基于ROBOGUIDE軟件的機(jī)器人離線編程研究

□ 肖 高

上海電氣集團(tuán)自動(dòng)化工程有限公司 上海 200233

1 研究背景

隨著工業(yè)機(jī)器人的普及和人力成本的上升,工業(yè)機(jī)器人在產(chǎn)品打磨方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與傳統(tǒng)人工相比,機(jī)器人打磨具有工件表面一致性好、生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。更重要的是,機(jī)器人打磨避免了手工打磨過(guò)程中金屬粉塵和體力消耗對(duì)工人身心健康的損害,也降低了人工操作可能發(fā)生安全事故的概率[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年國(guó)內(nèi)安裝打磨機(jī)器人4 628臺(tái),平均價(jià)格約122.5萬(wàn)元/臺(tái),市場(chǎng)規(guī)模約56.7億元。打磨機(jī)器人市場(chǎng)近幾年呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]。

對(duì)機(jī)器人打磨工藝編程,可以采用人工示教和離線編程兩種方式[2]。當(dāng)程序用于復(fù)雜空間曲線和曲面加工時(shí),人工示教方式下點(diǎn)位的精度及其間距控制的質(zhì)量較差,并且人工示教的效率低,隨機(jī)性大,由此造成人工示教方式的加工效果不理想。

離線編程方式能夠在不影響機(jī)器人工作的情況下自動(dòng)進(jìn)行編程,具有可達(dá)性分析、碰撞干涉檢查、節(jié)拍計(jì)算等功能,程序更為安全合理。各大機(jī)器人廠商都推出了離線編程軟件,如發(fā)那科公司的ROBOGUIDE、ABB公司的RobotStudio等[3]。

筆者基于ROBOGUIDE離線編程軟件,針對(duì)球形輪轂法蘭盤的輪廓特點(diǎn),運(yùn)用離線編程和仿真功能,自動(dòng)生成離線程序,解決了工件的實(shí)際安裝偏差問(wèn)題,滿足打磨程序的復(fù)用需求。

2 離線編程程序應(yīng)用

球形輪轂是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵零件,由于體積大、質(zhì)量大,鑄造后工件打磨清理難度和風(fēng)險(xiǎn)較高。目前,球形輪轂的打磨清理方式主要采用人工手持工具進(jìn)行打磨,加工效率低,人工操作差異性大。

球形輪轂外形如圖1所示。該球形輪轂高3 000 mm,質(zhì)量約為20 t,周向均布三個(gè)風(fēng)葉對(duì)接法蘭盤,法蘭盤外徑約為2 300 mm。由于在毛坯件的鑄造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生飛邊、毛刺、分型線等情況,因此要求對(duì)毛坯件法蘭盤邊緣采用打磨工藝進(jìn)行粗加工清理,用自動(dòng)化方式取代人工錘擊和砂輪打磨。

打磨系統(tǒng)由機(jī)器人、快換接口、打磨頭、探針頭、工件旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等部分組成。采用發(fā)那科公司的R-2000iC/210L機(jī)器人,最大工作范圍可達(dá)3 100 mm,重復(fù)精度為0.05 mm,廣泛應(yīng)用于打磨、焊接、搬運(yùn)、去毛刺等工作場(chǎng)景。機(jī)器人末端安裝快換接頭,可以根據(jù)工藝需要,自動(dòng)進(jìn)行打磨頭和探針的更換。探針用于球形輪轂的位置標(biāo)定。工件旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式,可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)面的旋轉(zhuǎn)定位和加工時(shí)的可靠自鎖。

▲圖1 球形輪轂外形

ROBOGUIDE軟件自帶機(jī)器人、工作臺(tái)、夾具等數(shù)模文件,同時(shí)支持從外部導(dǎo)入三維數(shù)模進(jìn)行系統(tǒng)環(huán)境搭建[4]。最為重要的是,ROBOGUIDE軟件可以通過(guò)修正仿真環(huán)境,使仿真環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境一致,從而利用離線程序進(jìn)行實(shí)際加工,節(jié)省工藝調(diào)試時(shí)間。

球形輪轂三維圖如圖2所示。在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人應(yīng)用離線程序前,針對(duì)球形輪轂裝夾的誤差,需要對(duì)球形輪轂位置進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)定。為了提高檢測(cè)精度,采用高精度接觸探針,利用探針尖頂對(duì)球形輪轂位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。為利于離線程序的移植復(fù)用,工件坐標(biāo)系原點(diǎn)一般設(shè)置在圓心o點(diǎn),但是由于球形輪轂中空且尺寸大,o點(diǎn)無(wú)法直接而準(zhǔn)確定位。

▲圖2 球形輪轂三維圖

3 工件坐標(biāo)系標(biāo)定

球形輪轂法蘭盤如圖3所示。設(shè)球形輪轂法蘭盤所在平面為I,機(jī)器人基坐標(biāo)系為B,圓心o點(diǎn)為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn),w為工件坐標(biāo)系的第三坐標(biāo)軸,u、v坐標(biāo)軸可任意定義。球形輪轂法蘭盤上不需要設(shè)置探針定位銷點(diǎn),原因是球形輪轂法蘭盤的位置理論上由圓心o點(diǎn)坐標(biāo)及平面I的單位法向量決定,與u、v坐標(biāo)軸無(wú)關(guān)。圖3中,P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8點(diǎn)為探針順序標(biāo)定點(diǎn)。假設(shè)P1點(diǎn)在工件坐標(biāo)系的u軸上。

▲圖3 球形輪轂法蘭盤

機(jī)器人的工件坐標(biāo)系由六個(gè)數(shù)值定義,即X、Y、Z、W、P、R。X、Y、Z用于表示原點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系B中的位置,W、P、R用于表示工件坐標(biāo)系的姿態(tài)。W為工件坐標(biāo)系繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度,P為工件坐標(biāo)系繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度,R為工件坐標(biāo)系繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)P1、P2、P3三點(diǎn),即可確定圓心o點(diǎn)和平面I。平面I的方程為:

(1)

化為平面一般方程,為:

A1x+B1y+C1z+D1=0

(2)

A1=y1z2-y1z3-z1y2+z1y3+y2z3-y3z2

(3)

B1=-x1z2+x1z3+z1x2-z1x3-x2z3+x3z2

(4)

C1=x1y2-x1y3-y1x2+y1x3+x2y3-x3y2

(5)

D1=-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x3y1z2

-x2y3z1+x3y2z1

(6)

P1、P2、P3三點(diǎn)到圓心o點(diǎn)的距離相等,均設(shè)為R,于是有:

R2=(x1-x0)2+(y1-y0)2+(z1-z0)2

(7)

R2=(x2-x0)2+(y2-y0)2+(z2-z0)2

(8)

R2=(x3-x0)2+(y3-y0)2+(z3-z0)2

(9)

可轉(zhuǎn)化為:

2(x2-x1)x0+2(y2-y1)y0+2(z2-z1)z0

(10)

2(x3-x1)x0+2(y3-y1)y0+2(z3-z1)z0

(11)

記為:

A2x0+B2y0+C2z0+D2=0

(12)

A3x0+B3y0+C3z0+D3=0

(13)

由式(2)、式(12)、式(13)得到:

(14)

由此,圓心o點(diǎn)坐標(biāo)為:

(15)

于是有:

(16)

(17)

得到:

v=w×u

(18)

工件坐標(biāo)系、機(jī)器人基坐標(biāo)系B之間的轉(zhuǎn)換矩陣R為:

R=RZ(R)RY(P)RX(W)

(19)

工件坐標(biāo)系中u、v、w軸單位向量(1 0 0)、(0 1 0)、(0 0 1)代入式(19),得到:

Bu=RZ(R)RY(P)RX(W)[1 0 0]T

(20)

Bv=RZ(R)RY(P)RX(W)[0 1 0]T

(21)

Bw=RZ(R)RY(P)RX(W)[0 0 1]T

(22)

整理后得到:

R=arctan2(uy,yx)

(23)

P=arctan2(-uzcosR,ux)

(24)

W=arctan2(vz,wz)

(25)

綜合以上分析,(x0,y0,z0,W,P,R)就是工件坐標(biāo)系標(biāo)定時(shí)的直接輸入值,其中,(x0,y0,z0)為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。為了避免標(biāo)定操作時(shí)的人為誤差,進(jìn)行多次標(biāo)定后獲取原點(diǎn)o1、o2、…、on,若其中任意兩點(diǎn)距離大于設(shè)定值,則放棄對(duì)應(yīng)標(biāo)定數(shù)據(jù)點(diǎn)集。這一標(biāo)定算法可以通過(guò)Karel語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),嵌入機(jī)器人控制器,以程序執(zhí)行方式調(diào)用[5]。

4 打磨仿真

使用ROBOGUIDE軟件的仿真功能,可以模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程[6]。在SolidWorks軟件中建立球形輪轂等的數(shù)模[7],以.IGS格式導(dǎo)入ROBOGUIDE軟件[8]。球形輪轂導(dǎo)入Part項(xiàng)資源,工作臺(tái)、刀架座等導(dǎo)入Fixture項(xiàng)資源。

在ROBOGUIDE軟件中,可以對(duì)球形輪轂法蘭盤的待加工外邊緣區(qū)域進(jìn)行多次定位[9],并運(yùn)用工件坐標(biāo)系標(biāo)定算法,獲取標(biāo)定輸入值。球形輪轂法蘭盤的目標(biāo)特征利用CAD-TO-PATH功能中的Closed Loop方式自動(dòng)識(shí)別,提取出球形輪轂法蘭盤外邊緣輪廓曲線[10],進(jìn)而自動(dòng)生成球形輪轂法蘭盤邊緣的離線打磨程序。

在離線自動(dòng)編程功能中,工件坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置在球形輪轂法蘭盤圓環(huán)中心,z軸垂直于球形輪轂法蘭盤平面指向外側(cè)。加工刀具半徑設(shè)置為20 mm,刀具朝向軌跡中心偏轉(zhuǎn)10°。編程的進(jìn)刀點(diǎn)和出刀點(diǎn)設(shè)為P1點(diǎn),安全距離設(shè)置為100 mm。機(jī)器人進(jìn)行去毛刺加工作業(yè)時(shí),首先將刀具快速移動(dòng)到安全點(diǎn),然后以直線方式移動(dòng)到進(jìn)刀點(diǎn),隨后沿加工路徑點(diǎn)打磨加工。完成加工路徑后,移動(dòng)到路徑終點(diǎn),以直線方式抬起刀具至安全點(diǎn)。

ROBOGUIDE軟件自動(dòng)生成打磨程序,刀具跟蹤軌跡如圖4所示。當(dāng)球形輪轂法蘭盤位置和姿態(tài)發(fā)生一定的偏移后,同樣運(yùn)用工件坐標(biāo)系標(biāo)定算法,獲取標(biāo)定輸入值,更新工件坐標(biāo)系。再次運(yùn)行打磨程序,球形輪轂法蘭盤偏移后刀具跟蹤軌跡如圖5所示。

▲圖4 刀具跟蹤軌跡

▲圖5 球形輪轂法蘭盤偏移后刀具跟蹤軌跡

在圖4和圖5中,球形輪轂法蘭盤邊緣的加工軌跡位置均準(zhǔn)確,說(shuō)明工件坐標(biāo)系的標(biāo)定方法準(zhǔn)確。

對(duì)比圖4與圖5,確認(rèn)兩者的刀具姿態(tài)和加工軌跡一致,說(shuō)明自動(dòng)生成的離線程序可以在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人中復(fù)用。

ROBOGUIDE軟件自動(dòng)生成的離線程序可以用于車間現(xiàn)場(chǎng)球形輪轂法蘭盤的加工操作,不需要在球形輪轂上預(yù)先設(shè)置精確的定位點(diǎn),為加工工藝任務(wù)的分工提供了條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用成熟,價(jià)格優(yōu)勢(shì)越來(lái)越顯著。隨著制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇,用工日趨緊張,推廣應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人是大勢(shì)所趨。使用機(jī)器人打磨產(chǎn)品,能保證打磨質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,并且故障率低,保養(yǎng)維修方便,滿足企業(yè)生產(chǎn)的需求。

筆者提供了一種球形輪轂法蘭盤工件坐標(biāo)系標(biāo)定方法,用于擴(kuò)展機(jī)器人離線編程的應(yīng)用,使復(fù)雜軌跡的編程效率得到提高。經(jīng)驗(yàn)證,這一方法可行有效,為復(fù)雜曲面的精確打磨提供了范例。