工業(yè)機器人在機械加工中的應(yīng)用*

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工業(yè)機器人在機械加工中的應(yīng)用*

趙曉飛，郭麗峰*

(北京石油化工學(xué)院 機械工程學(xué)院，北京102617)

摘要：隨著工業(yè)機器人技術(shù)的快速發(fā)展，其在機械加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)合目前工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在分析國內(nèi)外其發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，就工業(yè)機器人在軌跡規(guī)劃、離線編程、加工精度和誤差補償、剛度等相關(guān)方面技術(shù)的研究，綜合其在機械加工中的應(yīng)用作簡要的綜述。總結(jié)了工業(yè)機器人在機械加工領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)缺點，以及未來發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：機器人加工；軌跡規(guī)劃；離線編程；加工精度；剛度

0引言

工業(yè)機器人作為一種集多種先進技術(shù)于一體的自動化裝備，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高效益、軟硬件結(jié)合等特點，成為柔性制造系統(tǒng)、自動化工廠、計算機集成制造系統(tǒng)等現(xiàn)代化制造系統(tǒng)的重要組成部分。目前，工業(yè)機器人具有柔性好、自動化程度高、可編程性、通用性等特點，已經(jīng)廣泛運用到工業(yè)加工制造的各個方面。

1工業(yè)機器人發(fā)展及應(yīng)用

20 世紀(jì) 60 年代，美國第1臺示教再現(xiàn)型機器人Unimate問世，其控制方式與數(shù)控機床類似，但在外形上由類似于人的手和臂組成。經(jīng)過50多年的發(fā)展，隨著機器人、計算機、控制、機械等技術(shù)的提高，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，工業(yè)機器人在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其是在汽車行業(yè)和制造加工行業(yè)，提高了加工效率與產(chǎn)品的一致性。

作為先進制造業(yè)中典型的機電一體化數(shù)字化裝備，工業(yè)機器人已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。我國工業(yè)機器人的研究從20世紀(jì)80年代開始起步，至今也有了較大的發(fā)展，已基本上掌握了工業(yè)機器人的設(shè)計制造技術(shù)、機器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計等，一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國際先進水平，也開發(fā)了一些不同類型的機器人。

隨著我國勞動力成本的逐年增加，老齡化社會的到來，伴隨著我國經(jīng)濟的高速增長，以汽車等行業(yè)需求為牽引，我國對工業(yè)機器人需求量急劇增加[1]。根據(jù)IFR統(tǒng)計資料，2014年工業(yè)需求量增長高于15%，預(yù)計2015~2017年平均年需求量增長12%左右。其中亞洲對于工業(yè)機器人的需求相對較大，特別是中國、韓國等。海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2014年上半年中國工業(yè)機器人進口數(shù)量規(guī)模達(dá)到34714臺，同比增長92%?？梢?，工業(yè)機器人將是自動化發(fā)展的重要組成力量。

近些年中國制造業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人已廣泛應(yīng)用于焊接、噴涂、組裝、采集和搬運、產(chǎn)品檢測和測試等行業(yè)。就機械加工行業(yè)來說，使用工業(yè)機器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本，提高設(shè)備的利用率，減少人工用量，加快技術(shù)創(chuàng)新速度，提高企業(yè)競爭力等。

2機械加工中的應(yīng)用

工業(yè)機器人可滿足當(dāng)今工業(yè)成本與時間高效性的需求，以及對材料加工的柔性需求，以其高效性、低成本、柔性好等優(yōu)勢，可作為替換傳統(tǒng)機械加工單元的自動化加工設(shè)備。近年來，與數(shù)控加工中心、FMC等其它加工設(shè)備相比，工業(yè)機器人應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點，可適應(yīng)多品種、小批量、現(xiàn)場加工的現(xiàn)代生產(chǎn)要求，可以滿足自由曲面、復(fù)雜型腔等復(fù)雜加工要求。

2.1　軌跡規(guī)劃

機械加工生產(chǎn)過程中，工業(yè)機器人要完成多種運動軌跡以符合生產(chǎn)過程。機器人生成的運動軌跡直接影響零件加工精度及形狀等，為了得到更好的加工質(zhì)量，機器人軌跡規(guī)劃研究有著不可替代的作用。

為此，研究人員針對機器人機械加工軌跡規(guī)劃進行了相關(guān)的研究。李琳等人[2]提出了一種面向復(fù)雜曲面加工的工業(yè)機器人軌跡生成算法，借助CAD/CAM技術(shù)完成復(fù)雜曲面的建模，根據(jù)三角面片各點坐標(biāo)在切片方向上投影的最大和最小值反求與此三角面片相交的切平面，并對三角面片分組，然后推導(dǎo)出三角面片邊上相鄰交點的增量公式，最后通過機器人編程得到復(fù)雜曲面的加工運動軌跡。該算法實現(xiàn)了任意復(fù)雜曲面加工軌跡的生成。陳浣等人[3]采用累加弦長的三次參數(shù)B樣條處理CAM加工表面信息，優(yōu)化工藝參數(shù)，將CNC軌跡轉(zhuǎn)化為機器人運動軌跡，實驗證明可滿足面向復(fù)雜輪廓的現(xiàn)代高速高精度的機械加工要求。韓光超等人[4]開發(fā)了基于CAM軟件模塊的機器人拋光軌跡自動規(guī)劃系統(tǒng)，利用UG CAM軟件中的多軸銑加工功能模塊獲得型腔的表面信息，然后采用輔助區(qū)域驅(qū)動法在復(fù)雜型腔表面映射生成連續(xù)的多軸數(shù)控加工軌跡，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，并將多軸數(shù)控加工軌跡轉(zhuǎn)化成機器人拋光加工軌跡。Luis Gracia等人[5]提出了一種相比雅可比矩陣更為簡單的零空間矩陣計算方法，限制奇異點位置關(guān)節(jié)速度，實現(xiàn)軌跡控制。E. Abele等人[6]提出了一種基于激光掃描工件信息和CAD機械加工STL表面信息相比較的方法，采用DEXEL離散化方法比較數(shù)據(jù)，使用后處理過的機器人路徑，可提高機械加工質(zhì)量。Jung Chang-wook等人[7]提出一種工業(yè)機器人三維曲面加工方法，采用激光位移傳感器采集信息進行路徑補償，計算特定點進行自動路徑生成，減少示教點的數(shù)量及時間，測試不同工具轉(zhuǎn)速、切削深度、工具移動速度條件下加工過程，得到更為合適的加工條件。Wang H等人[8]提出一種基于單目視覺的機器人協(xié)調(diào)磨削表面方法，利用單目視覺獲得三維加工表面信息，采用最小二乘法進行曲線擬合圖像信息，提出了一種三次B樣條算法，生成光滑連續(xù)曲線。由線到面，構(gòu)建三維表面，進行機器人運動軌跡規(guī)劃。

機械加工往往有著不同的機械結(jié)構(gòu)，復(fù)雜性程度高，因工業(yè)機器人的自動化程度高，以成熟的CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機技術(shù)及精密設(shè)備的發(fā)展，從而進行軌跡規(guī)劃和優(yōu)化，將是提高機械加工質(zhì)量的一個重要方面。

2.2　離線編程

工業(yè)機器人是一個可編程的機械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度取決于機器人的編程能力[9]。在機械加工中，應(yīng)用范圍持續(xù)擴大的同時，工作復(fù)雜程度也不斷增加，可以代替數(shù)控機床加工復(fù)雜曲面等。示教編程過程繁瑣、效率低，難以完成對復(fù)雜路徑的規(guī)劃，而離線編程無需機器人本身及其控制系統(tǒng)參與，可根據(jù)不同的工件加工信息進行外部程序編制。

Neto Pedro[10]提出了一種基于CAD圖形的離線編程和仿真方法，用于機器人輔助金屬板彎曲，借助CAD信息輔助機器人單元設(shè)計，更好的用于生產(chǎn)系統(tǒng)。Zhan JM等人[11]通過分析標(biāo)準(zhǔn)NC代碼和機器人編程準(zhǔn)則，開發(fā)了一種基于工業(yè)機器人的自由曲面拋光自動化編程系統(tǒng)。Javier Andres等人[12]開發(fā)了以UG NX為CAM基礎(chǔ)的工業(yè)機器人加工系統(tǒng)，利用NX數(shù)控加工功能產(chǎn)生相應(yīng)的切削加工軌跡及G代碼，應(yīng)用C++及后置處理POST將加工G代碼轉(zhuǎn)換成機器人能夠識別并加工的代碼(TCL)。肖文磊等人[13]以 REIS RV16 工業(yè)機器人為仿真加工平臺，建立切削加工機器人的原型系統(tǒng)，對其后置處理過程的坐標(biāo)系變換、運動學(xué)求解、冗余自由度和奇異點回避問題進行推導(dǎo)和論述。建立切削加工機器人的仿真和后置處理系統(tǒng)平臺，并完成2D和3D樣件的加工。宋鵬飛等人[14]開發(fā)了基于Solidworks的工業(yè)機器人離線編程系統(tǒng)，在Solidworks環(huán)境下建立機器人及其工作環(huán)境仿真模型，利用Solidworks API二次開發(fā)函數(shù)及VC++編程語言，在Solidworks環(huán)境下實現(xiàn)了工業(yè)機器人離線編程仿真系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)實現(xiàn)了工業(yè)機器人位姿坐標(biāo)的精確計算，機器人逆運算及作業(yè)程序自動生成三大功能的系統(tǒng)集成，并對計算結(jié)果進行了運動仿真。

隨著計算機技術(shù)的逐步完善，強大的圖形處理能力和計算能力為機器人機械加工離線編程技術(shù)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展平臺。

2.3　加工精度與誤差補償

精度不僅是衡量機械加工系統(tǒng)整體性能的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，而且將直接影響到工件的加工質(zhì)量。如何提高機器人的加工精度，關(guān)系到整個機器人加工系統(tǒng)的應(yīng)用，不再局限于低精度要求的加工任務(wù)。

畢運波等人[15]研發(fā)了一種機器人自動化制孔系統(tǒng)，孔位法向向量可以根據(jù)產(chǎn)品模型直接獲取，提出一種基于4個激光位移傳感器的法向偏差修正技術(shù)。通過標(biāo)定獲得激光位移傳感器的零點位置和激光方向，繼而根據(jù)傳感器的測量值計算得到加工表面的實際法矢方向，通過調(diào)整機器人姿態(tài)實現(xiàn)孔位法向偏差的修正。Slavkovic Nikola R等人[16]提出一種機器人加工切削力誤差離線補償方法，借助G代碼路徑信息，依據(jù)工具點位置和機械模型切削力計算值，實現(xiàn)一種路徑離線補償方式，降低加工誤差。Roesch Oliver[17]提出了一種基于模型的在線補償策略，以提高加工精度。借助3D激光多普勒振動掃描儀測量數(shù)據(jù)，反饋齒輪、軸承和結(jié)構(gòu)組件的剛度，將參數(shù)應(yīng)用到實時仿真模型中，計算加工過程中力所引起的工具點路徑偏差，將計算偏差傳遞到機器人控制系統(tǒng)中做反向補償。

加工精度的改善和誤差補償機制可大幅度提高加工效率和質(zhì)量，降低產(chǎn)品開發(fā)周期，對于提升我國機械加工技術(shù)水平具有重要意義。

2.4　剛　度

剛度是機器人性能優(yōu)化極為重要的方面，對機器人加工質(zhì)量與加工穩(wěn)定性具有重要影響。雖然機器人可替代傳統(tǒng)CNC設(shè)備進行機械加工，對于一些高精度、剛度要求的生產(chǎn)過程，其應(yīng)用仍有一定的局限性。為解決這類問題，對此進行了相關(guān)的研究。

曲巍崴等人[18]提出一種機器人加工系統(tǒng)剛度性能優(yōu)化方法，基于傳統(tǒng)剛度映射模型，通過辨識實驗獲得機器人關(guān)節(jié)剛度；約束機器人加工位姿、關(guān)節(jié)角度，以機器人末端剛度橢球沿待加工曲面主法矢方向的半軸長度為優(yōu)化指標(biāo)，采用遺傳算法進行機器人姿態(tài)優(yōu)化。Claire Dumas等人[19]建立一種穩(wěn)定的剛度數(shù)學(xué)模型，確定剛度參數(shù)，通過給予末端執(zhí)行器力與力矩，實驗驗證了模型的正確性。Dumas Claire等人[20]提出一種基于工業(yè)機器人零件精加工過程的優(yōu)化方法，建立機器人剛度模型，檢測合成零件信息，綜合末端執(zhí)行器的切削力，判斷最優(yōu)切削方式，確定機器人最佳加工位置。

3展望與總結(jié)

隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)工業(yè)機器人安裝數(shù)量急劇增長，其在機械加工領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)機器人具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點，可加工機械零部件、大型型材、復(fù)雜模型以及雕刻加工等等，同時利用數(shù)控領(lǐng)域的相對較成熟的CAD-CAM技術(shù)，機器人機械加工將成為工業(yè)機器人加工的一個簡便和必然的選擇，在軟件編程、加工應(yīng)用等方面亦得到了一定的發(fā)展。

與傳統(tǒng)數(shù)控機床相比，工業(yè)機器人在機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用受到信息化程度、軌跡規(guī)劃、離線編程、加工精度和剛度等因素的制約，還有一些技術(shù)有待進一步發(fā)展。而且機器人機械加工過程工藝優(yōu)化、誤差補償控制等相關(guān)技術(shù)相對不成熟，如基于CAD-CAM-Robot數(shù)據(jù)鏈的機器人加工自動化系統(tǒng)還沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要做進一步研究開發(fā)。

工業(yè)機器人技術(shù)是先進制造技術(shù)的典型代表，是工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢。隨著國內(nèi)外研究的進步，工業(yè)機器人正往高精度、智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求。

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Application of Industrial Robot in Machining

ZHAO Xiao-fei, GUO Li-feng

(SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China)

Abstract:With the rapid development of robot technology, industrial robots have been widely used in machining fields. Combined the relevant development of robotics and the current developing condition of industrial robots, a brief review on research of its application in machining is proposed, such as trajectory planning, offline programming, machining accuracy and error compensation, and stiffness. Then the advantages and disadvantages of industrial robots in machining application, and future trends are proposed.

Key words:robot machining; path planning; off-line programming; machining precision; rigidity

中圖分類號:TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-4414(2015)03-0113-03

作者簡介：趙曉飛(1992-)，女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：光電檢測與機器人技術(shù)。通訊作者：郭麗峰(1976-)，男，河北石家莊人，副教授，碩導(dǎo)，主要從事機器人技術(shù)、精密測量與儀器智能化、光電測試技術(shù)、醫(yī)療器械與康復(fù)工程等方面的研究。

基金項目：北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計劃項目(編號：CIT&TCD201404104)；北京市屬高校創(chuàng)新團隊建設(shè)提升計劃項目(編號：IDHT20130516)。

*收稿日期：2015-04-15