工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中核心技術(shù)研究

常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系 孫梅

前言

工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研發(fā)中，新技術(shù)、新工藝越來越多，水平越來越高，極大地提升了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平。作為有著較強(qiáng)穩(wěn)定性和靈活性的工業(yè)機(jī)器人，其可以替代人工完成勞動(dòng)強(qiáng)度較大、較為危險(xiǎn)的工作任務(wù)，如物體焊接、貨物搬運(yùn)等。而且，工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中的應(yīng)用，還可以代替人工完成精密度較高的復(fù)雜工件的加工工作。例如，動(dòng)力機(jī)械中常見的離心葉輪，其外形尺寸較為復(fù)雜，加工難度較大，需要在多軸數(shù)控機(jī)床上加工?？傊?，工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中應(yīng)用，可完成復(fù)雜的零件加工，提高加工質(zhì)量、加工效率，降低企業(yè)成本。鑒于此，本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中核心技術(shù)展開研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工業(yè)機(jī)器人簡介

1.1 工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的機(jī)器人，便稱為工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人可模擬人體動(dòng)作，從而取代人工完成某些特定工作[1]。工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)主要包括：第一，模擬人。從機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)上看，工業(yè)機(jī)器人與人類相似，擁有手臂、手腕、腰轉(zhuǎn)、行走部分，且均是計(jì)算機(jī)控制。而且，為了提高機(jī)器人的操作性，還安裝了類似人類的“生物傳感器”，常見的包括負(fù)載傳感器、皮膚型傳感器、視覺傳感器等。第二，工業(yè)機(jī)器人可以進(jìn)行程序編寫。這是由于工業(yè)機(jī)器人的所有行為均是計(jì)算機(jī)控制，在實(shí)際應(yīng)用中，可通過程序編寫，將機(jī)器人運(yùn)用在各種環(huán)境當(dāng)中。換言之，工業(yè)機(jī)器人具有高效率、多品種的作用。第三，通用性。通用性指的是機(jī)器人可以在多種作業(yè)中使用，具體表現(xiàn)在，在執(zhí)行不同業(yè)務(wù)或操作時(shí)，只需要更換手部操作器即可[2]。

1.2 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成大致相同，基本均由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。其中，執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)器人的主體，包括手臂、手腕等，在部分特殊場(chǎng)景中，工業(yè)機(jī)器人還具有行走能力。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成分兩部分，即傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于一種外部設(shè)備，是專門為機(jī)器人作業(yè)而配置的?？刂葡到y(tǒng)的組成包括兩部分，即控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其功能是基于制定系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)發(fā)出的信號(hào)，輸入有關(guān)程序，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行有效控制。

2 工業(yè)機(jī)器人數(shù)控多軸加工機(jī)床設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)機(jī)器人

目前，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，一般均是由微軟windows系統(tǒng)對(duì)PCBASED控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，這也是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的最常見特點(diǎn)之一。PCBASED控制系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程中，利用標(biāo)準(zhǔn)化個(gè)人電腦硬件和規(guī)劃設(shè)置，可以使機(jī)器人的連續(xù)工作時(shí)間超過7.5w小時(shí)，且機(jī)器人的平均使用壽命也可以達(dá)到10～15年之間[3]。借助工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行包裝作業(yè)的時(shí)間相對(duì)較長，新型庫卡機(jī)器人的制作材料主要是聚碳纖維材料，所以機(jī)器人質(zhì)量更輕，且使用性能更高，特別是高負(fù)載的情況下，工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)優(yōu)勢(shì)更加突出。庫卡公司在研發(fā)工業(yè)機(jī)器人的過程中，采用了FEM最優(yōu)操作方式及四軸傾斜式設(shè)計(jì)，其生產(chǎn)的機(jī)器人不僅性能更好，而且維修保養(yǎng)的成本相對(duì)較低。

本文以KR360-2型工業(yè)機(jī)器人為例，對(duì)工業(yè)機(jī)器人在多軸加工過程中的應(yīng)用展開研究。KR360-2型工業(yè)機(jī)器人屬于重負(fù)載機(jī)器人，最高可承受360kg的載荷，其主軸頭可以更換不同作用的機(jī)械手。在實(shí)際應(yīng)用中，加工作業(yè)完成之后，可通過將主軸頭換成抓手更換工件，即實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。而且，KR360-2型工業(yè)機(jī)器人是6個(gè)自由度機(jī)器人，符合離心式葉輪零件的多軸加工需求。此外，KR360-2型工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍也相對(duì)較大，實(shí)際應(yīng)用中便于增加工位，從而提升加工效率[4]。

2.2 多軸機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)模型

KR360-2型工業(yè)機(jī)器人是6個(gè)自由度機(jī)器人，具有廣泛的活動(dòng)角度，且機(jī)器人的主軸頭可根據(jù)不同執(zhí)行任務(wù)來更換，也可以根據(jù)要求，進(jìn)行零件加工作業(yè)?；赨G后置處理數(shù)控程序構(gòu)建中，可以對(duì)6軸機(jī)械手運(yùn)動(dòng)模型展開深入分析，并構(gòu)建相應(yīng)的坐標(biāo)系，以掌握不同機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)相關(guān)性。

KR360-2型工業(yè)機(jī)器人中1、2、3、4、5、6，均是機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。其運(yùn)作過程中的主要結(jié)構(gòu)，即滑動(dòng)平臺(tái)、底座、機(jī)械臂、旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。其中，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的角度和機(jī)械臂長度，對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)范圍具有直接影響[5]。過程中，要構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)6個(gè)自由度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡化，處理成兩個(gè)向量參數(shù)變化，這樣不僅可以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，而且也可以為后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)工作提供支撐。

2.3 基于UG的加工模塊

UG是UnigraphicsNX的簡稱，而UnigraphicsNX是CAD、CAM領(lǐng)域中比較典型的一種軟件，功能非常強(qiáng)大，在家電、軍工業(yè)、船舶業(yè)、航空航天等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。具體而言，UG能夠?yàn)樘摂M產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)提供實(shí)踐驗(yàn)證方案，憑借其強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、生成工程圖、虛擬裝配等功能，為設(shè)計(jì)人員的模塊設(shè)計(jì)工作提供了巨大便利，便于設(shè)計(jì)人員通過有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析等，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性。

設(shè)計(jì)數(shù)控多軸加工體系的過程中，可直接利用數(shù)控代碼在軟件中構(gòu)建三維模型，再生成產(chǎn)品加工方案。而且，UG自帶的后處理器，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的仿真模擬，對(duì)那些需要特殊處理的機(jī)床進(jìn)行定制化開發(fā)，以更好地滿足產(chǎn)品的個(gè)性化需求[6]。在利用UG進(jìn)行基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)時(shí)，可以為設(shè)計(jì)人員提供全面且便捷的操作空間，而且可以生成數(shù)控刀軌。在模塊內(nèi)部，還能夠?qū)φ麄€(gè)加工過程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，從而提高簡單到復(fù)雜的數(shù)控零件加工刀軌的生成速度。此外，利用該軟件還可以準(zhǔn)確計(jì)算刀軌的參數(shù)化差值，從而有效降低系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)間的傳輸負(fù)載。另外還可以有效避免代碼段及刀軌的不連續(xù)性問題，以此來提高規(guī)劃的整體水平。

2.4 編程步驟

設(shè)計(jì)數(shù)控多軸加工體系的過程中，還應(yīng)在軟件NXCAM10.0中加強(qiáng)編程。在正式進(jìn)行編程之前，應(yīng)先進(jìn)行創(chuàng)建工作，并對(duì)刀具軌跡進(jìn)行處理，生成機(jī)床可以識(shí)別的代碼。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

首先，借助CAM獲取CAD模塊。在獲得CAD數(shù)據(jù)模型之后，應(yīng)在模塊上構(gòu)建主模型結(jié)構(gòu)，并同時(shí)在CAM環(huán)境中直接構(gòu)建CAD模型，或者對(duì)CAD模型進(jìn)行優(yōu)化。

其次，利用NX/Manufacturing進(jìn)行加工環(huán)境初始化處理，CAM模型構(gòu)建完成之后，為了確保模型便于加工，還可以對(duì)其進(jìn)行一定調(diào)整和優(yōu)化。在此過程中，加工坐標(biāo)系（MCS）為工件生成加工導(dǎo)軌的主要基準(zhǔn)之一，在實(shí)際加工時(shí)，需要保障MCS和CAM的加工坐標(biāo)系的一致性。由于模型的形狀多種多樣，所以其作用也各不相同，部分適合應(yīng)用于銑削工業(yè)，部分適合應(yīng)用于線切割加工等。其中，在銑削加工中，必須要找好固定軸線和可變軸線，為此必須要對(duì)幾何形狀展開深入分析，并將不會(huì)對(duì)加工結(jié)果產(chǎn)生的面和曲線隱藏起來，以此來獲取更加合理的加工方案。

第三，制定加工方案。在制定加工方案之前，必須要先明確加工對(duì)象和加工區(qū)域，而在加工對(duì)象的選擇上，要以加工類型的差異為依據(jù)。例如，在平面銑削、型腔銑削中，應(yīng)準(zhǔn)確定義部件幾何體和毛坯幾何體，且在固定和多軸銑削過程中，還應(yīng)準(zhǔn)確定義加工輪廓曲面定義。之后，對(duì)加工工藝進(jìn)行規(guī)劃，為確保加工效率，在加工時(shí)通常都是按照粗加工——半精加工——精加工的順序。粗加工是去除大量余量的加工步驟，但對(duì)工件表面的加工精度和加工質(zhì)量的要求不高。后續(xù)可利用精加工對(duì)零件表面的加工質(zhì)量、精度進(jìn)行優(yōu)化，但精加工的效率相對(duì)較低。

第四，完成加工參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置是指切削參數(shù)和非切削參數(shù)的設(shè)置。切削參數(shù)是指各項(xiàng)操作進(jìn)行指定的參數(shù)，如切削方向、切削順序、步距、加工余量、切削模式、磨刀深度等。而非切削參數(shù)指的是進(jìn)刀參數(shù)和退刀參數(shù)、快速進(jìn)給參數(shù)等。設(shè)置時(shí)，應(yīng)結(jié)合加工類型的差異，合理掌控加工參數(shù)。

最后，生成刀具軌跡文件。設(shè)置參數(shù)之后，便可生成正確的刀具軌跡文件，并通過處理器生成NC程序，從而獲得刀具路徑代碼。值得關(guān)注的是，獲取的路徑代碼難以在數(shù)控機(jī)床加工過程中直接應(yīng)用，必須要通過專用后處理器對(duì)生成的NC代碼進(jìn)行處理，以確保其可以在特定的機(jī)床上得以應(yīng)用。而且，在NC程序驗(yàn)證時(shí)，必須要正式投入使用前完成驗(yàn)證，這樣才可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱藏錯(cuò)誤。相比于試切數(shù)控仿真系統(tǒng)，這種方法更加便捷、有效，而且在仿真環(huán)境配置完成之后，還能夠進(jìn)行加工仿真驗(yàn)證，優(yōu)勢(shì)非常明顯。

2.5 加工類型

數(shù)控多軸加工中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，必須要全面掌握其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，及加工類型，NXCAM能夠提供點(diǎn)位加工、銑削加工、線切割加工等多種類型功能。在實(shí)際應(yīng)用中，一般以銑削加工為主。按照主軸是否需要固定，銑削加工包括固定軸線加工與變軸線加工兩種。其中，固定軸銑削加工即刀軸方向不變，加工刀具以球刀為主。而且，在固定軸銑削時(shí)，要驅(qū)動(dòng)幾何體沿著投影方向，在零件表面生成刀位軌跡點(diǎn)，同時(shí)還要避免出現(xiàn)過切或超差問題，刀具依次經(jīng)過刀位軌跡點(diǎn)進(jìn)行加工，刀位軌跡便形成。而變軸銑削顧名思義，就是刀軸方向是變化狀態(tài)，刀具的加工角度可以隨時(shí)變化，以最合適的角度進(jìn)行加工，不僅加工質(zhì)量比較高，而且刀軸的靈活度也比較強(qiáng)，具有加工復(fù)雜工件的能力。而且，變軸銑削的驅(qū)動(dòng)方式也相對(duì)靈活，如流線、曲面、曲線等。在應(yīng)用過程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，科學(xué)選擇驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)幾何體。

3 工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中的具體應(yīng)用

與其他加工方式相比，數(shù)控多軸加工擁有很多優(yōu)勢(shì)，例如有利于提高加工精確度，減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)閿?shù)控多軸加工的坐標(biāo)軸，能夠控制多個(gè)集成化作業(yè)?？煽s減占地面積、縮減生產(chǎn)鏈長度，對(duì)生產(chǎn)管理過程進(jìn)行簡化?？s短新產(chǎn)品的研發(fā)周期等。在多軸加工完成之后，各個(gè)工序之間可以實(shí)現(xiàn)無縫隙配合，以縮短生產(chǎn)實(shí)踐，提高生產(chǎn)效率。工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中應(yīng)用的流程如下：先由工業(yè)機(jī)器人通過2D掃描，對(duì)上料輥道線上存在的箱體進(jìn)行抓取操作。同時(shí)，利用工業(yè)機(jī)器人的傳感器查看上料輥道線上的檢測(cè)點(diǎn)，查看是否還存在工件，若沒有工件，就可以發(fā)送上料指令。之后，當(dāng)機(jī)器人接收到該指令之后，就會(huì)借助3D視覺系統(tǒng)發(fā)出指令，再將其搬運(yùn)到指定機(jī)床上。在此之后，機(jī)床便可以按照指令展開加工、測(cè)量等操作。當(dāng)完成加工后，機(jī)器人還應(yīng)按照指令對(duì)半成品進(jìn)行下料處理，過后再將其運(yùn)送到其他加工機(jī)床上。最后，加工出成品。在儲(chǔ)層品加工完成之后，機(jī)器人會(huì)按照指令，將成品運(yùn)送到下料輥道線上運(yùn)出。

在數(shù)控多軸加工中，需要有加工中心予以支撐，通常情況下加工中心分為立式加工中心、臥式加工中心，而若以回轉(zhuǎn)軸的類型來區(qū)分，則可以分為工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸和立式主軸頭回轉(zhuǎn)。其中，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸在運(yùn)行時(shí)，主軸結(jié)構(gòu)較為簡單，但剛性比較強(qiáng)，成本較低。但是，這類工作臺(tái)的缺點(diǎn)也比較明顯，即設(shè)計(jì)規(guī)模較小，難以承載過重工件，特別是當(dāng)回轉(zhuǎn)角度大于90度時(shí)，工件切削會(huì)增加工作臺(tái)的承載力矩，從而導(dǎo)致載重過大。而對(duì)立式主軸頭回轉(zhuǎn)而言，比較適用于較大的工作臺(tái)，能夠?yàn)榍蛎媲懈畹恼麄€(gè)質(zhì)量提供重要保障。但是，其在實(shí)際應(yīng)用中也存在很多問題，如機(jī)械手臂長度有限、葉輪碰撞等。鑒于此，應(yīng)合理調(diào)整機(jī)械手臂的角度，若機(jī)械手臂無法達(dá)到工作臺(tái)，則要考慮機(jī)械手臂的角度是否合理，及機(jī)械臺(tái)本身的高度是否合理，并進(jìn)行合理調(diào)整。在調(diào)整過程中，需要以原有設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，必須要避免出現(xiàn)盲目更換和替換的問題。除此之外，若機(jī)械手臂的長度不夠，也要考慮是否是因?yàn)闄C(jī)器之間的碰撞摩擦而導(dǎo)致。所以，實(shí)際上，還要進(jìn)行深入分析，找到根本原因，采取針對(duì)性措施，最大限度滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用到數(shù)控多軸加工中，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，和企業(yè)生產(chǎn)效率，而且還可以在滿足不同工序的加工要求的基礎(chǔ)上，最大限度節(jié)約人工成本，從而增加企業(yè)收益，提高企業(yè)綜合實(shí)力及市場(chǎng)競爭力。現(xiàn)階段，數(shù)控化多軸加工技術(shù)，正在向著更加高效、高速的方向發(fā)展。不僅如此，在精度、柔性和多功能上，也是不斷在更新?lián)Q代、推陳出新。但是，以國內(nèi)實(shí)際情況來看，該技術(shù)在我國起步相對(duì)較晚，發(fā)展時(shí)間尚短，很多零件還需要依靠進(jìn)口，不僅成本偏高，而且由于缺乏核心技術(shù)，還會(huì)出現(xiàn)很多難以解決的情況。因此，未來必須要以發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)為主要方向。