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工業機器人在機械加工中的應（yīng）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（zhāi）要: 隨著工業機器人技術的快速發展,其在機械（xiè）加工領域得到了（le）廣泛的（de）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（zhuàng）的基（jī）礎上,就工業機器人在軌跡規（guī）劃、離線編程、加工精度和誤差補償、剛度等相關方麵技術（shù）的研究,綜合其在機械加工中的（de）應用作簡要的綜述。總結了工業機（jī）器人在機械（xiè）加工領域應用的優（yōu）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（jīng）度;剛度

0 引言

工業機器人作為一種集多種先進技術於一體的自動化（huà）裝備,體現了現代工（gōng）業技（jì）術的高效益、軟硬件結合等特點,成為柔性製造係（xì）統、自動（dòng）化工廠、計算機集成製造係統等現代（dài）化製造係統的重要組（zǔ）成部分。目前,工業機器人（rén）具有柔性好、自動化程度高、可編（biān）程性、通用性等特（tè）點,已經廣泛運用到工業加工製（zhì）造的各個方麵。

1 工業機器人發（fā）展及（jí）應用

20 世紀（jì） 60 年（nián）代,美國（guó）第 1 台示教（jiāo）再現型機器人Unimate 問世,其（qí）控製方式與（yǔ）數控機床類似,但在外形上由類似於人的手和（hé）臂組成。經過 50 多年（nián）的發展,隨著機器人、計算機（jī）、控製、機械等技術的提高,在工業發達國家,工業機器人在越（yuè）來越多（duō）的領域（yù）得到了應用（yòng）,尤其是在汽車行業和製（zhì）造加工行業,提高了加（jiā）工效率與產品的一致性。

作為先進製造業中典型（xíng）的（de）機電一體化數字化裝（zhuāng）備,工業機器人已經成為衡量一個國家製造業（yè）水平和（hé）科技水平的重要標（biāo）誌。我國工業機器人的研（yán）究從 20世紀 80 年代開始起步（bù）,至今也有了（le）較大的發展,已基本上掌握了（le）工業機器人的設計製造技術、機器人應用中（zhōng）單元和生產線的設計等,一些產品的技術水平已達到國際（jì）先進水平,也開發了一些（xiē）不同類型的機器人。

隨（suí）著我國勞動力成本的逐（zhú）年增加,老（lǎo）齡化（huà）社會的到來,伴隨著我國（guó）經濟（jì）的高速增長（zhǎng）,以汽車等行業需（xū）求為牽引,我國對工業（yè）機器人需求量急劇增加（jiā）[1]。

根據 IFR 統計資料,2014 年工業需（xū）求量增長高（gāo）於15%,預計 2015 ~2017 年平（píng）均年需求量增長 12% 左右。其中亞洲對於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（dá）到 34714 ,同比增長 92%。可見,工業機（jī）器人將是自（zì）動化發展（zhǎn）的重要組成力量。

近些年中國製造業的（de）迅速發展（zhǎn）,工業機器人已（yǐ）廣泛應用於焊接、噴塗、組裝、采集和搬運、產品檢測試等行業（yè）。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（gāo）設備的利用率（lǜ）,減少人工用量,加快（kuài）技術創新速度,提（tí）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（shí）間高效性的需求,以及對材料加工的柔性需（xū）求,以其（qí）高效性、低成本、柔性好等優（yōu）勢,可作為替換傳統（tǒng）機械加工單元的自動化加（jiā）工設備。近年（nián）來,與數控加（jiā）工中心、FMC等其它加工設備相比,工業機（jī）器人應用於機械（xiè）加工領域（yù）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（yīng）多品種、小批量（liàng）、現場加工的現代生產要求,可以滿足自（zì）由曲麵、複雜型腔等複雜加工要求。

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（dòng）軌跡以符（fú）合生產過程。機器（qì）人（rén）生成的（de）運動軌跡直接影響零件加工精（jīng）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（kě）替代的作用（yòng）。為此,研究人員針對機器人機械加工（gōng）軌跡規劃進（jìn）行了相關（guān）的研究。李琳等人[2]提出了一種（zhǒng）麵向複雜曲麵加工的工（gōng）業機器人軌跡生成算法,借助 CAD/CAM 技術完成複雜曲麵（miàn）的建模,根據三（sān）角麵片各點（diǎn）坐標在切片（piàn）方向上投影的最大和最小值反求（qiú）與此三角（jiǎo）麵片相交的切平麵,並對三角麵片分組,然後推導出三角麵片邊上相鄰交點的增量公式,最後通過機（jī）器人（rén）編程得到複雜曲麵的加工運動軌跡。該算法實現了任意複雜曲麵加工軌跡的生成。陳浣等（děng）人（rén）[3]采用累（lèi）加（jiā）弦長的三次參數 B 樣（yàng）條處理 CAM 加工表麵信息,優化工藝參數,將 CNC 軌跡轉化為機器人運動軌跡,實（shí）驗證明可滿足麵向（xiàng）複雜輪廓的（de）現代高速高精度的機械加工要求。韓光超等人（rén）[4]開發了基於 CAM軟件模塊的機器人拋光軌跡自動規（guī）劃係統,利用 UGCAM 軟件中的多軸銑加工功能模塊（kuài）獲得型腔的表麵信息,然後采用輔助區域驅動法在（zài）複雜型腔表麵映射生成連續的多軸數控加工軌跡,調（diào）節工藝參數,並將多軸數控加工軌跡轉化成機器人（rén）拋光加工軌跡。Luis Gracia 等人[5]提出了一（yī）種（zhǒng）相比雅可比（bǐ）矩陣更為（wéi）簡單（dān）的零空間矩陣計算方法,限製奇異點位置關節（jiē）速度,實現（xiàn）軌跡控製。 E. Abele 等人[6]提出了一（yī）種（zhǒng）基於激光（guāng）掃描工件信息和 CAD 機械加工 STL 表麵信息相比較的方法,采用 DEXEL 離散化方法比較數據,使用後處理過的機器人路徑,可提高機械加工質量。Jung Chang-wook 等（děng）人[7]提出一種工業機器人三維曲麵加工方法,采用激光位移傳感（gǎn）器采集（jí）信息進行路（lù）徑補償（cháng）,計算特（tè）定點（diǎn）進行自動（dòng）路徑生成,減少示教點的數量及（jí）時間（jiān）,測試不同工具轉速、切削（xuē）深度、工（gōng）具移動速度（dù）條件下加工過（guò）程,得到更為合適的加工條件。Wang H 等人[8]提出一種基於單目視覺的機器人協調磨削表麵方法,利（lì）用單目視覺獲得三維加工表麵信息,采用最小二乘法（fǎ）進行曲線擬合（hé）圖像信息,提出了一種三次 B 樣條算（suàn）法,生（shēng）成光滑連續（xù）曲線。由線到麵,構建三維表麵（miàn）,進行（háng）機器人運動軌跡（jì）規劃。

機械加工往（wǎng）往有著不同的（de）機械結構,複雜性程度高,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（chǔ）,結（jié）合計（jì）算機技（jì）術及精密設備的發展,從而進行軌跡規劃和優化（huà）,將是提高機械加工質量的一個重要方麵（miàn）。

2. 2 離線編程

工業機器人是（shì）一個可編程的機械裝（zhuāng）置,其功（gōng）能的靈活性和智能性很大程度取決於機器人的編程能力[9]。在機械加工中,應（yīng）用範圍持續擴大的同時,工作複雜程度也不（bú）斷增加,可以代替（tì）數控（kòng）機床加（jiā）工複（fù）雜曲麵（miàn）等。示教編程過程繁瑣、效率低（dī）,難以完成對複雜路徑的規劃,而離線編程無（wú）需機器人本身及其控製係統（tǒng）參與,可根據不同的工件加工信息進行外部程序編製。

Neto Pedro[10]提出了（le）一種基於（yú） CAD 圖形的離（lí）線編程和仿真方（fāng）法,用於機器人輔助（zhù）金屬（shǔ）板彎曲,借助CAD 信息輔助機器人單元設計,更（gèng）好（hǎo）的用於生產係統。 Zhan JM 等人[11]通過分析標準 NC 代碼和機器人編程準則,開發了一種基於工業（yè）機（jī）器人的自由曲麵拋光自動化編（biān）程係統。 Javier Andres 等人（rén）[12]開發了（le）以 UG NX 為 CAM 基礎的工業機器（qì）人加工係統,利用NX 數控加工（gōng）功（gōng）能產生相應的切削加工軌跡及 G 代（dài）碼,應用 C++及（jí）後置處（chù）理（lǐ） POST 將加工 G 代碼轉換成機器人能（néng）夠識別並加（jiā）工的代碼(TCL)。肖文磊等人[13]以 REIS RV16 工業機器（qì）人為（wéi）仿（fǎng）真加工平台,建立切削加工機器人的原型係統,對（duì）其後置處理過程的（de）坐標係變換、運動學求解（jiě）、冗餘自由度和奇異點回（huí）避問題進行推（tuī）導和論述。建立切削加工機器人的仿真和後置處理係統平台,並完成 2D 和 3D 樣件的加（jiā）工。宋鵬（péng）飛等人[14]開發了基於 Solidworks 的工業機器人離線編程係統,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（xià）實現（xiàn）了工業機器人離線編程仿真係統的設計。係統實現（xiàn）了工業機器人位姿坐標的精（jīng）確計算,機（jī）器人（rén）逆運算及（jí）作業程序自動生成三（sān）大功能的係（xì）統集成,並（bìng）對計算結果進行了運（yùn）動仿真（zhēn）。

隨著計算機技（jì）術的逐步完善,強大的圖形處理能力和計算能力（lì）為機器人機械加工離（lí）線編程技術的發展提（tí）供了良好的發展平台。

2. 3 加工精度與誤差補償

精度不僅是衡量機械（xiè）加工係統（tǒng）整體性能的一個重要標準,而（ér）且將直接影（yǐng）響到（dào）工件的加工質（zhì）量。如何提高機器人的加工精度,關係到整個機器人（rén）加工係（xì）統的應用,不再（zài）局限於低精度要求（qiú）的加工任務（wù）。

畢運波等人（rén）[15]研發（fā）了一種機器（qì）人自動化製孔係統,孔位法向向量可以（yǐ）根據產品模型直接獲取,提出一種基於 4 個激光位移傳（chuán）感器（qì）的（de）法向偏差修正技（jì）術。通（tōng）過標（biāo）定獲得激光位移傳感器的零點（diǎn）位置（zhì）和（hé）激（jī）光方向（xiàng）,繼而根據傳感器的測量值計算得（dé）到加工表麵的實際法矢（shǐ）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（jìng）信息,依據工具點位置和機械（xiè）模（mó）型切削（xuē）力計算值（zhí）,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（zhǒng）基於模型的在線補償策略,以提高加工精度。借助 3D 激光多（duō）普勒（lè）振動掃描儀測（cè）量（liàng）數據,反饋齒（chǐ）輪、軸承和結構組件的剛度,將參數應用到實時仿真模（mó）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（chuán）遞到機器人控（kòng）製（zhì）係統中做反向補償。

加工精度的改善和誤差補償機製可大幅度提高加（jiā）工效率和質（zhì）量,降低產品開（kāi）發周期,對於提升我國機械加工技（jì）術水平具有（yǒu）重要意義。

2. 4 剛度

剛度（dù）是機器人性能優化極為重（chóng）要的方麵,對機器人加（jiā）工質量與（yǔ）加工穩定性具有重要影響。雖然（rán）機（jī）器人可替代傳統 CNC 設備進行機械加工,對於一些高精度、剛（gāng）度要求的生產（chǎn）過（guò）程,其應用仍有一定的（de）局限性。為解決這類問題,對（duì）此進行了相（xiàng）關的研究。曲巍崴等人[18]提出一種機器人加工係統剛度性能優化方法,基於傳統剛度映射模型,通過辨識（shí）實驗（yàn）獲得機器人關（guān）節剛度（dù）;約束機器人加工位姿、關節角度,以機器人末端剛（gāng）度橢球沿待加工（gōng）曲麵主法矢方向的半軸長度為優化指（zhǐ）標,采（cǎi）用遺傳算法進行機器人姿態優化。 Claire Dumas 等（děng）人[19]建立一種穩（wěn）定的剛度數學模型,確定剛度參（cān）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（jī）於工業機器（qì）人零件精加工過程的優化方法,建立機器人（rén）剛度（dù）模型,檢測合成零（líng）件信（xìn）息,綜合末端執行（háng）器的（de）切削力,判斷（duàn）最優切削方式,確定機器人最佳（jiā）加工（gōng）位（wèi）置。

3 展望與總結

隨著機器人技術的快速發展,國（guó）內工業機器人安裝數量急劇增長,其（qí）在機械加工領域也得到了廣泛的應用。工業機器人具（jù）有成（chéng）本低、自動化程（chéng）度高、柔性好、安裝空間小等（děng）優點,可加工機械零部（bù）件、大型型材、複雜模型以及雕刻（kè）加工等等,同時利用數控領（lǐng）域的相對較成熟（shú）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（gè）簡（jiǎn）便（biàn）和必然的選擇（zé）,在軟件編程、加（jiā）工應用等方麵亦得到了一定（dìng）的（de）發展（zhǎn）。

與傳統數控（kòng）機床相比,工（gōng）業機器（qì）人在（zài）機械加工領域的應用受到信息化程度、軌跡規劃、離線編（biān）程、加工精度和剛度等（děng）因素的製約（yuē）,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、誤差補償控製（zhì）等相關技術相對不成熟,如基於 CAD-CAM-Ro鄄bot 數據鏈的機（jī）器人加（jiā）工自動（dòng）化係統還沒（méi）有行業標（biāo）準,需要做進一（yī）步研究開發。

工業機器（qì）人技術是先進製造技術的典型代表,是工業自動化發展（zhǎn）的必然趨（qū）勢。隨著國內外研究的進步,工業機器人正往（wǎng）高精度、智能化（huà）方向（xiàng）發展,以適應產業需求。

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