随着中国制造业的转型以及人口红利的消失,工业机器人在制造业中逐渐普及开来。工业机器人具有柔性生产,降低工人劳动强度,保护工人安全和节约人力成本的优点,是先进制造业中不可缺少的自动化设备。而离线编程与仿真系统是在计算机环境下,实现机器人作业的虚拟仿真与离线编程。其能提高机器人的作业效率,改善作业质量与保证作业安全。本课题的研究对象为六轴工业机器人的离线编程与仿真系统,其由人机接口、算法库、状态监测、数据分析、数据保存以及通讯接口模块构成。其中,算法库是核心,配合其他模块完成作业的虚拟仿真与离线编辑。人机接口由作业模块与仿真显示模块构成。其中,作业模块根据机器人语言离线编辑作业,仿真显示模块则虚拟显示机械臂作业过程。状态监测模块监测作业过程中的关节超限情况。其他模块,如数据分析模块用于分析关节变化,数据保存模块用于保存作业,通讯接口模块用于PC与运动控制卡间的通讯。本文主要进行了以下研究工作：第二章中,以离线编程与仿真系统的基本组成和机械臂控制原理为切入点,研究了系统的架构和相关控制算法。首先,分析了系统的组成与架构,阐明了各个模块的功能。介绍了六轴机械臂的数学建模原理,就空间刚体的位姿描述,齐次坐标系的变换以及连杆坐标系的建立,进行了详细的说明,并对项目所用的SIASUN_V1机械臂建立了D-H模型。由此阐述了正逆运动学原理,推导了基于分块矩阵的逆运动学算法。对逆运动学的多解性进行了分析,并给出其唯一解的确定方法。其次,为实现轨迹规划,就机械臂末端位姿规划和关节角度规划分别进行了讨论。其中,对于位置规划,介绍了空间直线、圆弧和NURBS自由曲线的规划原理；对于姿态规划,分析了其等效性,给出基于单位四元数的姿态描述方法,提出了C2连续并且旋转可控的姿态规划算法；对于关节空间规划,介绍了C2连续的5次多项式规划原理。然后,基于本项目的开发需要,介绍了LabVIEW Robotics和MathScript RT开发环境或工具包。第三章中,详细论述了离线编程与仿真系统中各个模块的设计思路与实现方法。首先,结合实际项目需求,对系统进行架构设计与模块划分。确定了"LabVIEW Robotics+Matlab+CAD"的模式作为软件开发平台,并详细阐明了程序设计模式与数据结构。其次,对各个模块的设计与实现进行了详细论述。对于仿真模块,规定其构建模式,给出了虚拟场景与机械臂的构建过程。对于算法库,实现与验证了正运动学、空间直线圆弧规划、NURBS自由曲线规划以及关节空间角度规划算法。以SIASUN_V1的D-H模型为基础,实现并验证了基于分块矩阵的逆运动学算法。以Take Robot_V1为基础,实现与验证了C2连续并且旋转可控的姿态规划算法。对于状态监测模块,给出了关节限位原理,并对机械臂末端位置调试,姿态调试以及单关节调试过程中的限位处理,进行了详细的分析与实现。对于作业模块,给出机器人语言相关内容,针对项目需求以及实际进展,设定了机械臂控制指令并构建了作业编辑环境。另外,介绍了数据存储、数据分析与通讯接口模块的设计与实现。第四章中,对离线编程与仿真系统进行了系统集成,并对仿真与实体机械臂的形位一致性以及作业过程予以了测试。结果表明,实体与仿真的形位一致,并且该系统可以完成空间直线、圆弧与矩形等离线轨迹作业的编辑。