機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

滑雪燕

（阜陽技師學(xué)院，安徽 阜陽 236000）

機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

滑雪燕

（阜陽技師學(xué)院，安徽 阜陽 236000）

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，它對先進(jìn)制造技術(shù)的需求也愈加強(qiáng)烈。文章以機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)為代表，多軸數(shù)控機(jī)器人結(jié)合數(shù)字測量為例，闡述了切削型工業(yè)機(jī)器人對復(fù)雜零件加工的完整流程，來證明機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造中的新發(fā)展和優(yōu)勢。

機(jī)電一體化；數(shù)控；工業(yè)機(jī)器人；加工

1 數(shù)控技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

（1）計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的簡介。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控（Hard NC），1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計(jì)算機(jī)代替稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computerized numerical control，簡稱CNC）系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制。CNC系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

直接數(shù)控（DNC）是直接數(shù)控（Direct Numerical Control）的英文簡稱。它是用電子計(jì)算機(jī)對具有數(shù)控裝置的機(jī)床群直接進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制和管理，英文縮寫DNC。直接數(shù)控又稱群控，控制的機(jī)床由幾臺至幾十臺。且直接數(shù)控是在數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

微機(jī)數(shù)控（MNC）是微型計(jì)算機(jī)數(shù)控（Micro-computer Numerical Control）的英文簡稱。它是指用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。

（2）工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是把精密機(jī)械技術(shù)、檢測傳感技術(shù)和自動控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)于一身的集大成者，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作靈活、自由度多等優(yōu)點(diǎn)，可完成工作強(qiáng)度大、生態(tài)環(huán)境惡劣、精度要求高、危險(xiǎn)性大的各項(xiàng)工作。因此，工業(yè)機(jī)器人在自動化程度高的領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，比如汽車制造、航天航空和軍事裝備生產(chǎn)等。

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有以下特點(diǎn)：①用途廣，機(jī)器人只要根據(jù)工作任務(wù)要求配備合適的自由度，就可以勝任大多數(shù)的操作工作。②高可靠性、高速度、高精度，有利于提高生產(chǎn)效率，節(jié)省加工時(shí)間。③靈活、多功能，因操作工具的不同功能也不同，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。④可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動均按程序運(yùn)行，安全可靠。⑤可用于惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境，工作質(zhì)量穩(wěn)定，可提高產(chǎn)品質(zhì)量。⑥從長遠(yuǎn)來看，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行成本比較低，單件產(chǎn)品的投入產(chǎn)出比大，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 運(yùn)用切削型工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工案例

使用末端執(zhí)行器為銑刀的KUKA機(jī)器人加工一個(gè)葉輪零件為例，說明復(fù)雜零件數(shù)控加工的流程可以實(shí)現(xiàn)。

（1）機(jī)器人切削組件。切削加工組件主要包括有數(shù)控主軸、主軸變頻器、主軸轉(zhuǎn)接頭以及輔助加工的工作臺等部件。在切削加工中，最為重要的部分是數(shù)控主軸。常用的數(shù)控主軸有水冷數(shù)控主軸和風(fēng)冷數(shù)控主軸兩種，水冷數(shù)控主軸通過循環(huán)水對主軸進(jìn)行冷卻，風(fēng)冷數(shù)控主軸通過風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，重量較大。機(jī)器人的載荷為6kg，本系統(tǒng)選擇水冷數(shù)控主軸進(jìn)行加工。通過變頻器調(diào)整輸出電壓和工作頻率，可以實(shí)現(xiàn)0~24000rpm無極調(diào)速，具有高速度、低噪聲、低振動、低溫升的特點(diǎn)。

采用主軸變頻器控制轉(zhuǎn)速。將高速數(shù)控主軸通過一個(gè)轉(zhuǎn)接頭固定在工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，安裝上相應(yīng)的加工刀具，再將驅(qū)動電源和數(shù)控主軸連接起來，使用一個(gè)數(shù)控加工的旋轉(zhuǎn)臺，方便泡沫的固定以及加工，即構(gòu)成了一套完整的機(jī)器人切削加工系統(tǒng)。

（2）數(shù)控加工軌跡規(guī)劃。如圖1所示，文章研究的葉輪是數(shù)控多軸加工典型的零件，它是發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵零件，采用普通的三軸加工工藝方法整體性加工難以實(shí)現(xiàn)，特別是對于扭曲葉片，只能使用多軸機(jī)床進(jìn)行加工，才能保證葉片質(zhì)量。目前五軸加工可以實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的整體性加工，但是加工費(fèi)極為昂貴。工業(yè)機(jī)器人具有六個(gè)自由度，在理論上完全可以滿足渦輪葉片的加工。采用專用的代碼轉(zhuǎn)換軟件可以將五軸加工的軌跡轉(zhuǎn)換為機(jī)器人識別的代碼，完成渦輪葉片的加工。

圖1 數(shù)控多軸加工零件

基于UG/CAM模塊完成渦輪葉片五軸加工的軌跡規(guī)劃，UG提供了多軸編程的模塊。如圖2所示，依照UG數(shù)控編程的順序，依次建立加工坐標(biāo)系、加工幾何體以及加工刀具等信息。針對葉輪加工，分為粗、精加工兩道加工工序。為了提高加工效率，粗加工利用平刀采用型腔銑去除大量的剩余材料，最后大致加工出葉片的形狀。但在粗加工時(shí)需留取足夠的余量，以防止切掉型面。加工完成后將刀具改為 6mm的球頭刀進(jìn)行精加工，依次對葉輪表面和葉片表面進(jìn)行軌跡規(guī)劃。在葉輪表面精加工時(shí)，以流線方式驅(qū)動刀軸，刀軸方向垂直于驅(qū)動體。如圖3所示。而精加工葉片以曲面方式驅(qū)動刀軸，刀軸側(cè)刃垂直于驅(qū)動體。等到加工完成，分別將各個(gè)刀軌導(dǎo)出保存，為后續(xù)機(jī)器人實(shí)際加工做好準(zhǔn)備。

圖2 UG數(shù)控編程

圖3 葉輪表面精加工

（3）基于UG/Motion的機(jī)器人加工仿真。通過UG/CAM模塊對加工軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，但是在實(shí)際加工中，由于機(jī)器人自身的結(jié)構(gòu)，必須對加工軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，以防止機(jī)器人產(chǎn)生碰撞和關(guān)節(jié)之間的干涉。若在機(jī)器上試運(yùn)行進(jìn)行檢測，會占用大量時(shí)間，降低機(jī)器人的加工效率。而在UG/Motion環(huán)境中直接對機(jī)器人加工進(jìn)行運(yùn)動仿真分析以及對碰撞和干涉進(jìn)行檢測。因此，基于UG/Motion的機(jī)器人加工仿真相比傳統(tǒng)檢測具有很大優(yōu)勢。

利用 UG/Motion的功能能夠賦予各個(gè)關(guān)節(jié)一定的運(yùn)動特性，再在各個(gè)關(guān)節(jié)之間設(shè)立一定的驅(qū)動關(guān)系，建立一個(gè)運(yùn)動仿真模型。由于UG/Motion可以對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動合理分析工作，諸如干涉檢測、軌跡包絡(luò)等，就可以得到相關(guān)的運(yùn)動參數(shù)。通過對機(jī)器人運(yùn)動仿真模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)運(yùn)動分析就可以驗(yàn)證加工軌跡的合理性，并且可以利用圖形輸出各個(gè)關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)角、加速度和力的變化，不僅可以對機(jī)器人加工實(shí)時(shí)監(jiān)控還可以對加工軌跡進(jìn)行優(yōu)化。

確定如下原則，地基是固定不動的。如圖4所示，A1是繞Z軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為C軸。A2是繞X軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為A軸。A3是繞X軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為A2軸。A4是繞Y軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為B軸。A5是繞X軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為C2軸。A6是繞Y軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為B2軸并且還要在A6上面要加載主軸頭和刀具。

圖4 機(jī)器人三維模型

建立機(jī)器人三維模型后，可通過各種約束限制構(gòu)件之間的相對運(yùn)動，由于工業(yè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)之間主要是旋轉(zhuǎn)副連接，所以想要減少系統(tǒng)的自由度，可以在系統(tǒng)上加約束。然后在UG/Motion中將六個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)置為連桿，添加相應(yīng)的性能參數(shù)。對于KUKA機(jī)器人，對六個(gè)關(guān)節(jié)之間分別建立旋轉(zhuǎn)副，連桿之間相互咬合。在添加約束中，需對機(jī)器人底座添加一個(gè)固定運(yùn)動副，底座固定。建立約束以后，機(jī)器人在約束條件下運(yùn)動。

除了約束以外，還需添加相應(yīng)的驅(qū)動使運(yùn)動模型運(yùn)動。而UG就能提供多種驅(qū)動方式，如：恒定、簡諧、函數(shù)和鉸鏈運(yùn)動驅(qū)動。由于機(jī)器人運(yùn)動軌跡不是規(guī)律的函數(shù)，因此需要將KUKA切削加工系統(tǒng)中生成的各個(gè)關(guān)節(jié)變量值以表格的形式建立成特定的XY函數(shù)作為驅(qū)動函數(shù)。所謂驅(qū)動函數(shù)就是對六個(gè)關(guān)節(jié)分別建立以時(shí)間橫坐標(biāo)，以旋轉(zhuǎn)角度為縱坐標(biāo)的XY函數(shù)。

3 數(shù)字化測量簡述

與三坐標(biāo)接觸式測量相比較，非接觸式三維掃描具有掃描速度快、不接觸物體表面、能對物體多方位視角掃描等優(yōu)點(diǎn)，主要包括：結(jié)構(gòu)光法、激光測量等測量方法。

CREAFORM系列三維掃描儀是具有雙光投影功能的光學(xué)三維掃描系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)LED燈與曝光時(shí)間的控制、相機(jī)拍攝圖像和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，能提供清晰的條紋圖像和白光圖像，配合數(shù)控轉(zhuǎn)臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)物的數(shù)據(jù)獲取.其測量精度達(dá)到0.02 mm，該測量系統(tǒng)將可見光光柵條紋圖像投影到待測物體（鼠標(biāo)）的表面，然后通過CCD將拍攝到的條紋圖像輸入計(jì)算機(jī)，應(yīng)用三維圖像處理軟件，可根據(jù)條紋按照曲率變化的形狀再利用相位法和三角法就能精確計(jì)算出物體表面每一點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，獲得實(shí)物表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后將掃描得到的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入到GEOMAJIC程軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化。由于三維掃描儀不能很精確的測量凹槽部位，就會造成掃描的實(shí)體會缺損部分信息，所以還要在逆向工程中需要對這些部位進(jìn)行填充修補(bǔ)。而數(shù)字化測量目的是檢測，所以可以用其對關(guān)鍵位置進(jìn)行分析。這樣就可以實(shí)現(xiàn)三維掃描技術(shù)快速的精確檢測模型的加工精度。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)制造業(yè)生產(chǎn)自動化和智能化水平的提高，機(jī)電一體化數(shù)控的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地在擴(kuò)大?；跈C(jī)器人離線編程技術(shù)的發(fā)展，多軸數(shù)控機(jī)器人在切削加工領(lǐng)域在未來發(fā)展中有很大的應(yīng)用前景。它們的最大優(yōu)點(diǎn)就是使其原本復(fù)雜的零件經(jīng)加工后會變得容易許多，而且縮短了加工周期，提高了表面的加工質(zhì)量。

［1］陳輝，王磊.機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械，2008，（7）：1-4.

Application of Electromechanical Integrated Numerical Control Technology in Mechanical Manufacturing

HUA Xue-yan
（Fuyang Institute of Technicians，F(xiàn)uyang，Anhui 236000，China）

With the rapid development of China's industry,its demand for advanced manufacturing technology has become stronger.This paper takes the numerical control technology of electromechanical integration and the multi-axis numerical control robot combined with the digital measurement as an example，illustrates the complete process of the machining of complex parts by cutting industrial robots to prove the new development and advantages of mechanical and electrical integration numerical control technology in machinery manufacturing.

electromechanical integratio；numerical control；industrial robots；processing

TH-39

A

2095-980X（2017）04-0025-02

2017-03-07

滑雪燕（1987-），女，安徽阜陽人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：機(jī)械制造技術(shù)。