８２ 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第５期 ２０１０年５月
文章编号：１００ｌ一３９９７（２０１０）０５—００８２—０２
基于ＶＢ．ｎｅｔ的机器人运动仿真软件的开发研究 ；ｌ＝
闫华汪木兰袁建宁
（南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点实验室，南京２１００１３）
Ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｂａｓｅｄ ＶＢ．ｎｅｔ
ＹＡＮ Ｈｕａ，ＷＡＮＧ Ｍｕ—ｌａｎ，ＹＵＡＮ Ｊｉａｎ－ｎｉｎｇ
（Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｋｅｙ ＬａｂｏｒａｔｍＴ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ
２１００１３，Ｃｈｉｎａ）
： 【摘要】采用ＶＢ．ｎｅｔ语言编程，通过对ＡｕｔｏＣＡＤ二次开发，设计开发出焊接机器人与搬运机器人ｉ
÷运动学三维实体动态仿真系统。通过人机交互方式操纵机器人的动态运行。在仿真系统中，可以实现机器；
人三维实体模型的重建、机器人的正向、逆向自动求解，给出机器人连续运动轨迹文件，机器人即可自动
：地在ＡｕｔｏＣＡＤ环境中进行动态仿真运行。 ｉ
÷ 关键词：ＶＢ．ｎｅｔ；机器人；ＡｕｔｏＣＡＤ；运动学仿真 ；
： 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎ ｔｈｉｓ ｅｓｓａｙ，ＶＢ ｔ ｐｒｏｇｒａｍ，ｎｉｎｇ ｌａｎｇｕａｇｅ ｉｓ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ；
；ｏｆ ＡｕｔｏＣＡＤ，ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｄｙｎａｍｉ￣ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｅｎｔｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏ厂ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｃｏｔｔｏｎ：
ｐｉｃｋｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ，ｈｕｍａｎ－Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ÷
ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｂｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｏｂｏｔ ｅｎｔｉｔｉｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｇｅｎｅｒ￣ｅｄ，ｒｏｂｏｔ；
：ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃａｌｌ ｂｅ ／］ｉｅｖｅｄ，ｉｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｏｆ ｉ ÷ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｇｉｖｅ ， ｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ａｕｔｏｍ ｃ￣ｌｙ ｄｙｎａｎｔｉｃ ｓｉｍＭｌａｔｅ ｉｎ Ａｕｔ。ｃＡＤ ｅ， ｒ０ｎ仇ｅｎ￡． ÷
？ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＶＢ．ｎｅｔ；Ｒｏｂｏｔ；ＡｕｔｏＣＡＤ；Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ？
中图分类号：ＴＨ１６，ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ ●— —Ｊ— ｌ刖舌
“工业机器人”是机械制造及自动化等专业的主干专业课程，
某机械工程学院机电工程实验室购置了一套由日本某公司研制生 产的ＭＯＴＯＭＡＮ ＵＰ６机器人。由于机器人造价高，实际焊接费用
高，学生实验通常为参观实验，很难达到熟悉编程和操作的目的。 为了使学生在实验过程中获得更多的感性认识，充分利用实验资
源，研究设计开发出一套机器人运动仿真软件，应用到工业机器
人实验教学中可以实现每人一套软件进行实验，改善了“工业机
器人”课程的实验条件，达到了较好的实验效果。 ２机器人３Ｄ模型的建立
２。１机器人运动参数的确定 六自由度机器人由多个相邻的连杆机构组成，建立的六自由
度机器人各关节坐标图，如图１所示。各关节参数，如表１所示。
图１机器人关节坐标图 根据前面建立的坐标系、各关节参数，确定出各关节之问的 相对坐标位姿，推导出机器人正向运动学方程，再利用代数法和
儿何法相结合推导出机器人逆向运动学方程。 表１机器人关节参数表
２．２机器人模型的建立
用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ．ＮＥＴ对ＡｕｔｏＣＡＤ进行二次开发，是基于新的
ＡｃｔｉｖｅＸ自动化界面技术。ＡｕｔｏＣＡＤ ＡｃｔｉｖｅＸ技术是使用某种应
用程序（如Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ．ＮＥＴ）通过编程从ＡｕｔｏＣＡＤ内部或外部 来控制、操纵ＡｕｔｏＣＡＤ。
３仿真软件的设计
机器人运动仿真软件界面，如图２所示。 机器人运动仿真软件界面上各按钮的功能如下：
（１）变杆长重新建模：改变机器人各关节的参数，重新建立模
型： （２）求Ｐ点坐标：根据机器人各关节参数，正向求出Ｐ点的位
姿，并建立仿真模型； （３）运动到给定点：在已知Ｐ点位姿的情况下，逆向求出机器
人各关节的角度参数，并建立仿真模型；
★来稿日期：２００９—０７—２０★基金项目：南京工程学院高教研究基金资助项目（ＧＹ２００７１２），南京工程学院科研基金项目（ＫＸＪ０７０５２）
第５期 闰华等：基于ＶＢ．ｎｅｔ的机器人运 笪墨 垄 垄
（４）给定轨迹３Ｄ动态模拟：根据给定的机器人连续运动轨
迹文件，机器人连续仿真运行。
图２机器人运动仿真软件界面 ３．１机器人正向运动仿真 在机器人运动仿真软件界面上输入各关节ＴＨ，、ＴＨ：、ＴＨ，、
ｎ．、 等的角度值，单击 Ｐ点坐标］按钮，机器人末端根据各关 节的值运动到某点，该点即为所求的Ｐ点的值，如图３所示。图
中圆球就是所求的Ｐ点，红色代表正解结果，绿色代表逆解结果，
黄色代表连续轨迹）。根据机器人各关节参数正向求解末端位姿
的实例，如表２所示。
图３机器人运动图 表２机器人正向求解实例 库机器人各关节参数 Ｐ点位置与姿态 号０ｔ ０２ ０３巾ｌ ２ Ｘ Ｙ ｚ ＸＦ ＹＦ ｚＦ １－５０ ３２ ４０ ０ ０ ５９．８５８ ０ ２１５．５６ ０．３７５ ０ －０．９２７ ２—４０－３５—４４ ４０ ４５ ９８．４８９ ｌＯ５．０８５ １２９．１】５一Ｏ＿３１４一Ｏ．９０５ ０．２８８ ３ ３０ ４６－２２ ９０－－４５ ９＿２７１一ｌ３４．５１７ １６１．２８２—０．２６５ ０．８３６—０．４８１ ４ ８０－３３ ７８ ｌ３Ｏ ３２ １０６．４５０—９８．６３９ １ ｌ６．１６６—０．８５９ ０．２１７ ０．４５６
３＿２机器人逆向运动仿真 输入Ｐ点的位置（ 、ｙ、ｚ）和姿态（ＸＦ、ｙＦ、ＺＦ）值，单击睡动
到给定点１按钮，该软件会根据Ｐ点的位姿（位置和姿态）逆向计 算机器人各关节的值（ＴＨ。、ＴＨ 、ＴＨ 、Ｆｉ。、Ｆｉ ）。在求逆解的运算过
程中会出现多解情况，故在必须多解的取舍原则，本设计因涉及
到连续轨迹规划，故选择多解原则为：根据前一点的位置选择解， 在保证该值在符合取值范围的情况下选取机器人手臂移动距离
最短的值。（在本设计中假设没有障碍数组中０为Ｘ轴、１为ｙ
轴、２为ｚ轴）。根据Ｐ点的位姿逆向求解机器人各关节参数的实 例，如表３所示。
３．３机器人连续轨迹运动仿真 机器人连续轨迹运动仿真是建立在机器人逆解基础上的，运
行程序，点击“给定轨迹３Ｄ动态模拟”按钮，选中机器人连续运
动轨迹文件，点打开按钮，程序会把各Ｐ点的位姿数据读到数组 中，再对各点进行分析，分析各个Ｐ点是否在机器人的运动范围
之内，若不在则除去该点，完成后会提示有部分Ｐ点不在机器人
的工作范围之内，问是否继续，点喃定］贝ＪＪ继续，点［取消】贝Ⅱ不进行
轨迹规划。机器人连续轨迹运动仿真程序流程图，如图４所示。
表３机器人逆向求解实例 ————— 雯 委； 机器人各关节
图４机器人连续运动仿真程序流程图 机器人连续运动轨迹文件的格式如下：
第一行是机器人连续运动轨迹点的个数；
第二行是机器人第一个点的法向向量：ＸＦ，ＹＦ，ｚＦ
第三行是机器人第一个点的位置： ，ｙ，ｚ
第四行是机器人第二个点的法向向量；ＸＦ，ＹＦ，ＺＦ
●●●●●‘ 第ｉ行是机器人第 个点的法向向量：ＸＦ，ＹＦ，ＺＦ 第ｉ＋１是为机器人第 个点的位置： ，ｙ，ｚ
根据机器人连续运动轨迹文件，机器人连续运动仿真结果，
如图５所示。
图５机器人连续运动轨迹仿真 ４结论
研究采用ＶＢ．ｎｅｔ语言编程，通过对ＡｕｔｏＯＡＤ二次开发，
设 机械设计与制造
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第５期 ２０１０年５月
文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０５—０ｏ８４—０２
集散控制系统在凸轮轴加工自动生产线上的应用
关百军杨淑芳郑照连
（沈阳机床集团，沈阳１ １００４１）
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃａｍｓｈａｆｔ
ＧＵＡＮ Ｂａｉ－ｊｕｎ，ＹＡＮＧ Ｓｈｕ—ｆａｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｚｈａｏ－ｌｉａｎ
（Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，ＬＴＤ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １ ００４ １，Ｃｈｉｎａ）
６ 【摘要】随着数控技术的高速发展，制造业现已基本实现柔性自动化、集成化、智能化，机床联网在ｌ
；这里起到了关键作用。数控系统与外部上位计算机以网络连接，通过网络实现对设备的远程控制和无人｛
｛化操作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务、技术服务等，并提高机床生产率。通过松下电工ｌ
ｌ ＰＬＣ和研华工控机组成的集散控制系统在湖北东风集团的实际应用，充分说明了集散控制系统在自动生ｉ
；产线的优势和广阔的发展前景。 ６
； 关键词：ＰＬＣ；集散控制系统；自动生产线；应用 ｌ
６ ．［Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｒｅａｌｉｚｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉ—ｌ
９ ｇｅｎｃｅ ａｌｏｎｇｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆＣＮＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｏｆｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｐｌａｙ ０；
；ｋｅｙ ｒｏｌｅ．ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｎｅｃｔ ｗｉｔｈ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｏｕｔｓｉｄｅ ｂｙ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｖｉａ ｎｅｔｗｏｒｋ：
５ ｓｕｃｈ ａｓ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ，ｔｒａｎｓｍｉｔ ｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ ｌ
４ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｓｅｒｖｉｃｅ ｅｔｃ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ４
ｌ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ Ｗａｓ ｍａｄｅ ｕｐ ｌ
ｉ ｏｆＰａｎａｓｏｎｉｃ ＰＬＣ ａｎｄ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｏｆ Ｙａｈ Ｈｕａ ｉｎ Ｄｏｎｇ（ｅｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ ＨｕＢｅｉ，ｉｔ ｈａｓ ｚｌｙ ｓｔａｔｅｄ；
｛ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆＤＣＳ ｉｎ ｋ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔ． ６
ｌ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ＤＣＳ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｌ Ｅ 】Ｈ 】Ｈ 】Ｈ ’ｏ‘】Ｈ 】Ｈ 】 】Ｈ…】Ｈ…】Ｈ…】Ｈ…】Ｈ 】Ｈ ’ 】 ０ｌ】Ｈ）．． 中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ
１引言
随着控制理论和微电子技术的不断发展，计算机控制系统在
工业控制领域得到越来越广泛的应用。建立在计算机技术、通信
技术、控制技术基础上的集散控制系统（ＤＣＳ），由于其配置灵活、 组态方便、控制分散、管理集中以及易于扩展的特点，正逐步取代
集中控制系统且应用于工业过程控制中。２００６年为湖北东风商
用车发动机厂开发 ｒＬＦ凸轮轴自动生产线，该企业也成为大胆
采用国产自动化生产线的成功楷模。
２方案的确定
凸轮轴需要经过如下工艺过程：首先是由储料区进入到厂房
内的备料等待加工区，其次是进入到凸轮轴加工区，即铣端面钻 中心孔，在这一过程中完成以后，凸轮轴被退出加工区而进人到
人工检验区，通过标准检具检测，合格后紧接着进入到凸轮轴主 轴轴径加工工序，偏心轴径加工完成后，再把凸轮轴铣键槽，合格
★来稿日期：２００９—０７—２９
计开发出了弧焊机器人与搬运机器人运动学三维实体动态仿真
软件。应用到工业机器人实验教学中实现了每人一套软件进行实
验，实际运行效果良好，学生在实验过程中获得了更多的感性认
识，加深了对弧焊机器人与搬运机器人运行原理的理解。 后，凸轮轴就可以进入下序，进行铣削加工，加工完以后，测长，称
重，打标装置等工序。包装待发运。
提高凸轮轴输送机械自动化程度的目的：（１）是为了提高生
产率；（２）是为了提高设备的柔性和灵活性；（３）是为了提高机械 完成复杂动作的能力，即采用机械手完成安装的工序。例如凸轮
轴的装卡就已经实现了用机械手替代原来的手工。输送机械自动
化设计有以下两个主要特点： 每个机构均由单独ＰＬＣ控制。一套输送机械生产线为完成
复杂的动作，需由多个局部动作完成。完成动作时，在由信号检 测，以及数控系统控制获取信息和监控下，各机械机构按照程序
的指令完成规定的动作，确保加工生产质量。
在整个过程中，实时信息在显示屏上显示。方便远程监控现 场工作状态，同时也可以随时中断工作进程，用来进行中途的调
试维修等。 综合考虑其设计要求、价格因素和一些国内外同类项目的经
参考文献 １刘极峰等．机器人技术基础．北京：高等教育出版社，２００７ ２杨星．ＡｕＴ０ｃＡＤ ２０ｏ４二 欠 筻及 奇每］ 其翌拄 验凌蚓暑处理中 ｌ应用，２００５ ３刘炳文．Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ程序设计教程．北京：清华大学出版社，２００６ ４贾文晋等．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ．ＮＥＴ组件开发专业教 北京：清华大学出版｝土，
２００４