基于智能制造技術(shù)的碼垛機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中的提升與改造

賴 嘯 劉 勇 郭 晟

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000）

隨著信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的不斷融合，工業(yè)機(jī)器人已超越傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的概念，成為一個(gè)集大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算為一體的產(chǎn)品，擔(dān)當(dāng)起工業(yè)互聯(lián)體系的核心載體。隨著自動化程度的逐步提高，智能物流領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，倉庫、工廠車間、港口、碼頭等許多場所的貨物裝卸工作越來越多。傳統(tǒng)的人工進(jìn)行拆垛、碼垛作業(yè)效率過低。碼垛機(jī)器人在現(xiàn)代物流行業(yè)運(yùn)用十分廣泛，碼垛機(jī)器人的機(jī)械手不但運(yùn)動靈活，而且軌跡精準(zhǔn)，工作效率高。

用于智能制造領(lǐng)域的碼垛機(jī)器人的機(jī)械手可以很好地模仿人類的手腕和臂部的某一些動作，通過事先編好的程序來完成貨物的碼垛、抓取、運(yùn)輸和其他動作。如果進(jìn)行合理改造，碼垛機(jī)器人也可以用于一定程度的數(shù)控編程和生產(chǎn)制造。

1 本項(xiàng)目研究現(xiàn)狀

近幾年，有專家學(xué)者研究出把工業(yè)機(jī)器人和多軸數(shù)控加工機(jī)床結(jié)合起來，代替機(jī)床操作工，更好地提高了生產(chǎn)中的智能化程度和自動化程度。本項(xiàng)目將對碼垛機(jī)器人初始功能進(jìn)行改造與提升，利用多軸數(shù)控機(jī)床的加工優(yōu)勢，在碼垛機(jī)器人的機(jī)械手安裝新的編碼器設(shè)備、傳動裝置和可以安裝刀具的主軸，構(gòu)建碼垛機(jī)器人能夠識別的專用后置處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜零件的數(shù)控加工，并調(diào)整五軸數(shù)控機(jī)床在加工中可能出現(xiàn)的C 軸轉(zhuǎn)動問題，可以大大節(jié)省數(shù)控設(shè)備的資源，提高碼垛機(jī)器人的使用率，最大程度發(fā)揮碼垛機(jī)器人功能運(yùn)用。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路是把原有碼垛機(jī)器人機(jī)械手和多軸數(shù)控加工相融合，滿足無人化加工的需求，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字化工廠全自動機(jī)加工。

2 碼垛機(jī)器人機(jī)械手的數(shù)控加工升級改造

五軸數(shù)控機(jī)床的軸數(shù)較多，運(yùn)動關(guān)系較復(fù)雜，適用于加工船舶螺旋槳、飛機(jī)機(jī)身模具、汽車覆蓋件模具等大型零件或復(fù)雜曲面。本項(xiàng)目提出的方案是在原有碼垛機(jī)器人機(jī)械手的末端執(zhí)行器安裝上可以多軸數(shù)控加工的動力裝置、傳動裝置和可以安裝刀具的主軸，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 安裝新的主軸頭后的機(jī)械手示意圖

由于碼垛機(jī)器人機(jī)械手以前的安裝主軸的位置有限，沒有足夠的空間傳遞動力，本項(xiàng)目是把主軸部件與機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)分離，選用新的主軸用來裝夾刀具以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工。我們改造的方法是將原先主軸拆除，安裝新的主軸頭。本項(xiàng)目研究的碼垛機(jī)器人機(jī)械手的主軸拆除之后，為了給新的主軸頭定位并安裝好，需要保留原有的主軸軸承座。升級改造以后，碼垛機(jī)器人機(jī)械手的新主軸具有能夠提供加工功能和傳動功能的完整部件，包含了內(nèi)置脈沖編碼器、高頻主軸單元、高速軸承、高速電機(jī)、自動換刀裝置、潤滑系統(tǒng)、電主軸本身和冷卻系統(tǒng)。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子安裝在新主軸上面，采用電動機(jī)機(jī)座直接作為新主軸頭的外部零件，使機(jī)械手電動機(jī)與機(jī)床主軸合并起來，跟機(jī)械手的其他零部件一起工作。

碼垛機(jī)器人的外部設(shè)置有機(jī)械本體固定機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)元件、機(jī)械手手臂、抓手元件、末端執(zhí)行器位移調(diào)節(jié)元件以及位置反饋檢測機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。機(jī)械本體固定機(jī)構(gòu)包括槽輪固定塊、軸承座、彈簧卡盤。適當(dāng)?shù)母脑旆椒ㄊ牵翰捎梦恢脵z測和抓取裝置是采用彈簧卡盤與槽輪固定塊的一側(cè)相連，讓彈簧卡盤的外壁與槽輪固定塊內(nèi)側(cè)保持連接。安裝完成以后，升級改造以后的碼垛機(jī)器人機(jī)械手實(shí)用性很強(qiáng)，可以用于航空航天、軍事裝備、精密儀表儀器方面的數(shù)控加工。讓碼垛機(jī)器人機(jī)械手達(dá)到多軸數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)，安裝新主軸以后工藝性能得到了提升。機(jī)械手的刀具是在Z 軸上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動提供主運(yùn)動，A、C 軸為X 軸和Z 軸的旋轉(zhuǎn)軸?，F(xiàn)在假設(shè)A 軸不轉(zhuǎn)動，C 軸圍繞Z 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的情況下，構(gòu)建由機(jī)床原點(diǎn)到工件原點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)逆解。研究機(jī)械手運(yùn)動學(xué)關(guān)系是為碼垛機(jī)器人機(jī)械手?jǐn)?shù)控加工程序后處理奠定基礎(chǔ)。

由圖1 知，從工件原點(diǎn)到機(jī)床參考點(diǎn)（機(jī)床原點(diǎn)）要經(jīng)過兩次移動和旋轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)處理。構(gòu)建的方程是：

式中[T]、[R]是對工件坐標(biāo)系齊次矩陣處理。

式中，DCxDCyDCz表示工件坐標(biāo)系原點(diǎn)與C 轉(zhuǎn)軸的中心點(diǎn)距離，DAxDAyDAz表示C 轉(zhuǎn)軸中心到A 轉(zhuǎn)軸中心的距離。

3 在多軸數(shù)控加工遇到的奇異問題

五軸數(shù)控機(jī)床C 軸轉(zhuǎn)角坐標(biāo)值解出來不唯一，也有可能是角度值不唯一，這種現(xiàn)象形成了多軸數(shù)控加工C軸奇異位置區(qū)。奇異問題常見于帶有C 轉(zhuǎn)軸的五軸機(jī)床，由于C 軸轉(zhuǎn)角與刀軸矢量有關(guān)。而矢量在空間中可以旋轉(zhuǎn)，所以可以定義刀軸矢量的奇異錐體區(qū)域。設(shè)一個(gè)角度誤差允差ε(ε=0.01°)0＜θ(A)≤ε。如圖2 所示，在某自由曲面上一個(gè)點(diǎn)的法矢為(0，0，1)，這個(gè)刀位點(diǎn)的刀軸矢量與Z 軸平行，在這個(gè)法矢附近以允差ε形成一個(gè)奇異錐體區(qū)域，在圓錐面上選取3 個(gè)刀軸矢量，其數(shù)值如表1 中所示。根據(jù)運(yùn)動學(xué)逆解，得出C 軸轉(zhuǎn)角從矢量1 到矢量2、矢量3 分別變化了90°和180°。

圖2 多軸數(shù)控加工奇異點(diǎn)位與奇異錐

在復(fù)雜曲面或自由曲面的數(shù)控編程模塊中，五軸機(jī)床帶有C 軸時(shí)，如果軟件產(chǎn)生的刀路軌跡通過轉(zhuǎn)軸的奇異區(qū)域，則C 軸通常會發(fā)生一個(gè)很大的角度快速回轉(zhuǎn)，經(jīng)常遇到的是180°轉(zhuǎn)動(刀路軌跡一般是要求連續(xù)的)。這樣C 軸運(yùn)動較平動軸滯后，而刀具仍舊旋轉(zhuǎn)切削，進(jìn)而在曲面的表面產(chǎn)生過切等缺陷，甚至導(dǎo)致碰撞或刀具報(bào)廢。

4 碼垛機(jī)器人機(jī)械手?jǐn)?shù)控加工奇異點(diǎn)解決方法

由于多軸數(shù)控加工有可能產(chǎn)生奇異點(diǎn)，我們要考慮借用機(jī)器人機(jī)械手來解決這一問題，以便減少電機(jī)的加速沖擊。本項(xiàng)目提出解決的辦法是對奇異區(qū)位的刀位點(diǎn)進(jìn)行插值，和銑刀刀位軌跡避讓，用來調(diào)整刀位點(diǎn)避開奇異位置。奇異點(diǎn)位插值法就是對銑刀刀位軌跡的切觸點(diǎn)進(jìn)行加密和參數(shù)化處理，一般使用線性插值計(jì)算，插補(bǔ)器計(jì)算出合適的速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手C 轉(zhuǎn)軸的平滑轉(zhuǎn)動。刀位避讓法就是調(diào)整刀觸點(diǎn)及其刀軸矢量以求避開奇異區(qū)域，但有時(shí)對于復(fù)雜曲面，切削路徑可能是唯一的。本項(xiàng)目研究的碼垛機(jī)器人機(jī)械手應(yīng)用這兩種方法來完成測試。刀位點(diǎn)的線性插值與誤差原理如圖3 所示，數(shù)控程序和CAM 軟件均使用G1 的微小直線段來離散曲線和曲面，完成數(shù)控加工。理論路徑為一段直線，實(shí)際運(yùn)動路徑為一段空間弧線，這是由非線性誤差導(dǎo)致的，對刀位點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)，可以明顯減小這類誤差，并使得刀路軌跡平滑。

圖3 刀位點(diǎn)的線性插值與誤差

5 機(jī)械手刀路軌跡進(jìn)行UG、VERICUT 刀路運(yùn)動仿真

本項(xiàng)目借助UG 軟件和VERICUT 軟件，用UG NX10. 0 產(chǎn)生了機(jī)械手實(shí)際加工的刀軌，并在VERICUT中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

在本項(xiàng)目研究的碼垛機(jī)器人機(jī)械手借助了UG NX軟件，模擬生成數(shù)控刀軌，選用復(fù)雜零件離心式葉輪，對其加工過程進(jìn)行模擬仿真和加工驗(yàn)證。復(fù)雜零件離心式葉輪的UG 建模和加工生成刀路如圖4 所示。本項(xiàng)目利用UG 軟件完成所選典型零件離心式葉輪的三維建模，利用UG 加工模塊，通過切削參數(shù)的設(shè)置，生成零件的粗加工和精加工走刀軌跡。然后構(gòu)建本項(xiàng)目研究的碼垛機(jī)器人機(jī)械手能識別的多軸數(shù)控加工專用后處理器，使用構(gòu)建好的后處理器對走刀軌跡進(jìn)行后處理，生成優(yōu)化以后的數(shù)控加工代碼。為后一步利用VERICUT 軟件驗(yàn)證碼垛機(jī)器人機(jī)械手對離心式葉輪的模擬加工做好準(zhǔn)備。

圖4 離心式葉輪的UG 加工模型和生成刀路

UG10.0 常見加工的兩種后處理器，是圖形后處理器Graphics Postprocessor Modul 和NX Post。GPM 后處理方法是一種傳統(tǒng)的方法，用GPM 進(jìn)行后置處理時(shí)，需要使用機(jī)床數(shù)據(jù)文件(MDF)，機(jī)床數(shù)據(jù)文件包含對刀具路徑進(jìn)行后置處理時(shí)所需的機(jī)床數(shù)據(jù)。NX POST 通過建立與機(jī)床控制系統(tǒng)相匹配的兩個(gè)文件一一事件處理文件和定義文件，可以輕松完成從簡單到任意復(fù)雜機(jī)床控制系統(tǒng)的后處理，用戶甚至可以直接修改這兩個(gè)文件實(shí)現(xiàn)用戶特定的信息處理。多軸加工的后處理器比較麻煩，本項(xiàng)目中使用UG/Post 工具與TCL （Tool command language）相結(jié)合來設(shè)計(jì)出碼垛機(jī)器人進(jìn)行多軸加工的后處理器。VERICUT 軟件是一款優(yōu)秀的針對多軸數(shù)控機(jī)床加工仿真和機(jī)械創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件。

本項(xiàng)目所選用的復(fù)雜零件離心式葉輪，利用VERICUT 軟件，建立機(jī)床運(yùn)動仿真、刀具參數(shù)、選用匹配的優(yōu)化路徑，對上一步用UG 軟件生成的數(shù)控程序進(jìn)行機(jī)床仿真和程序校驗(yàn)。復(fù)雜零件離心式葉輪的VERICUT模擬仿真結(jié)果如圖5 所示。仿真驗(yàn)證的結(jié)果說明加工過程無碰撞和過切, 證明了刀路軌跡及運(yùn)動學(xué)方程是合理推正確的。

圖5 復(fù)雜零件離心式葉輪的VERICUT 模擬仿真