機(jī)器人在模具加工中的應(yīng)用研究

張永超

駐馬店技師學(xué)院

機(jī)器人在模具加工中的應(yīng)用研究

張永超

駐馬店技師學(xué)院

自工業(yè)革命以來(lái)，人與機(jī)器的關(guān)系就一直受到關(guān)注，新機(jī)器的出現(xiàn)總會(huì)伴隨著對(duì)大量失業(yè)的擔(dān)憂。但是，工業(yè)化的歷史中并沒(méi)有出現(xiàn)因機(jī)器造成的長(zhǎng)期的、大規(guī)模的失業(yè)，技術(shù)進(jìn)步總能創(chuàng)造出新的適合人類(lèi)勞動(dòng)者的工作崗位。機(jī)器人出現(xiàn)之后，人機(jī)關(guān)系有了新的內(nèi)容，機(jī)器和人類(lèi)勞動(dòng)者在崗位上再次調(diào)整分配結(jié)構(gòu)，同時(shí)，人與機(jī)器的關(guān)系也由原來(lái)的操作者與操作對(duì)象向合作伙伴發(fā)生轉(zhuǎn)變。目前，機(jī)器人具有柔性好、自動(dòng)化程度高、可編程性、通用性等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用到工業(yè)加工制造的各個(gè)方面。本文就對(duì)機(jī)器人在模具加工中的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

機(jī)器人；模具加工；應(yīng)用

1 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)

機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)是向“高速，高精，重載，輕量化和智能化”方向發(fā)展。JSME2008年度日本機(jī)械學(xué)會(huì)從技術(shù)重要性不斷增強(qiáng)的機(jī)器人領(lǐng)域的角度，對(duì)機(jī)器人的平均功率比密度、精度、智能化水平等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)(－2030年)。在對(duì)絕對(duì)準(zhǔn)確有要求的機(jī)器人設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，絕對(duì)精度可能會(huì)接近重復(fù)定位精度。通過(guò)材料技術(shù)的進(jìn)步，減輕驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量，提高剛度，提高伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的平均功率比密度。因此，機(jī)器人技術(shù)有如下特點(diǎn):

1)機(jī)器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過(guò)對(duì)過(guò)程實(shí)施檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動(dòng)化水平的最高體現(xiàn)。

2)機(jī)器人與自動(dòng)化成套裝備具備精細(xì)制造、精細(xì)加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點(diǎn)，是繼動(dòng)力機(jī)械、計(jì)算機(jī)之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。

3)機(jī)器人與自動(dòng)化成套裝備是生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測(cè)、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車(chē)整車(chē)及汽車(chē)零部件、工程機(jī)械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

4)機(jī)器人與自動(dòng)化成套技術(shù)，融合了多項(xiàng)學(xué)科，涉及多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，包括機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、智能測(cè)量、建模加工一體化、工廠自動(dòng)化以及精細(xì)物流等先進(jìn)制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強(qiáng)。

2 機(jī)器人在模具加工中的應(yīng)用

2.1 軌跡規(guī)劃

模具加工生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)器人要完成多種運(yùn)動(dòng)軌跡以符合生產(chǎn)過(guò)程。機(jī)器人生成的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(duì)機(jī)器人模具加工軌跡規(guī)劃進(jìn)行了相關(guān)的研究，提出了一種面向復(fù)雜曲面加工的機(jī)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(diǎn)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(duì)三角面片分組，然后推導(dǎo)出三角面片邊上相鄰交點(diǎn)的增量公式，最后通過(guò)機(jī)器人編程得到復(fù)雜曲面的加工運(yùn)動(dòng)軌跡。該算法實(shí)現(xiàn)了任意復(fù)雜曲面加工軌跡的生成。模具加工往往有著不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，復(fù)雜性程度高，因機(jī)器人的自動(dòng)化程度高，以成熟的CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)及精密設(shè)備的發(fā)展，從而進(jìn)行軌跡規(guī)劃和優(yōu)化，將是提高模具加工質(zhì)量的一個(gè)重要方面。

2.2 離線編程

機(jī)器人是一個(gè)可編程的機(jī)械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度取決于機(jī)器人的編程能力。在模具加工中，應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大的同時(shí)，工作復(fù)雜程度也不斷增加，可以代替數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜曲面等。示教編程過(guò)程繁瑣、效率低，難以完成對(duì)復(fù)雜路徑的規(guī)劃，而離線編程無(wú)需機(jī)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(jìn)行外部程序編制。例如，以UGNX為CAM基礎(chǔ)的機(jī)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(jī)器人能夠識(shí)別并加工的代碼(TCL)。還有以R EIS R V16機(jī)器人為仿真加工平臺(tái)，建立切削加工機(jī)器人的原型系統(tǒng)，對(duì)其后置處理過(guò)程的坐標(biāo)系變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、冗余自由度和奇異點(diǎn)回避問(wèn)題進(jìn)行推導(dǎo)和論述。建立切削加工機(jī)器人的仿真和后置處理系統(tǒng)平臺(tái)，并完成2D和3D樣件的加工。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步完善，強(qiáng)大的圖形處理能力和計(jì)算能力為機(jī)器人模具加工離線編程技術(shù)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展平臺(tái)。

2.3 加工精度與誤差補(bǔ)償

精度不僅是衡量模具加工系統(tǒng)整體性能的一個(gè)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(jī)器人的加工精度，關(guān)系到整個(gè)機(jī)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)。加工精度的改善和誤差補(bǔ)償機(jī)制可大幅度提高加工效率和質(zhì)量，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，對(duì)于提升我國(guó)模具加工技術(shù)水平具有重要意義。

2.4 剛度

剛度是機(jī)器人性能優(yōu)化極為重要的方面，對(duì)機(jī)器人加工質(zhì)量與加工穩(wěn)定性具有重要影響。雖然機(jī)器人可替代傳統(tǒng)CNC設(shè)備進(jìn)行模具加工，對(duì)于一些高精度、剛度要求的生產(chǎn)過(guò)程，其應(yīng)用仍有一定的局限性。為解決這類(lèi)問(wèn)題，對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究。例如，基于一種機(jī)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(guò)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)獲得機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度;約束機(jī)器人加工位姿、關(guān)節(jié)角度，以機(jī)器人末端剛度橢球沿待加工曲面主法矢方向的半軸長(zhǎng)度為優(yōu)化指標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)優(yōu)化。

結(jié)語(yǔ)

目前，已有大量的中國(guó)企業(yè)投身機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)和機(jī)器人的制造。以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，也著力加強(qiáng)機(jī)器人在傳統(tǒng)制造業(yè)中的應(yīng)用，希望通過(guò)原有工業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，加速形成生產(chǎn)自動(dòng)化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，徹底解決勞動(dòng)力障礙，重新奪回制造業(yè)特別是長(zhǎng)期已經(jīng)放棄的日常用品制造業(yè)的霸主地位，促使外移產(chǎn)業(yè)回遷。應(yīng)該引起重視的是，在機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)，特別是關(guān)鍵零部件技術(shù)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家仍處于技術(shù)壟斷地位，中國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，仍面臨歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的重大挑戰(zhàn)。

[1]趙春光.微小研拋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與加工系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué),2009.

[2]滕冠.數(shù)控加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用[J].科技傳播,2011,12: 185+192.