随着我国制造业市场快速多变、产品升级需要,开发具有高生产适用性和能快速试制出样品的自动化装备成为自动化加工行业的焦点。作为自动化行业的典型产品,工业机器人以动作灵活、结构紧凑、通用性强等优点被广泛渗透到自动化生产中的每一个角落,如切割,焊接,装配,喷涂,包装等。本文以船舶制造、海洋工程的快速发展,钢结构切割量急剧增加为背景,研制一台五自由度切割机器人,包括机器人机械本体设计、控制系统搭建、运动学和轨迹规划算法研究,以求机器人能根据工艺要求实现各种板型材、管材、非圆曲面、带坡口相贯曲面等工件的切割。首先介绍了五自由度切割机器人结构,运用修改的D-H方法建立机器人运动学模型,采用反变换法求解运动学逆解。针对逆解中的多解问题,采用柔性准则进行选解,举例计算表明,通过柔顺准则得到的优化关节角曲线平缓,没有角度突变且总的运动角度要小。为了观察机器人的运动,建立了基于Matlab与RecurDyn的联合仿真系统;然后分析了参数曲线切割姿态和切割速度的工艺要求,利用Frenet坐标系描述各种切割姿态,Frenet坐标系随曲线位置点的变化而变化,是“活动”的坐标系,对于描述各点的局部曲线特性十分方便。对于恒速率与可变速率的切割要求,提出了基于泰勒展开的速度控制轨迹规划与插补算法。最后通过跟踪相贯曲线进行了仿真验证,结果表明:机器人在跟踪曲线时能准确保持预期的位姿,跟踪精度与机器人末端速度都能满足预期要求;最后搭建了基于PC与PMAC运动控制卡为核心的机器人硬件控制平台,采用位置和速度双闭环控制结构,实现对机器人各关节的伺服控制;以Visual C++6.0和Windows操作系统作为软件平台,开发了具有示教再现控制和自动编程功能的上位机控制软件。通过五自由度机器人联机调试表明,运动学算法、轨迹规划算法正确;上位机能准确地控制机器人按要求跟踪各种参数曲线,速度波动与轨迹误差满足要求。