来源。误差在切割允许的范围之内， 从而证明了文章中提出的离线编程方法是切
3、实可行的，它在数字化造船中具有一定的意义。 关键词：关键词：机器人，切割，离线编程，标定，运动规划 上海交通大学硕士学位论文 OFF-LINE PROGRAMMING IN PLASMA CUTTING ABSTRACT Cutting is an important process in the modern manufacturing, especially in the automobile and marine industries. Traditional robot teaching method cant meet the requirement in complicated w
4、orks. While off-line programming technology gives solution to this problem. And its convenient for the combination of CAD/CAM, and helps the integration of CAD, CAM and robot. This paper first introduced the off-line programming technology and the system of it. Then the paper discussed the status an
5、d trend of programming technology. The main body of the paper lies on the off-line programming solution to steel and L-construct steel plasma cutting used in marine industry. The first step is to find the cutting information in the original CAD image and to arrange these information for the smooth c
6、utting. Though calibration, we get the coordination of the robot system. Then I used scanning-line method in the motion planning. Also I stimulate the cutting process with OPENGL and experiment in 上海交通大学硕士学位论文 MOTOMAN UP6. And it proved that the off-line programming solution is applicable and has si
7、gnificance in digital shipbuilding. Key words: robot, cutting, off-line programming, calibration, motion planning 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担
8、。 学位论文作者签名：姜 蓓 日期：2008 年 2 月 21 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：姜 蓓 指导教师签名：林 涛 日期：2
9、008 年 2 月 21 日 日期：2008 年 2 月 21 日 上海交通大学硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 选题意义选题意义 1.1.1 离线编程技术的需求 1.1.1 离线编程技术的需求 在现代制造业尤其是汽车、船舶制造业中，切割与焊接技术作为重要的加工手段，占有非常重要的地位。但以人工操作为主的传统加工方式仍占有相当大的比例，生产效率低，因此，我国的切割、焊接产业急需提高自动化程度，满足高效率化的要求。 今天工业机器人示教编程方法已经证明了， 在机器人所要完成的任务不很复杂，以及示教时间相对于工作时间来说比较短的情况下，是有效可行的。但也同时证明了，
10、在许多复杂的作业应用中不是令人满意的。 采用示教再现的编程方式，无法实现 CAM；再加上使用的机器人总台数增加后，机器人的调整往往是非常麻烦的一件事。不仅如此，这种工作方式还有以下不足： （1）机器人在线示教时，它不是生产性的，且任务一旦改变则要重新编程，不适应当今小批量、多品种的柔性生产的需要； （2）复杂的机器人作业，如弧焊、装配任务很难用示教方式完成； （3）运动规划的失误会导致机器人间及机器人与固定物的相撞，对生产具有破坏性； （4）编程者安全性差，尤其是不适合太空、深水、核设施维修等极限环境下的焊接工作。 离线编程技术的出现为上述问题的解决提出了可供选择的方案。 机器人离线编程(OL
11、Poff-line programming)系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，在利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。 根据目前我国机器人在工厂的应用情况和近期发展需要， 机器人的离线编程与仿真技术是应当重视的新技术之一。我国的机器人数量还不很多，产品改型也不快， 许多工厂在购置焊接机器人时都是由机器人供应商事先把机器人的程序编好交给工厂使用。因此在使用初期编程占用机时的矛盾并不突出。目前已经有些工厂希望机器人能焊接更多的新工件， 这必须停止生产才能对焊接机器人进行在线编程。这种
12、生产与编程的矛盾将会越来越大。因此，目前对离线编程技术的需求呼声已日益增强。 与示教编程相比,离线编程系统具有如下优点： （1）减少机器人停机的时间，当对下一个任务进行编程时，机器人可仍在生产上海交通大学硕士学位论文 第 2 页 线上工作； （2）使编程者远离危险的工作环境，改善了编程环境； （3）离线编程系统使用范围广，可以对各种机器人进行编程，并能方便地实现优化编程； （4）便于和 CAD/CAM 系统结合，做到 CAD/CAM/ROBOTICS 一体化； （5）可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程； （6）便于修改机器人程序。 机器人语言系统再数据结构的支持下，可以用符号描述机器人
13、的动作，一些机器人语言也具有简单的环节构型功能。 但由于目前的机器人语言都是动作级和对象级语言，因而编程工作是相当繁重的。作为高水平的任务级语言系统目前还在研制之中。任务级语言系统除了要求更加复杂的机器人环境模型支持外，还需要利用人工智能技术，以自动生成控制决策和产生动作轨迹。因此可把离线编程系统看做动作级和对象级语言图形方式的延伸， 是把动作级和对象级语言发展到任务级语言所必须经过的阶段。从这点来看，离线编程系统是研制任务级编程系统一个很重要的基础。因此，离线编程引起了人们的广泛重视，并成为机器人学中一个十分活跃的研究方向。 1.1.2 数字化造船技术的需要 1.1.2 数字化造船技术的需要
14、 数字化造船就是指造船领域的数字化，它是船舶先进制造、计算机、网络等技术与管理科学的交叉、融合、发展与应用的结果.企业的各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络，在企业内部传递，在虚拟现实、数据库、多媒体等多种技术的支持下，进行产品信息、工艺信息与资源信息的分析、规划与重组，以及产品设计和产品功能、加工过程与生产组织过程的仿真，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户要求。 实现数字化造船， 必须实现设计数字化、 制造装备数字化、 生产过程数字化、管理数字化和企业数字化。 其中的生产过程数字化主要是通过智能化的方法对生产过程进行控制，实现生产过程控制的自动
15、化和智能化，提高企业生产过程的自动化水平和生产效率。 通过几十年的努力，数字化制造技术在我国船厂有了广泛的应用，对于数字化造船体系建设而言，有了一定的技术基础，但还处于很低的初级水平。与世界造船强国相比， 我国的数字化技术应用的重点仍停留在解决计算机技术用于单项系统的工程应用上，没有与企业的业务流程、运营模式和管理变革有效结合，尚未有效地促进体制创新和管理创新， 产品设计、 制造、 管理信息一体化程度较低，数字化生产线的设计、制造、管理各流程尚未贯通，数字化制造技术效能远未发挥。 上海交通大学硕士学位论文 第 3 页 在船舶建造工艺中，切割作业是较早实现自动操作的工序之一。60 年代后半期就开
16、始引进数控切割机和门式切割机。 由于计算机技术的发展以及 CAD, CAM系统的广泛应用，切割自动化程度也进一步提高。目前，造船切割正在向高精度和无人监视作业方向发展，最终达到完全自动化，建立计算机控制的切割加工系统。而离线编程技术则是实现切割完全自动化的一项重要技术。 1.2 机器人离线编程概述及研究现状 1.2 机器人离线编程概述及研究现状 1.2.1 机器人离线编程的概念和技术内容 1.2.1 机器人离线编程的概念和技术内容 机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果， 建立起机器人及其工作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在离线的情况下进行轨迹规划。 通过对编程结果进行三维图形动画仿真， 以检验编程的正确性，最后将生成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动,完成给定任务。机器人离线编程系统已被证明是一个有力的工具，可以增加安全性，减少机器人不工作时间和降低成本。 机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，通过该系统可以建立机器人和CAD/CAM 之间的联系。设计一个离线编程系统应具备
