基于CAD/CAM的機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳拱星，孫美衛(wèi)

(1.黎明職業(yè)大學(xué) 智能制造工程學(xué)院,福建 泉州 362000;2.泉州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)系,福建 泉州 362000)

隨著人們生活水平的提高，雕刻藝術(shù)品的市場(chǎng)需求迅速增加。平面雕刻藝術(shù)品分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是人工雕刻、附加值高的藝術(shù)品；另一類(lèi)是機(jī)器加工、較為便宜的藝術(shù)快消品。近年來(lái)，藝術(shù)快消品的市場(chǎng)需求量逐年增大，大有取代人工雕刻藝術(shù)品的趨勢(shì)[1]。隨著計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(Computer Aided Manufacturing,CAM)和數(shù)控雕刻技術(shù)的發(fā)展，平面雕刻加工領(lǐng)域基本形成了采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)、多軸數(shù)控雕銑機(jī)自動(dòng)加工的工藝流程[2]。數(shù)控雕銑機(jī)自動(dòng)加工技術(shù)成熟、加工精度高，生產(chǎn)工藝流程和配套軟件完善，但是設(shè)備的自由度低、靈活性差、加工尺寸小、價(jià)格昂貴，同時(shí)在加工角度冗余、曲面復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)存在明顯缺陷。因此，平面雕刻行業(yè)急需具有一定冗余自由度、加工尺寸大的雕刻系統(tǒng)，以促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的高質(zhì)量快速發(fā)展。

目前，關(guān)于使用機(jī)器人進(jìn)行平面雕刻加工的研究文獻(xiàn)較少。孫美衛(wèi)提出的基于一種專(zhuān)業(yè)立體浮雕CAD/CAM的串聯(lián)機(jī)器人浮雕加工系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)浮雕的機(jī)器人自動(dòng)加工，但通用性較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，不利于設(shè)備的推廣[2]。馮亮友等采用機(jī)器人加工的坐標(biāo)系映射方法，實(shí)現(xiàn)CAM空間與作業(yè)空間的坐標(biāo)映射，并提出了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過(guò)程的誤差消除方法，但是未提及CAM空間與機(jī)器人離線編程空間的轉(zhuǎn)換方法，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平面雕刻技術(shù)的廣泛應(yīng)用[3]。楊軼焬提出的機(jī)器人加工坐標(biāo)擬合方法，能夠?qū)C(jī)器人加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，但其只能對(duì)單維度曲線進(jìn)行擬合而難以實(shí)現(xiàn)多維度的曲面擬合，無(wú)法滿足平面三維加工的應(yīng)用需求[4]。本文擬解決平面雕刻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)——基于CAD/CAM的機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。鑒于UG、Pro/E、Solidworks等主流三維建模軟件均具有G代碼的生成功能，本文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，基于雕刻模型的數(shù)控加工G代碼，通過(guò)待加工藝術(shù)品的數(shù)控加工G代碼和加工軌跡轉(zhuǎn)換程序，將軌跡模型轉(zhuǎn)換為機(jī)器人加工軌跡，并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換生成離線加工文件[5]，為UR-3機(jī)器人進(jìn)行平面雕刻加工創(chuàng)造條件。

1 機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于CAD/CAM的機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)主要包括：雕刻機(jī)器人、數(shù)控加工G代碼、基于CAD/CAM軟件的軌跡模型、機(jī)器人加工軌跡(見(jiàn)圖1)。該系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)不同的CAD/CAM建模軟件進(jìn)行自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加工軌跡的自動(dòng)生成、自動(dòng)轉(zhuǎn)換以及工藝的自動(dòng)優(yōu)化；能根據(jù)不同的三維模型，生成數(shù)控加工軌跡和機(jī)器人離線編程加工文件。采用自主開(kāi)發(fā)的加工軌跡轉(zhuǎn)換程序，可將數(shù)控加工G代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器人加工軌跡。

(a)雕刻機(jī)器人

在完成建模后，應(yīng)采用16位二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)模型加工點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。加工軌跡轉(zhuǎn)換程序的轉(zhuǎn)換精度為：1/216×縮放比例，單位為mm。機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)所用機(jī)械臂的重復(fù)定位精度為 0.15 mm。相對(duì)于數(shù)控雕銑機(jī)而言，六關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)械臂存在一定的剛度缺陷，導(dǎo)致平面雕刻的實(shí)際精度會(huì)受加工基材剛度的影響。因此，該系統(tǒng)比較適合進(jìn)行尺寸大、表面復(fù)雜而基材剛度小的平面雕刻品的加工[2]。對(duì)于木材、玉器、石灰?guī)r、泡沫等材料來(lái)說(shuō)，機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)的加工誤差可控制在 0.25 mm 以下，能夠滿足大部分雕刻快消品的加工工藝要求。

2 加工軌跡文件轉(zhuǎn)換的流程

加工軌跡的文件轉(zhuǎn)換是機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。機(jī)器人平面雕刻加工需將數(shù)控加工G代碼轉(zhuǎn)換成六關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)械臂可執(zhí)行的離線編程文件[1]。應(yīng)通過(guò)分析G代碼的語(yǔ)法規(guī)則及UR-3機(jī)器人離線編程的語(yǔ)法規(guī)則，進(jìn)行G代碼軌跡的信息提取，并按照軌跡同步、工藝相同、速度匹配的原則一步一步地進(jìn)行轉(zhuǎn)換[6]。加工軌跡文件轉(zhuǎn)換的流程如圖2所示。

圖2 加工軌跡文件轉(zhuǎn)換的流程

在設(shè)計(jì)機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)時(shí)，基于CAD/CAM軟件的建模過(guò)程采用的是空間坐標(biāo)系，而加工時(shí)采用的是機(jī)器人世界坐標(biāo)系，因而形成了兩個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系，即3D模型的CAD/CAM空間坐標(biāo)系和雕刻機(jī)器人作業(yè)用的空間坐標(biāo)系[7]。這就需要將加工軌跡的模型空間轉(zhuǎn)換到雕刻機(jī)器人的作業(yè)空間。模型空間與作業(yè)空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可用轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)描述，這里就不贅述了。

3 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和映射標(biāo)定

3.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換可分為平移轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換兩種方式。在機(jī)器人可到達(dá)的作業(yè)空間內(nèi)，疊加使用這兩種轉(zhuǎn)換方式，可實(shí)現(xiàn)在任何空間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換[8]。

坐標(biāo)系平移轉(zhuǎn)換用于方向相同而位置不同的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換(見(jiàn)圖3)。

圖3 坐標(biāo)系平移轉(zhuǎn)換示意圖

對(duì)于3D模型的CAD/CAM空間坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱(chēng)建模坐標(biāo)系)A和雕刻機(jī)器人作業(yè)用的空間坐標(biāo)系(簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)器人坐標(biāo)系)B，可用矢量PAB表示二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系。若PA，PB分別為坐標(biāo)系A(chǔ)中的矢量和坐標(biāo)系B中的矢量，則PB與PA，PAB的關(guān)系為：

PB=PAB+PA

(1)

坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換用于方向不同而位置相同的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換(見(jiàn)圖4)。

圖4 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換示意圖

對(duì)于坐標(biāo)系A(chǔ)和坐標(biāo)系B，可用矢量PAB′表示二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系。若PA′，PB′分別為坐標(biāo)系A(chǔ)中的矢量和坐標(biāo)系B中的矢量，則PB′與PA′，PAB′的關(guān)系為：

PB′=PAB′×PA′

(2)

經(jīng)過(guò)平移轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，矢量PB′可表示為：

(3)

3.2 坐標(biāo)系的映射標(biāo)定

為確保3D模型空間與機(jī)器人作業(yè)空間的一致性,可用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行空間特征點(diǎn)的標(biāo)定，并根據(jù)特征點(diǎn)求得坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。但實(shí)際生產(chǎn)加工時(shí)很難保證每次都能用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x標(biāo)定，因此通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行空間特征點(diǎn)標(biāo)定的方法并不適合在工程中使用。

本文通過(guò)雕刻機(jī)器人作業(yè)空間的特定點(diǎn)來(lái)獲取兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換特征點(diǎn)，并通過(guò)特征點(diǎn)坐標(biāo)的逆解求得轉(zhuǎn)換矩陣，從而求出矢量PAB′和PAB。映射標(biāo)定中，建模坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的實(shí)際位置如圖5所示。

圖5 映射標(biāo)定中兩個(gè)坐標(biāo)系的實(shí)際位置

坐標(biāo)系的映射標(biāo)定過(guò)程在多次循環(huán)迭代和優(yōu)化后，標(biāo)定誤差會(huì)趨于最小，加工軌跡的文件轉(zhuǎn)換精度將會(huì)更高。

4 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡擬合

工業(yè)機(jī)器人的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡通常由多段連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成。各段運(yùn)動(dòng)軌跡銜接的質(zhì)量直接影響著雕刻產(chǎn)品的質(zhì)量及加工系統(tǒng)的工作效率。如果不對(duì)機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)點(diǎn)之間的銜接問(wèn)題進(jìn)行處理，而直接采用減速、停止再全速啟動(dòng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程的抖動(dòng)，而影響雕刻產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，可根據(jù)控制理論，通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃使軌跡銜接點(diǎn)附近的速度和加速度都趨于一致，以防止機(jī)器人工作期間的抖動(dòng)。

本文在設(shè)計(jì)機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)多點(diǎn)樣條曲線對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了多點(diǎn)多維擬合，以提高加工表面的工藝特性。假設(shè)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)軌跡由兩段相鄰的直線段構(gòu)成，且直線段間的軌跡過(guò)渡模型如圖6所示，兩段直線FO、EO相交于O點(diǎn)，兩段直線的夾角為α，則可在點(diǎn)d1到點(diǎn)d7之間構(gòu)造一段微型樣條曲線。

圖6 直線段間的軌跡過(guò)渡模型

通過(guò)加工點(diǎn)d2、d3、d4、d5、d6的三次樣條擬合，將加工誤差控制在0.25 mm以下，同時(shí)，在加工平面上對(duì)X軸方向、Y軸方向的雙維度加工軌跡進(jìn)行擬合，可通過(guò)機(jī)器人的姿態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)擬合角度的調(diào)整[5]。

5 應(yīng)用與討論

基于CAD/CAM的機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)采用的工業(yè)機(jī)器人為UR-3機(jī)械臂。根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，UR-3機(jī)械臂的連桿坐標(biāo)系如圖7所示。機(jī)械臂的連桿參數(shù)如表1所示。UR-3機(jī)械臂具有6個(gè)自由度的轉(zhuǎn)軸。機(jī)器人的關(guān)節(jié)J1繞基坐標(biāo)系的Z0軸轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)J2、J3、J4、J5、J6分別繞Z2、Z3、Z4、Z5、Z6軸轉(zhuǎn)動(dòng)[11]。

表1 UR-3機(jī)械臂的連桿參數(shù)

注：a、b、c均為具有平移轉(zhuǎn)換關(guān)系的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的位移。

所設(shè)計(jì)機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)可用于以石膏、泡沫、木材、玉器、石灰?guī)r等作為基材的工藝品加工。其加工精度由機(jī)器人的重復(fù)定位精度和擬合誤差決定。完成雕刻工藝品的加工后，采用精度為0.01 mm的三維掃描激光器對(duì)工藝品進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比CAD/CAM設(shè)計(jì)文件，取1 000個(gè)點(diǎn)進(jìn)行均方差計(jì)算。結(jié)果表明，工藝品表面的加工誤差可控制在0.25 mm以下，完全能滿足所設(shè)計(jì)工藝品的加工精度要求。圖8所示為機(jī)器人平面雕刻成品。

圖8 機(jī)器人平面雕刻成品

6 結(jié)語(yǔ)

本文采用CAD/CAM軟件設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人平面雕刻系統(tǒng)，對(duì)平面雕刻的模型文件進(jìn)行智能轉(zhuǎn)換，并對(duì)建模坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系進(jìn)行一致性映射標(biāo)定，生成機(jī)器人離線控制文件，實(shí)現(xiàn)了基于CAD/CAM的機(jī)器人平面雕刻加工。