機器人模具拋光系統(tǒng)中拋光工具位姿研究

蘇將兵，廖宏誼，成 軍

（桂林電子科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

拋光是模具制造過程中必不可少的工序之一。傳統(tǒng)的模具拋光主要依賴于手工，勞動強度大，耗時長，拋光效率低，拋光效果也難以把握。具有廣泛適用性的六軸關(guān)節(jié)機器人的出現(xiàn)，為實現(xiàn)模具的智能化、自動化拋光提供了可能。因而，基于工業(yè)機器人平臺，開發(fā)適應(yīng)模具自由曲面拋光的實用系統(tǒng)，已成為國內(nèi)外致力研究的課題[1~4]。

拋光工具的位姿，受機器人拋光工藝中多個參數(shù)的影響，如拋光力、拋光傾角、拋光路徑和機器人本身結(jié)構(gòu)等，決定了拋光后能否達到預(yù)期的模具表面粗糙度的要求。本研究就拋光點的提取、拋光點和軌跡點的位姿計算，展開分析和討論。

1 模具加工表面拋光點的生成和提取

為了生成用于機器人拋光用的軌跡點數(shù)據(jù)，首先通過CAD/CAM軟件，生成模具加工表面的刀軌和數(shù)控點位數(shù)據(jù)[5]，然后通過本研究編制的點位數(shù)據(jù)，生成系統(tǒng)提取點位數(shù)據(jù)。通過合理配置數(shù)控點位數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，可以使這些點位數(shù)據(jù)中含有足夠的信息，用來生成工業(yè)機器人用的點位數(shù)據(jù)。

2 工業(yè)機器人拋光過程中拋光工具位姿計算

關(guān)節(jié)機器人在拋光模具表面或型腔時，拋光工具沿著拋光軌跡行走，其微觀行為是連續(xù)地在軌跡上相鄰兩點之間直線或圓弧插補移動。通常在拋光工具的球頭的球心處，建立一個坐標(biāo)系，用于表示拋光工具的位姿。球心的運動軌跡，即為拋光工具的運動軌跡。軌跡點與拋光點是不同的，軌跡點在球心的運動軌跡上，而拋光點為拋光工具與模具加工表面的實際接觸點。

2.1 模具加工表面拋光點的位姿計算

拋光點的位姿計算，依賴于拋光方向和加工表面的法線方向。拋光點位姿的計算方法為：首先通過六軸機器人模具拋光路徑規(guī)劃系統(tǒng)中的點位數(shù)據(jù)提取功能，提取模具加工表面中拋光點的坐標(biāo)和法向矢量，以法線矢量作為拋光點的坐標(biāo)的z軸，則x軸的方向為

y軸的方向，由右手旋轉(zhuǎn)法則得出

模具加工表面拋光點位姿見圖1。

圖1 模具加工表面拋光點位姿

2.2 拋光工具運動軌跡中軌跡點位姿的計算

拋光工具的軌跡點的位姿計算，依賴于拋光工具的球頭半徑、拋光工具的下壓量和相應(yīng)拋光點的位姿。設(shè)拋光工具的球頭球心所位置為oi，球頭半徑為r，拋光工藝要求的下壓量為Δh，拋光傾角為α。計算拋光工具軌跡點位姿時，保證拋光點和拋光工具軌跡點的x軸同向，如圖2所示，其中{S}為全局坐標(biāo)系。

圖2 拋光工具軌跡點位姿與拋光點位姿

從而可得在全局坐標(biāo)系{S}下，模具加工表面拋光點Pi處拋光工具的位姿的齊次矩陣為SToi：

其中，STPi為拋光點位姿{Pi}相對于{S}的齊次變換矩陣。

3 拋光工具的位姿和路徑生成

本研究選用UGNX7.5軟件作為初始點位數(shù)據(jù)生成軟件，生成的模具加工表面的路徑的刀位源數(shù)據(jù)保存在CLSF文件中，使用Visual C++2008開發(fā)平臺，通過MFC和正則表達式技術(shù)，從CLSF文件中提取模具表面的點的坐標(biāo)和法向矢量（圖2），然后通過位姿算法，計算適用于IRB2400L型機器人軌跡點的位姿，然后通過自編的路徑規(guī)劃軟件，生成相應(yīng)的軌跡。

圖3 從CLSF文件中提取拋光點

CLSF文件中刀具移動指令為GOTO指令，具有如下固定格式：

GOTO/-84.7990，-240.8450，93.4380，0.1749487，0.0900292，0.9804528

其中，

-84.7990，-240.8450，93.4380 為刀具的刀位點；

0.1749487，0.0900292，0.9804528 為刀具軸的矢量方向，可設(shè)置為刀位點處的法線方向。

而ABB六關(guān)節(jié)臂機器人的非線性移動指令為MoveJ，具有如下指令格式：

MoveJ Target_10，v100，z100，My NewToolWobj=wobj0；

其中，

My NewTool變量，定義了相對于機器人第六軸坐標(biāo)系的拋光工具的TCP（工具中心點位姿）；

Target_10變量，包含了軌跡點的位姿等其他數(shù)據(jù)；

ν100變量，定義了移動速度；

z100變量，定義了拋光工具以任何方式在兩個軌跡點間移動。

點位數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)首先提取GOTO中的刀位點的坐標(biāo)和刀軸矢量，然后通過拋光工具位姿算法變換為軌跡點位姿，并通過相應(yīng)算法生成ABB機器人MoveJ指令。

4 結(jié)束語

由于商業(yè)化的工業(yè)機器人的封閉控制結(jié)構(gòu)，而拋光工具位姿須預(yù)先給定，在拋光過程中也不能微調(diào)，因此拋光過程中軌跡點的間隔，應(yīng)當(dāng)隨模具加工表面曲率的變化而進行調(diào)整。曲率變化劇烈的表面，軌跡點密集，變化緩慢的表面，軌跡點稀疏一些，這樣才可以保證拋光表面的粗糙度要求。

拋光機器人的各關(guān)節(jié)角，均在一定的角度范圍之內(nèi)，如ABB IRB2400L機器人第三個關(guān)節(jié)軸的可動范圍為（-87.03°～37.97°），而第六關(guān)節(jié)軸的關(guān)節(jié)角的可動范圍為（-400°～+400°），因此拋光工具的可達位置為三維空間的一個子域，并且還存在一些奇異點位姿。因此這需要通過Robot Studio仿真驗證，修正一些不可達的點位姿。

[1]J J Márquez，et al.Process Modeling for Robotic Polishing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2005,(159)：69–82.

[2]Luis Basanez，Jan Rosell.Robotic Polishing Systems[J].IEEE Robotics&Automation Magazine,2005，(9)：35-43.

[3]Fusaomi Nagata，et al.CAD/CAM-based Position/Force Controller for a Mold Polishing Robot[J].Mechatronics，2007，(17)：207–216.

[4]韓光超，張海鷗，王桂蘭.面向金屬模具快速制造的機器人成型加工系統(tǒng)[J].機器人，2006，28(5)：515-518.

[5]溫 正，魏建中.精通UG NX 6.0中文版數(shù)控加工[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[6]蔡自興.機器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.