工业机器人在机械加工中的应用

工业机器人在机械加工中的应用

0引言

工业机器人作为一种集多种先进技术于一体的自动化装备,体现了现代工业技术的高效益、软硬件结合等特点,成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统等现代化制造系统的重要组成部分。目前,工业机器人具有柔性好、自动化程度高、可编程性、通用性等特点,已经广泛运用到工业加工制造的各个方面。

1工业机器人发展及应用

20世纪60年代,美国第1台示教再现型机器人Unimate问世,其控制方式与数控机床类似,但在外形上由类似于人的手和臂组成。经过50多年的发展,随着机器人、计算机、控制、机械等技术的提高,在工业发达国家,工业机器人在越来越多的领域得到了应用,尤其是在汽车行业和制造加工行业,提高了加工效率与产品的一致性。

作为先进制造业中典型的机电一体化数字化装备,工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。我国工业机器人的研究从20世纪80年代开始起步,至今也有了较大的发展,已基本上掌握了工业机器人的设计制造技术、机器人应用中单元和生产线的设计等,一些产品的技术水平已达到国际先进水平,也开发了一些不同类型的机器人。

随着我国劳动力成本的逐年增加,老龄化社会的到来,伴随着我国经济的高速增长,以汽车等行业需求为牵引,我国对工业机器人需求量急剧增加[1]。

根据IFR统计资料,2014年工业需求量增长高于15%,预计2015~2017年平均年需求量增长12%左右。其中亚洲对于工业机器人的需求相对较大,特别是中国、韩国等。海关数据统计显示,2014年上半年中国工业机器人进口数量规模达到34714,同比增长92%。可见,工业机器人将是自动化发展的重要组成力量。

近些年中国制造业的迅速发展,工业机器人已广泛应用于焊接、喷涂、组装、采集和搬运、产品检测试等行业。就机械加工行业来说,使用工业机器人可以降低废品率和产品成本,提高设备的利用率,减少人工用量,加快技术创新速度,提高企业竞争力等。

2机械加工中的应用

工业机器人可满足当今工业成本与时间高效性的需求,以及对材料加工的柔性需求,以其高效性、低成本、柔性好等优势,可作为替换传统机械加工单元的自动化加工设备。近年来,与数控加工中心、FMC等其它加工设备相比,工业机器人应用于机械加工领域具有成本低、自动化程度高、柔性好、安装空间小等优点,可适应多品种、小批量、现场加工的现代生产要求,可以满足自由曲面、复杂型腔等复杂加工要求。

2.1轨迹规划

机械加工生产过程中,工业机器人要完成多种运动轨迹以符合生产过程。机器人生成的运动轨迹直接影响零件加工精度及形状等,为了得到更好的加工质量,机器人轨迹规划研究有着不可替代的作用。为此,研究人员针对机器人机械加工轨迹规划进行了相关的研究。李琳等人[2]提出了一种面向复杂曲面加工的工业机器人轨迹生成算法,借助CAD/CAM技术完成复杂曲面的建模,根据三角面片各点坐标在切片方向上投影的最大和最小值反求与此三角面片相交的切平面,并对三角面片分组,然后推导出三角面片边上相邻交点的增量公式,最后通过机器人编程得到复杂曲面的加工运动轨迹。该算法实现了任意复杂曲面加工轨迹的生成。陈浣等人[3]采用累加弦长的三次参数B样条处理CAM加工表面信息,优化工艺参数,将CNC轨迹转化为机器人运动轨迹,实验证明可满足面向复杂轮廓的现代高速高精度的机械加工要求。韩光超等人[4]开发了基于CAM软件模块的机器人抛光轨迹自动规划系统,利用UGCAM软件中的多轴铣加工功能模块获得型腔的表面信息,然后采用辅助区域驱动法在复杂型腔表面映射生成连续的多轴数控加工轨迹,调节工艺参数,并将多轴数控加工轨迹转化成机器人抛光加工轨迹。LuisGracia等人[5]提出了一种相比雅可比矩阵更为简单的零空间矩阵计算方法,限制奇异点位置关节速度,实现轨迹控制。E.Abele等人[6]提出了一种基于激光扫描工件信息和CAD机械加工STL表面信息相比较的方法,采用DEXEL离散化方法比较数据,使用后处理过的机器人路径,可提高机械加工质量。JungChang-wook等人[7]提出一种工业机器人三维曲面加工方法,采用激光位移传感器采集信息进行路径补偿,计算特定点进行自动路径生成,减少示教点的数量及时间,测试不同工具转速、切削深度、工具移动速度条件下加工过程,得到更为合适的加工条件。WangH等人[8]提出一种基于单目视觉的机器人协调磨削表面方法,利用单目视觉获得三维加工表面信息,采用最小二乘法进行曲线拟合像信息,提出了一种三次B样条算法,生成光滑连续曲线。由线到面,构建三维表面,进行机器人运动轨迹规划。

机械加工往往有着不同的机械结构,复杂性程度高,因工业机器人的自动化程度高,以成熟的CAD/CAM技术应用为基础,结合计算机技术及精密设备的发展,从而进行轨迹规划和优化,将是提高机械加工质量的一个重要方面。

2.2离线编程

工业机器人是一个可编程的机械装置,其功能的灵活性和智能性很大程度取决于机器人的编程能力[9]。在机械加工中,应用范围持续扩大的同时,工作复杂程度也不断增加,可以代替数控机床加工复杂曲面等。示教编程过程繁琐、效率低,难以完成对复杂路径的规划,而离线编程无需机器人本身及其控制系统参与,可根据不同的工件加工信息进行外部程序编制。

NetoPedro[10]提出了一种基于CAD形的离线编程和仿真方法,用于机器人辅助金属板弯曲,借助CAD信息辅助机器人单元设计,更好的用于生产系统。ZhanJM等人[11]通过分析标准NC代码和机器人编程准则,开发了一种基于工业机器人的自由曲面抛光自动化编程系统。JavierAndres等人[12]开发了以UGNX为CAM基础的工业机器人加工系统,利用NX数控加工功能产生相应的切削加工轨迹及G代码,应用C++及后置处理POST将加工G代码转换成机器人能够识别并加工的代码(TCL)。肖文磊等人[13]以REISRV16工业机器人为仿真加工平台,建立切削加工机器人的原型系统,对其后置处理过程的坐标系变换、运动学求解、冗余自由度和奇异点回避问题进行推导和论述。建立切削加工机器人的仿真和后置处理系统平台,并完成2D和3D样件的加工。宋鹏飞等人[14]开发了基于Solidworks的工业机器人离线编程系统,在Solidworks环境下建立机器人及其工作环境仿真模型,利用SolidworksAPI二次开发函数及VC++编程语言,在Solidworks环境下实现了工业机器人离线编程仿真系统的设计。系统实现了工业机器人位姿坐标的精确计算,机器人逆运算及作业程序自动生成三大功能的系统集成,并对计算结果进行了运动仿真。

随着计算机技术的逐步完善,强大的形处理能力和计算能力为机器人机械加工离线编程技术的发展提供了良好的发展平台。

2.3加工精度与误差补偿

精度不仅是衡量机械加工系统整体性能的一个重要标准,而且将直接影响到工件的加工质量。如何提高机器人的加工精度,关系到整个机器人加工系统的应用,不再局限于低精度要求的加工任务。