工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工中的應(yīng)用
2015-12-9 來(lái)源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)網(wǎng) 作者：北京石油化工學(xué)院趙曉飛 郭麗峰
摘 要: 隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展,其在機(jī)械加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)合目前工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在分析國(guó)內(nèi)外其發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,就工業(yè)機(jī)器人在軌跡規(guī)劃、離線編程、加工精度和誤差補(bǔ)償、剛度等相關(guān)方面技術(shù)的研究,綜合其在機(jī)械加工中的應(yīng)用作簡(jiǎn)要的綜述。總結(jié)了工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn),以及未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:機(jī)器人加工;軌跡規(guī)劃;離線編程;加工精度;剛度
0 引 言
工業(yè)機(jī)器人作為一種集多種先進(jìn)技術(shù)于一體的自動(dòng)化裝備,體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高效益、軟硬件結(jié)合等特點(diǎn),成為柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化工廠、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等現(xiàn)代化制造系統(tǒng)的重要組成部分。目前,工業(yè)機(jī)器人具有柔性好、自動(dòng)化程度高、可編程性、通用性等特點(diǎn),已經(jīng)廣泛運(yùn)用到工業(yè)加工制造的各個(gè)方面。
1 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用
20 世紀(jì) 60 年代,美國(guó)第 1 臺(tái)示教再現(xiàn)型機(jī)器人Unimate 問(wèn)世,其控制方式與數(shù)控機(jī)床類似,但在外形上由類似于人的手和臂組成。經(jīng)過(guò) 50 多年的發(fā)展,隨著機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)械等技術(shù)的提高,在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,工業(yè)機(jī)器人在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用,尤其是在汽車行業(yè)和制造加工行業(yè),提高了加工效率與產(chǎn)品的一致性。
作為先進(jìn)制造業(yè)中典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備,工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的研究從 20世紀(jì) 80 年代開(kāi)始起步,至今也有了較大的發(fā)展,已基本上掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、機(jī)器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)等,一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,也開(kāi)發(fā)了一些不同類型的機(jī)器人。
隨著我國(guó)勞動(dòng)力成本的逐年增加,老齡化社會(huì)的到來(lái),伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng),以汽車等行業(yè)需求為牽引,我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求量急劇增加[1]。
根據(jù) IFR 統(tǒng)計(jì)資料,2014 年工業(yè)需求量增長(zhǎng)高于15%,預(yù)計(jì) 2015 ~2017 年平均年需求量增長(zhǎng) 12% 左右。 其中亞洲對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的需求相對(duì)較大,特別是中國(guó)、韓國(guó)等。 海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,2014 年上半年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)口數(shù)量規(guī)模達(dá)到 34714 ,同比增長(zhǎng) 92%。 可見(jiàn),工業(yè)機(jī)器人將是自動(dòng)化發(fā)展的重要組成力量。
近些年中國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于焊接、噴涂、組裝、采集和搬運(yùn)、產(chǎn)品檢測(cè)試等行業(yè)。 就機(jī)械加工行業(yè)來(lái)說(shuō),使用工業(yè)機(jī)器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本,提高設(shè)備的利用率,減少人工用量,加快技術(shù)創(chuàng)新速度,提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等。
2 機(jī)械加工中的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)器人可滿足當(dāng)今工業(yè)成本與時(shí)間高效性的需求,以及對(duì)材料加工的柔性需求,以其高效性、低成本、柔性好等優(yōu)勢(shì),可作為替換傳統(tǒng)機(jī)械加工單元的自動(dòng)化加工設(shè)備。 近年來(lái),與數(shù)控加工中心、FMC等其它加工設(shè)備相比,工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域具有成本低、自動(dòng)化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn),可適應(yīng)多品種、小批量、現(xiàn)場(chǎng)加工的現(xiàn)代生產(chǎn)要求,可以滿足自由曲面、復(fù)雜型腔等復(fù)雜加工要求。
2. 1 軌跡規(guī)劃
機(jī)械加工生產(chǎn)過(guò)程中,工業(yè)機(jī)器人要完成多種運(yùn)動(dòng)軌跡以符合生產(chǎn)過(guò)程。 機(jī)器人生成的運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響零件加工精度及形狀等,為了得到更好的加工質(zhì)量,機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究有著不可替代的作用。為此,研究人員針對(duì)機(jī)器人機(jī)械加工軌跡規(guī)劃進(jìn)行了相關(guān)的研究。 李琳等人[2]提出了一種面向復(fù)雜曲面加工的工業(yè)機(jī)器人軌跡生成算法,借助 CAD/CAM 技術(shù)完成復(fù)雜曲面的建模,根據(jù)三角面片各點(diǎn)坐標(biāo)在切片方向上投影的最大和最小值反求與此三角面片相交的切平面,并對(duì)三角面片分組,然后推導(dǎo)出三角面片邊上相鄰交點(diǎn)的增量公式,最后通過(guò)機(jī)器人編程得到復(fù)雜曲面的加工運(yùn)動(dòng)軌跡。 該算法實(shí)現(xiàn)了任意復(fù)雜曲面加工軌跡的生成。 陳浣等人[3]采用累加弦長(zhǎng)的三次參數(shù) B 樣條處理 CAM 加工表面信息,優(yōu)化工藝參數(shù),將 CNC 軌跡轉(zhuǎn)化為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡,實(shí)驗(yàn)證明可滿足面向復(fù)雜輪廓的現(xiàn)代高速高精度的機(jī)械加工要求。 韓光超等人[4]開(kāi)發(fā)了基于 CAM軟件模塊的機(jī)器人拋光軌跡自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng),利用 UGCAM 軟件中的多軸銑加工功能模塊獲得型腔的表面信息,然后采用輔助區(qū)域驅(qū)動(dòng)法在復(fù)雜型腔表面映射生成連續(xù)的多軸數(shù)控加工軌跡,調(diào)節(jié)工藝參數(shù),并將多軸數(shù)控加工軌跡轉(zhuǎn)化成機(jī)器人拋光加工軌跡。Luis Gracia 等人[5]提出了一種相比雅可比矩陣更為簡(jiǎn)單的零空間矩陣計(jì)算方法,限制奇異點(diǎn)位置關(guān)節(jié)速度,實(shí)現(xiàn)軌跡控制。 E. Abele 等人[6]提出了一種基于激光掃描工件信息和 CAD 機(jī)械加工 STL 表面信息相比較的方法,采用 DEXEL 離散化方法比較數(shù)據(jù),使用后處理過(guò)的機(jī)器人路徑,可提高機(jī)械加工質(zhì)量。Jung Chang-wook 等人[7]提出一種工業(yè)機(jī)器人三維曲面加工方法,采用激光位移傳感器采集信息進(jìn)行路徑補(bǔ)償,計(jì)算特定點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)路徑生成,減少示教點(diǎn)的數(shù)量及時(shí)間,測(cè)試不同工具轉(zhuǎn)速、切削深度、工具移動(dòng)速度條件下加工過(guò)程,得到更為合適的加工條件。Wang H 等人[8]提出一種基于單目視覺(jué)的機(jī)器人協(xié)調(diào)磨削表面方法,利用單目視覺(jué)獲得三維加工表面信息,采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合圖像信息,提出了一種三次 B 樣條算法,生成光滑連續(xù)曲線。 由線到面,構(gòu)建三維表面,進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。
機(jī)械加工往往有著不同的機(jī)械結(jié)構(gòu),復(fù)雜性程度高,因工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化程度高,以成熟的 CAD/CAM 技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ),結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)及精密設(shè)備的發(fā)展,從而進(jìn)行軌跡規(guī)劃和優(yōu)化,將是提高機(jī)械加工質(zhì)量的一個(gè)重要方面。
2. 2 離線編程
工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)可編程的機(jī)械裝置,其功能的靈活性和智能性很大程度取決于機(jī)器人的編程能力[9]。 在機(jī)械加工中,應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大的同時(shí),工作復(fù)雜程度也不斷增加,可以代替數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜曲面等。 示教編程過(guò)程繁瑣、效率低,難以完成對(duì)復(fù)雜路徑的規(guī)劃,而離線編程無(wú)需機(jī)器人本身及其控制系統(tǒng)參與,可根據(jù)不同的工件加工信息進(jìn)行外部程序編制。
Neto Pedro[10]提出了一種基于 CAD 圖形的離線編程和仿真方法,用于機(jī)器人輔助金屬板彎曲,借助CAD 信息輔助機(jī)器人單元設(shè)計(jì),更好的用于生產(chǎn)系統(tǒng)。 Zhan JM 等人[11]通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn) NC 代碼和機(jī)器人編程準(zhǔn)則,開(kāi)發(fā)了一種基于工業(yè)機(jī)器人的自由曲面拋光自動(dòng)化編程系統(tǒng)。 Javier Andres 等人[12]開(kāi)發(fā)了以 UG NX 為 CAM 基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器人加工系統(tǒng),利用NX 數(shù)控加工功能產(chǎn)生相應(yīng)的切削加工軌跡及 G 代碼,應(yīng)用 C++及后置處理 POST 將加工 G 代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器人能夠識(shí)別并加工的代碼(TCL)。 肖文磊等人[13]以 REIS RV16 工業(yè)機(jī)器人為仿真加工平臺(tái),建立切削加工機(jī)器人的原型系統(tǒng),對(duì)其后置處理過(guò)程的坐標(biāo)系變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、冗余自由度和奇異點(diǎn)回避問(wèn)題進(jìn)行推導(dǎo)和論述。 建立切削加工機(jī)器人的仿真和后置處理系統(tǒng)平臺(tái),并完成 2D 和 3D 樣件的加工。宋鵬飛等人[14]開(kāi)發(fā)了基于 Solidworks 的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng),在 Solidworks 環(huán)境下建立機(jī)器人及其工作環(huán)境仿真模型,利用 Solidworks API 二次開(kāi)發(fā)函數(shù)及 VC++編程語(yǔ)言,在 Solidworks 環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人位姿坐標(biāo)的精確計(jì)算,機(jī)器人逆運(yùn)算及作業(yè)程序自動(dòng)生成三大功能的系統(tǒng)集成,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步完善,強(qiáng)大的圖形處理能力和計(jì)算能力為機(jī)器人機(jī)械加工離線編程技術(shù)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展平臺(tái)。
2. 3 加工精度與誤差補(bǔ)償
精度不僅是衡量機(jī)械加工系統(tǒng)整體性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn),而且將直接影響到工件的加工質(zhì)量。 如何提高機(jī)器人的加工精度,關(guān)系到整個(gè)機(jī)器人加工系統(tǒng)的應(yīng)用,不再局限于低精度要求的加工任務(wù)。
畢運(yùn)波等人[15]研發(fā)了一種機(jī)器人自動(dòng)化制孔系統(tǒng),孔位法向向量可以根據(jù)產(chǎn)品模型直接獲取,提出一種基于 4 個(gè)激光位移傳感器的法向偏差修正技術(shù)。通過(guò)標(biāo)定獲得激光位移傳感器的零點(diǎn)位置和激光方向,繼而根據(jù)傳感器的測(cè)量值計(jì)算得到加工表面的實(shí)際法矢方向,通過(guò)調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)實(shí)現(xiàn)孔位法向偏差的修正。 Slavkovic Nikola R 等人[16]提出一種機(jī)加工切削力誤差離線補(bǔ)償方法,借助 G 代碼路徑信息,依據(jù)工具點(diǎn)位置和機(jī)械模型切削力計(jì)算值,實(shí)現(xiàn)一種路徑離線補(bǔ)償方式,降低加工誤差。 Roesch Oli鄄ver[17]提出了一種基于模型的在線補(bǔ)償策略,以提高加工精度。 借助 3D 激光多普勒振動(dòng)掃描儀測(cè)量數(shù)據(jù),反饋齒輪、軸承和結(jié)構(gòu)組件的剛度,將參數(shù)應(yīng)用到實(shí)時(shí)仿真模型中,計(jì)算加工過(guò)程中力所引起的工具點(diǎn)路徑偏差,將計(jì)算偏差傳遞到機(jī)器人控制系統(tǒng)中做反向補(bǔ)償。
加工精度的改善和誤差補(bǔ)償機(jī)制可大幅度提高加工效率和質(zhì)量,降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,對(duì)于提升我國(guó)機(jī)械加工技術(shù)水平具有重要意義。
2. 4 剛 度
剛度是機(jī)器人性能優(yōu)化極為重要的方面,對(duì)機(jī)器人加工質(zhì)量與加工穩(wěn)定性具有重要影響。 雖然機(jī)器人可替代傳統(tǒng) CNC 設(shè)備進(jìn)行機(jī)械加工,對(duì)于一些高精度、剛度要求的生產(chǎn)過(guò)程,其應(yīng)用仍有一定的局限性。為解決這類問(wèn)題,對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)的研究。曲巍崴等人[18]提出一種機(jī)器人加工系統(tǒng)剛度性能優(yōu)化方法,基于傳統(tǒng)剛度映射模型,通過(guò)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)獲得機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度;約束機(jī)器人加工位姿、關(guān)節(jié)角度,以機(jī)器人末端剛度橢球沿待加工曲面主法矢方向的半軸長(zhǎng)度為優(yōu)化指標(biāo),采用遺傳算法進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)優(yōu)化。 Claire Dumas 等人[19]建立一種穩(wěn)定的剛度數(shù)學(xué)模型,確定剛度參數(shù),通過(guò)給予末端執(zhí)行器力與力矩,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。 Dumas Claire 等人[20]提出一種基于工業(yè)機(jī)器人零件精加工過(guò)程的優(yōu)化方法,建立機(jī)器人剛度模型,檢測(cè)合成零件信息,綜合末端執(zhí)行器的切削力,判斷最優(yōu)切削方式,確定機(jī)器人最佳加工位置。
3 展望與總結(jié)
隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人安裝數(shù)量急劇增長(zhǎng),其在機(jī)械加工領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。 工業(yè)機(jī)器人具有成本低、自動(dòng)化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn),可加工機(jī)械零部件、大型型材、復(fù)雜模型以及雕刻加工等等,同時(shí)利用數(shù)控領(lǐng)域的相對(duì)較成熟的 CAD-CAM 技術(shù),機(jī)器人機(jī)械加工將成為工業(yè)機(jī)器人加工的一個(gè)簡(jiǎn)便和必然的選擇,在軟件編程、加工應(yīng)用等方面亦得到了一定的發(fā)展。
與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比,工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用受到信息化程度、軌跡規(guī)劃、離線編程、加工精度和剛度等因素的制約,還有一些技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。而且機(jī)器人機(jī)械加工過(guò)程工藝優(yōu)化、誤差補(bǔ)償控制等相關(guān)技術(shù)相對(duì)不成熟,如基于 CAD-CAM-Ro鄄bot 數(shù)據(jù)鏈的機(jī)器人加工自動(dòng)化系統(tǒng)還沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),需要做進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表,是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)外研究的進(jìn)步,工業(yè)機(jī)器人正往高精度、智能化方向發(fā)展,以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求。
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