工業機器人在機械加工中的應用
2015-12-9 來源：數控機床市場網 作者：北京石油化工學院趙曉飛 郭麗峰
摘 要: 隨著工業機器人技術的快速發展,其在機械加工領域得到了廣泛的應用。結合目前工業機器人產業的發展,在分析國內外其發展現狀的基礎上,就工業機器人在軌跡規劃、離線編程、加工精度和誤差補償、剛度等相關方面技術的研究,綜合其在機械加工中的應用作簡要的綜述。總結了工業機器人在機械加工領域應用的優缺點,以及未來發展的趨勢。
關鍵詞:機器人加工;軌跡規劃;離線編程;加工精度;剛度
0 引 言
工業機器人作為一種集多種先進技術于一體的自動化裝備,體現了現代工業技術的高效益、軟硬件結合等特點,成為柔性制造系統、自動化工廠、計算機集成制造系統等現代化制造系統的重要組成部分。目前,工業機器人具有柔性好、自動化程度高、可編程性、通用性等特點,已經廣泛運用到工業加工制造的各個方面。
1 工業機器人發展及應用
20 世紀 60 年代,美國第 1 臺示教再現型機器人Unimate 問世,其控制方式與數控機床類似,但在外形上由類似于人的手和臂組成。經過 50 多年的發展,隨著機器人、計算機、控制、機械等技術的提高,在工業發達國家,工業機器人在越來越多的領域得到了應用,尤其是在汽車行業和制造加工行業,提高了加工效率與產品的一致性。
作為先進制造業中典型的機電一體化數字化裝備,工業機器人已經成為衡量一個國家制造業水平和科技水平的重要標志。我國工業機器人的研究從 20世紀 80 年代開始起步,至今也有了較大的發展,已基本上掌握了工業機器人的設計制造技術、機器人應用中單元和生產線的設計等,一些產品的技術水平已達到國際先進水平,也開發了一些不同類型的機器人。
隨著我國勞動力成本的逐年增加,老齡化社會的到來,伴隨著我國經濟的高速增長,以汽車等行業需求為牽引,我國對工業機器人需求量急劇增加[1]。
根據 IFR 統計資料,2014 年工業需求量增長高于15%,預計 2015 ~2017 年平均年需求量增長 12% 左右。 其中亞洲對于工業機器人的需求相對較大,特別是中國、韓國等。 海關數據統計顯示,2014 年上半年中國工業機器人進口數量規模達到 34714 ,同比增長 92%。 可見,工業機器人將是自動化發展的重要組成力量。
近些年中國制造業的迅速發展,工業機器人已廣泛應用于焊接、噴涂、組裝、采集和搬運、產品檢測試等行業。 就機械加工行業來說,使用工業機器人可以降低廢品率和產品成本,提高設備的利用率,減少人工用量,加快技術創新速度,提高企業競爭力等。
2 機械加工中的應用
工業機器人可滿足當今工業成本與時間高效性的需求,以及對材料加工的柔性需求,以其高效性、低成本、柔性好等優勢,可作為替換傳統機械加工單元的自動化加工設備。 近年來,與數控加工中心、FMC等其它加工設備相比,工業機器人應用于機械加工領域具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優點,可適應多品種、小批量、現場加工的現代生產要求,可以滿足自由曲面、復雜型腔等復雜加工要求。
2. 1 軌跡規劃
機械加工生產過程中,工業機器人要完成多種運動軌跡以符合生產過程。 機器人生成的運動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量,機器人軌跡規劃研究有著不可替代的作用。為此,研究人員針對機器人機械加工軌跡規劃進行了相關的研究。 李琳等人[2]提出了一種面向復雜曲面加工的工業機器人軌跡生成算法,借助 CAD/CAM 技術完成復雜曲面的建模,根據三角面片各點坐標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,并對三角面片分組,然后推導出三角面片邊上相鄰交點的增量公式,最后通過機器人編程得到復雜曲面的加工運動軌跡。 該算法實現了任意復雜曲面加工軌跡的生成。 陳浣等人[3]采用累加弦長的三次參數 B 樣條處理 CAM 加工表面信息,優化工藝參數,將 CNC 軌跡轉化為機器人運動軌跡,實驗證明可滿足面向復雜輪廓的現代高速高精度的機械加工要求。 韓光超等人[4]開發了基于 CAM軟件模塊的機器人拋光軌跡自動規劃系統,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,然后采用輔助區域驅動法在復雜型腔表面映射生成連續的多軸數控加工軌跡,調節工藝參數,并將多軸數控加工軌跡轉化成機器人拋光加工軌跡。Luis Gracia 等人[5]提出了一種相比雅可比矩陣更為簡單的零空間矩陣計算方法,限制奇異點位置關節速度,實現軌跡控制。 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 離散化方法比較數據,使用后處理過的機器人路徑,可提高機械加工質量。Jung Chang-wook 等人[7]提出一種工業機器人三維曲面加工方法,采用激光位移傳感器采集信息進行路徑補償,計算特定點進行自動路徑生成,減少示教點的數量及時間,測試不同工具轉速、切削深度、工具移動速度條件下加工過程,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的機器人協調磨削表面方法,利用單目視覺獲得三維加工表面信息,采用最小二乘法進行曲線擬合圖像信息,提出了一種三次 B 樣條算法,生成光滑連續曲線。 由線到面,構建三維表面,進行機器人運動軌跡規劃。
機械加工往往有著不同的機械結構,復雜性程度高,因工業機器人的自動化程度高,以成熟的 CAD/CAM 技術應用為基礎,結合計算機技術及精密設備的發展,從而進行軌跡規劃和優化,將是提高機械加工質量的一個重要方面。
2. 2 離線編程
工業機器人是一個可編程的機械裝置,其功能的靈活性和智能性很大程度取決于機器人的編程能力[9]。 在機械加工中,應用范圍持續擴大的同時,工作復雜程度也不斷增加,可以代替數控機床加工復雜曲面等。 示教編程過程繁瑣、效率低,難以完成對復雜路徑的規劃,而離線編程無需機器人本身及其控制系統參與,可根據不同的工件加工信息進行外部程序編制。
Neto Pedro[10]提出了一種基于 CAD 圖形的離線編程和仿真方法,用于機器人輔助金屬板彎曲,借助CAD 信息輔助機器人單元設計,更好的用于生產系統。 Zhan JM 等人[11]通過分析標準 NC 代碼和機器人編程準則,開發了一種基于工業機器人的自由曲面拋光自動化編程系統。 Javier Andres 等人[12]開發了以 UG NX 為 CAM 基礎的工業機器人加工系統,利用NX 數控加工功能產生相應的切削加工軌跡及 G 代碼,應用 C++及后置處理 POST 將加工 G 代碼轉換成機器人能夠識別并加工的代碼(TCL)。 肖文磊等人[13]以 REIS RV16 工業機器人為仿真加工平臺,建立切削加工機器人的原型系統,對其后置處理過程的坐標系變換、運動學求解、冗余自由度和奇異點回避問題進行推導和論述。 建立切削加工機器人的仿真和后置處理系統平臺,并完成 2D 和 3D 樣件的加工。宋鵬飛等人[14]開發了基于 Solidworks 的工業機器人離線編程系統,在 Solidworks 環境下建立機器人及其工作環境仿真模型,利用 Solidworks API 二次開發函數及 VC++編程語言,在 Solidworks 環境下實現了工業機器人離線編程仿真系統的設計。 系統實現了工業機器人位姿坐標的精確計算,機器人逆運算及作業程序自動生成三大功能的系統集成,并對計算結果進行了運動仿真。
隨著計算機技術的逐步完善,強大的圖形處理能力和計算能力為機器人機械加工離線編程技術的發展提供了良好的發展平臺。
2. 3 加工精度與誤差補償
精度不僅是衡量機械加工系統整體性能的一個重要標準,而且將直接影響到工件的加工質量。 如何提高機器人的加工精度,關系到整個機器人加工系統的應用,不再局限于低精度要求的加工任務。
畢運波等人[15]研發了一種機器人自動化制孔系統,孔位法向向量可以根據產品模型直接獲取,提出一種基于 4 個激光位移傳感器的法向偏差修正技術。通過標定獲得激光位移傳感器的零點位置和激光方向,繼而根據傳感器的測量值計算得到加工表面的實際法矢方向,通過調整機器人姿態實現孔位法向偏差的修正。 Slavkovic Nikola R 等人[16]提出一種機加工切削力誤差離線補償方法,借助 G 代碼路徑信息,依據工具點位置和機械模型切削力計算值,實現一種路徑離線補償方式,降低加工誤差。 Roesch Oli鄄ver[17]提出了一種基于模型的在線補償策略,以提高加工精度。 借助 3D 激光多普勒振動掃描儀測量數據,反饋齒輪、軸承和結構組件的剛度,將參數應用到實時仿真模型中,計算加工過程中力所引起的工具點路徑偏差,將計算偏差傳遞到機器人控制系統中做反向補償。
加工精度的改善和誤差補償機制可大幅度提高加工效率和質量,降低產品開發周期,對于提升我國機械加工技術水平具有重要意義。
2. 4 剛 度
剛度是機器人性能優化極為重要的方面,對機器人加工質量與加工穩定性具有重要影響。 雖然機器人可替代傳統 CNC 設備進行機械加工,對于一些高精度、剛度要求的生產過程,其應用仍有一定的局限性。為解決這類問題,對此進行了相關的研究。曲巍崴等人[18]提出一種機器人加工系統剛度性能優化方法,基于傳統剛度映射模型,通過辨識實驗獲得機器人關節剛度;約束機器人加工位姿、關節角度,以機器人末端剛度橢球沿待加工曲面主法矢方向的半軸長度為優化指標,采用遺傳算法進行機器人姿態優化。 Claire Dumas 等人[19]建立一種穩定的剛度數學模型,確定剛度參數,通過給予末端執行器力與力矩,實驗驗證了模型的正確性。 Dumas Claire 等人[20]提出一種基于工業機器人零件精加工過程的優化方法,建立機器人剛度模型,檢測合成零件信息,綜合末端執行器的切削力,判斷最優切削方式,確定機器人最佳加工位置。
3 展望與總結
隨著機器人技術的快速發展,國內工業機器人安裝數量急劇增長,其在機械加工領域也得到了廣泛的應用。 工業機器人具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優點,可加工機械零部件、大型型材、復雜模型以及雕刻加工等等,同時利用數控領域的相對較成熟的 CAD-CAM 技術,機器人機械加工將成為工業機器人加工的一個簡便和必然的選擇,在軟件編程、加工應用等方面亦得到了一定的發展。
與傳統數控機床相比,工業機器人在機械加工領域的應用受到信息化程度、軌跡規劃、離線編程、加工精度和剛度等因素的制約,還有一些技術有待進一步發展。而且機器人機械加工過程工藝優化、誤差補償控制等相關技術相對不成熟,如基于 CAD-CAM-Ro鄄bot 數據鏈的機器人加工自動化系統還沒有行業標準,需要做進一步研究開發。
工業機器人技術是先進制造技術的典型代表,是工業自動化發展的必然趨勢。隨著國內外研究的進步,工業機器人正往高精度、智能化方向發展,以適應產業需求。
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