臺灣博碩士論文加值系統

隨著電腦科技與程式技術的迅速發展，電腦輔助設計(Computer Aided Design, CAD)與電腦輔助製造(Computer Aided Manufacturing, CAM)等技術也更加精進，促使商用CAD/CAM軟體功能逐年增加，仿真能力日漸成熟，應用領域也愈來愈廣泛，包含電子、航太、生醫、汽車、機械等產業，其中又因多樣化、高效率及加工複雜曲面等需求，五軸車銑複合加工機的應用及搭配機械手臂的輔助更是不可或缺。一般多軸加工程式難以用人工撰寫，其加工路徑皆須針對模型點位、避讓碰撞及角度偏轉等相關演算法計算，並透過CAD/CAM軟體編程及後處理轉換而得。而一般自動化產線之機械手臂常透過現場教點並撰寫程式以編程移動路徑，相較以軟體離線編程路徑更為繁複、費時且移動過程可能遇到奇異點等問題，此時更需仰賴完善的CAD/CAM軟體來做編程設計、碰撞模擬及路徑優化等作業。但商用軟體之缺點為費用昂貴，且各模組套件使用者未必全部會使用，若能自行依使用者需求開發一套軟體則能降低購買軟體的成本，並掌握關鍵技術，本研究之目的為開發六軸關節型機械手臂奇異點避讓路徑規劃與車銑複合機切削工法編程、切削模擬之介面。
本論文以LEANTEC LJ1468-10-X六軸關節型機械手臂及ARIX TA20車銑複合機為研究對象，引用六軸關節型機械手臂正逆向運動學作為奇異點路徑避讓演算法之計算基礎，並引用C-Type BA-Axis五軸機正逆向運動學轉換車銑複合機作動之參數，使用Visual Studio C#撰寫程式，結合OpenGL繪圖函式與ModuleWorks套件實現機械手臂取料、車銑複合機工法編程及切削模擬。
最後本文透過FANUC公司所開發的ROBOGUIDE軟體驗證機械手臂奇異點路徑避讓姿態，並針對避讓路徑與原生成路徑做誤差比較，根據三種不同奇異點模式探討本研究所提出之奇異點避讓演算法的可行性。

With the rapid development of computer programming technology, Computer Aided Design (CAD) and Computer Aided Manufacturing (CAM) technologies are also more sophisticated over the years. The functions of commercial CAD/CAM software are increasing annually, the simulation ability is improving, and the application fields are becoming more extensive, including electronics, aerospace, biomedicine, automobile, machinery and other industries. Among them, due to the needs of diversification, high efficiency and machining complex curved surfaces, the application of five-axis mill-turn compound machining with the assistance of robotic arm is indispensable. Generally, multi-axis machining program is difficult to be written manually, and the machining path must be calculated according to the model point, collision avoidance, rotational angle adjustment and other related algorithms, and then programmed and post-processed through CAD/CAM software. The path of robotic arm on automatic production line is often taught and programmed on-site. Compared with offline programming with software, it is more complicated, time-consuming and may encounter singularity problem in the path planning, in which all procedures above must rely on CAD/CAM software for path programming, collision simulation and path optimization. But the disadvantage of commercial software is the expensive cost, while not all modules are used by users. If the software development can match with user needs, it is possible to reduce the cost of purchasing software and control the key technologies. The objective of this study was to develop the interface between path planning of singularity avoidance of six-axis articulated robotic arm, as well as programming and simulation of mill-turn compound machining.
This study used LEANTEC LJ1468-10-X six-axis articulated robotic arm and ARIX TA20 mill-turn compound machine as the research subjects. The algorithms of forward and reverse kinematics of six-axis articulated manipulator was used as the basis of calculation for singularity avoidance, while the forward and reverse kinematics of C-Type BA-Axis five-axis machine was used to convert the operating parameters of mill-turn compound machines. The program was written by Visual Studio C#, along with OpenGL drawing function and ModuleWorks module to achieve material handling by robotic arm and programming and cutting simulation of mill-turn compound machine.
Finally, this paper validated the robotic arm’s singularity avoidance through ROBOGUIDE software developed by FANUC, and compared the error between the avoidance path and the original path, in which the feasibility of the proposed singularity avoidance algorithm was discussed based on three different singularity patterns.

摘要...i
Abstract...iii
誌謝...v
目錄...vi
表目錄...x
圖目錄...xii
符號說明...xvii
名詞中英對照表...xviii
第一章 緒論...1
1.1研究動機與目的...1
1.2文獻回顧...2
1.2.1機械手臂奇異點...2
1.2.2車銑複合加工...6
1.2.3路徑插補...8
1.2.4 ModuleWorks...10
1.3研究方法與步驟...12
1.4論文架構...15
第二章 相關技術...16
2.1基本座標轉換矩陣...16
2.2尤拉角轉換矩陣...19
2.3車銑複合工具機構型分類...20
2.4相關軟體介紹...21
2.4.1 Visual Studio 2019 C#[31]...21
2.4.2 Wolfram Mathematica 10.0[32]...22
2.4.3 SprutCAM 10[33]...22
2.4.4 ROBOGUIDE[34]...23
2.4.5 hyperMILL 2020.2[35]...24
2.4.6 VERICUT 7.3[36]...24
2.5 OpenGL介紹...26
2.5.1 OpenGL繪圖函式庫介紹...26
2.5.2 OpenGL常用函式...27
2.6 ModuleWorks介紹...28
2.6.1 ModuleWorks API介紹...28
2.6.2 ModuleWorks常用函式...30
2.6.3 5axui套件介紹...31
第三章 機械手臂相關理論介紹...36
3.1機械手臂基本介紹...36
3.2正向運動學...37
3.3逆向運動學...40
3.4 Z-Y-X 尤拉角轉換...41
3.4.1正向尤拉角...41
3.4.2逆向尤拉角...41
3.5法蘭面向量推導...42
3.6機械手臂奇異點...44
3.6.1腕關節奇異點(Wrist Singularity)...44
3.6.2肩關節奇異點(Shoulder Singularity)...45
3.6.3肘關節奇異點(Wrist Singularity)...46
3.7機械手臂路徑點位插補...47
3.7.1角度插補...47
3.7.2線性插補...49
3.7.3向量插補...51
第四章 車銑複合機相關理論介紹...53
4.1車銑複合機基本介紹...53
4.2正向運動學...54
4.3逆向運動學...55
4.4車銑複合加工種類...56
4.5切削路徑插補...57
第五章 程式介面介紹與驗證...59
5.1機械手臂與車銑複合機模擬介面...59
5.2機械手臂路徑規劃...63
5.2.1關節運動路徑...64
5.2.2線性運動路徑...65
5.2.3逆向運動學選解...66
5.3機械手臂奇異點避讓...68
5.3.1腕關節奇異點(Wrist Singularity)...70
5.3.2肩關節奇異點(Shoulder Singularity)...71
5.3.3肘關節奇異點(Elbow Singularity)...72
5.4機械手臂路徑點位驗證...74
5.3.1腕關節奇異點(Wrist Singularity)...74
5.3.2肩關節奇異點(Shoulder Singularity)...79
5.3.3肘關節奇異點(Elbow Singularity)...84
5.5車銑複合機座標位置...89
5.6車削參數導入...91
5.5.1粗車參數...95
5.5.2精車參數...96
5.7銑削參數導入...97
5.8多軸銑削參數導入...102
5.9切削路徑轉換及模擬產生...105
5.9.1刀具路徑轉機台移動數值...106
5.9.2切削模擬...107
第六章 結果與討論...111
6.1機械手臂路徑規劃...111
6.1.1移動路徑...111
6.1.2奇異點避讓...115
6.1.3修正誤差...125
6.2加工物件工法編程及切削模擬...138
6.2.1車削路徑...138
6.2.2銑削路徑...139
6.2.3多軸銑削路徑...140
6.3實機切削測試...141
第七章 結論與未來展望...144
7.1 結論...144
7.2未來展望...146
參考文獻...147
Extended Abstract...151

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[37] MasterCAM，http://www.cytek.com.tw/Product/Mastercam?id=1 (2021.07/23)
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