陳洪海，吳慶堂，聶鳳明，胡寶共，康 戰(zhàn)

（長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所 吉林 長(zhǎng)春 130012）

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。它可以接受人類(lèi)指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門(mén)中，完成對(duì)人體有害物料的搬運(yùn)或工藝操作。

工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個(gè)基本部分組成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。工業(yè)機(jī)器人按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為4種。直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，又可分點(diǎn)位型和連續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。

工業(yè)機(jī)器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類(lèi)。編程輸入型是將計(jì)算機(jī)上已編好的作業(yè)程序文件，通過(guò)RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機(jī)器人控制柜。

示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動(dòng)控制器（示教操縱盒），將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。在示教過(guò)程的同時(shí)，工作程序的信息即自動(dòng)存入程序存儲(chǔ)器中在機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲(chǔ)器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作。示教輸入程序的工業(yè)機(jī)器人稱(chēng)為示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人。具有觸覺(jué)、力覺(jué)或簡(jiǎn)單的視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人，能在較為復(fù)雜的環(huán)境下工作；如具有識(shí)別功能或更進(jìn)一步增加自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，即成為智能型工業(yè)機(jī)器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應(yīng)環(huán)境，并自動(dòng)完成更為復(fù)雜的工作。

開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，分為機(jī)器人控制器（RC），運(yùn)動(dòng)控制器（MC），光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機(jī)器人控制器（RC）和編程示教盒通過(guò)串口/CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊。機(jī)器人控制器（RC）的主計(jì)算機(jī)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、插補(bǔ)和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。

模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開(kāi)源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性。整個(gè)控制器軟件系統(tǒng)分為3個(gè)層次：硬件驅(qū)動(dòng)層、核心層和應(yīng)用層。3個(gè)層次分別面對(duì)不同的功能需求，對(duì)應(yīng)不同層次的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)中各個(gè)層次內(nèi)部由若干個(gè)功能相對(duì)對(duì)立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實(shí)現(xiàn)該層次所提供的功能。

機(jī)器人的故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)：通過(guò)各種信息，對(duì)機(jī)器人故障進(jìn)行診斷，并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)，是保證機(jī)器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人控制器技術(shù)：當(dāng)前機(jī)器人的應(yīng)用工程由單臺(tái)機(jī)器人工作站向機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)發(fā)展，機(jī)器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來(lái)越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C(jī)器人控制器之間和機(jī)器人控制器同上位機(jī)的通訊，便于對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行監(jiān)控、診斷和管理。

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

工業(yè)機(jī)器人在進(jìn)行磨削過(guò)程中需要磨頭始終垂直于玻璃表面，這樣做的目的是使工件磨削比較均勻[1]。由于玻璃平面本身的弧度不同，所以機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中要不斷調(diào)整機(jī)器人的加工姿態(tài)，并要求速度也要保持勻速。在加工之前預(yù)先進(jìn)行一次離線(xiàn)仿真一次，以免中途奇異點(diǎn)和超程報(bào)警帶來(lái)的一系列的不便對(duì)工件和設(shè)備造成的損壞。

加工刀具應(yīng)時(shí)時(shí)與加工點(diǎn)所在切平面垂直，根據(jù)刀具當(dāng)前點(diǎn)的切平面的方程，然后通過(guò)矩陣運(yùn)算方程計(jì)算出所需要的刀具姿態(tài)四元數(shù)[2]，實(shí)現(xiàn)起來(lái)很麻煩。下面的這種方法根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立起來(lái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[3]實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易。

工件是由母線(xiàn)方程繞Y軸旋轉(zhuǎn)一周而形成的非球面，為了保證磨削的精度，母線(xiàn)上點(diǎn)間距離與圓周運(yùn)動(dòng)點(diǎn)間距離設(shè)定相等值為d，工業(yè)機(jī)器人在作業(yè)區(qū)域內(nèi)以預(yù)定速度行駛，連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，刀具方向與母線(xiàn)上各個(gè)點(diǎn)的切線(xiàn)垂直，姿態(tài)相對(duì)工件不變，旋轉(zhuǎn)一周，則完成了一個(gè)圓周的磨削加工，然后根據(jù)下一個(gè)點(diǎn)的位置和切線(xiàn)的垂線(xiàn)方向調(diào)整工具的位移和工具擺角，以此類(lèi)推就完成了整個(gè)工件的磨削過(guò)程，所要加工的曲面母線(xiàn)方程如圖1所示。

圖1 加工的曲面母線(xiàn)方程及母線(xiàn)方向步長(zhǎng)Fig.1 Processing surface generatrix and generatrix direction step length

母線(xiàn)方程式為x2=a1y+a2y2+a3y3+a4y4，圖中表示刀具在母線(xiàn)（x1，y1）、（x2，y2）、（xn－1，yn－1）、（xn，yn）4 個(gè)位置點(diǎn)的姿態(tài)，

式（1）中d為母線(xiàn)上最近兩切點(diǎn)距離，式（2）中θ為工具擺角。

采取逐段等線(xiàn)段逼近的方法來(lái)接近母線(xiàn)。

2 預(yù)定行走路徑控制流程圖

工業(yè)機(jī)器人按預(yù)定行走路徑控制方案，對(duì)于磨削過(guò)程建立的運(yùn)動(dòng)模型，利用RobotStudio對(duì)行走路徑進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。建立工件坐標(biāo)系與工具坐標(biāo)系[4]，在此過(guò)程中考慮到工件半徑較大，工件的擺放位置必須按照機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)范圍合理放置，工件的起始姿態(tài)在保證與最高點(diǎn)垂直之外，還要注意各個(gè)軸參數(shù)配置，以避免軸超程[5]，應(yīng)用操作流程與加工程序流程如圖2所示。

圖2 應(yīng)用操作流程Fig.2 Application process

3 仿真與分析

圖3 加工程序流程Fig.3 Machining processes

創(chuàng)建實(shí)際大小的工件[6]，選取軌跡跟蹤。在base模塊中設(shè)定工具坐標(biāo)tooldata、工件坐標(biāo)wobjdata、負(fù)荷數(shù)據(jù)loaddata等參數(shù)信息，主程序模塊中設(shè)定間距d=0.115 mm，速度v=20 mm/s，最大加工半徑Y(jié)0的大小等。同時(shí)建立回原點(diǎn)、自適應(yīng)[7]細(xì)分步長(zhǎng)、圓周運(yùn)動(dòng)等例行程序，更改系統(tǒng)參數(shù)配置：六軸量程為－24～24 rad，四軸量程為－24～24 rad。 更改參數(shù)后熱啟動(dòng)控制器[8]才能生效。在行走路徑上利用自適應(yīng)篩選法確定步長(zhǎng)仿真結(jié)果如圖4所示，間距d的值決定線(xiàn)間距的大小，加工軌跡的疏密程度。如果直接細(xì)分工件橫坐標(biāo)x，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 工件在RobotStudio離線(xiàn)仿真結(jié)果Fig.4 Artifacts in RobotStudio offline simulation results

4 結(jié)論

1）加工前進(jìn)行機(jī)器人離線(xiàn)仿真可以預(yù)測(cè)在實(shí)際加工過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，大大提高了加工效率。

圖5 工件在RobotStudio離線(xiàn)仿真結(jié)果Fig.5 Artifacts in RobotStudio offline simulation results

2）顯然，利用自適應(yīng)篩選法，使步長(zhǎng)為等線(xiàn)段d逼近的方法來(lái)接近母線(xiàn)，要比直接細(xì)分x坐標(biāo)或者是y坐標(biāo)軌跡均勻的多，直接影響到加工效果。

3）工業(yè)機(jī)器人連續(xù)軌跡路徑的位置和方位角精度滿(mǎn)足了技術(shù)指標(biāo)。

4）工業(yè)機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中速度響應(yīng)符合實(shí)際工程，其建模和仿真真實(shí)可靠，為后期的樣件加工提供了技術(shù)依據(jù)。

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