盧彥林

摘要：工業(yè)機(jī)器人是一種集多種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為一體的裝備，其具有自動(dòng)化程度高、通用性強(qiáng)、可編程性、柔性好的優(yōu)良特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工行業(yè)。本文以KUKA工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，開(kāi)發(fā)了基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)。并針對(duì)KUKA控制系統(tǒng)接口特點(diǎn)，結(jié)合KUKA工業(yè)機(jī)器人正逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，對(duì)基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)在零件打磨中運(yùn)行性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

Abstract： Industrial robot is a kind of equipment that integrates many advanced science and technology. It has the characteristics of high automation， versatility， programmability and flexibility， and is widely used in the machining industry. This paper develops a flexible machining system based on KUKA industrial robots with KUKA industrial robots as the research object. According to the interface characteristics of KUKA control system and the principle of forward and inverse kinematics of KUKA industrial robot， the running performance of the flexible machining system based on KUKA industrial robot in the grinding of parts is verified.

關(guān)鍵詞：KUKA工業(yè)機(jī)器人;柔性加工系統(tǒng);打磨加工

Key words： KUKA industrial robot;flexible processing system;grinding processing

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）24-0170-02

0? 引言

汽輪機(jī)葉片等表面復(fù)雜且精度要求較高的自由曲面類(lèi)零件打磨拋光大多由人工手持作業(yè)工具，在自動(dòng)化工具輔助下進(jìn)行。整體加工過(guò)程無(wú)法保證零件形位精度、表面微觀物理屬性，且整體成本損耗較大。而基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)，在定位精度、運(yùn)動(dòng)耦合、加持靈活度等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)行適當(dāng)探析具有非常重要的意義。

1? 基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)主要包括機(jī)器人本體、控制器、上位PC機(jī)、手持示教器、加工主軸及控制系統(tǒng)組成。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是將機(jī)器人、加工主軸等機(jī)械本體，與工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工各模塊的一體化控制管理[1]。其中工業(yè)機(jī)器人、加工主軸是系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制及柔性加工作業(yè)的核心，其可以利用數(shù)據(jù)通信，根據(jù)不同加工材料、模型結(jié)構(gòu)，進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)穩(wěn)定運(yùn)作;上位PC機(jī)主要以CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）模型生成數(shù)控加工程序?yàn)橹饕蝿?wù)，其可以自動(dòng)規(guī)劃工業(yè)機(jī)器人加工軌跡，并根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行軌跡，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的合理配置;利用手持示教器完成打磨工作站零件坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系等參數(shù)的設(shè)置與標(biāo)定。

依據(jù)上述模塊特點(diǎn)及功能，本次設(shè)計(jì)主要采用KUKA KR250六自由度工業(yè)機(jī)器人，搭載KR C4控制器。經(jīng)Profibus/DP總線(xiàn)，與外部控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工主軸的自動(dòng)控制。同時(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接法蘭，實(shí)現(xiàn)加工主軸與工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械連接。

2? 基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)軟硬件配置

2.1 基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)軟件配置

基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要包括KUKA示教器軟件、上位PC機(jī)軟件兩個(gè)模塊。其中KUKA手持示教器軟件主要是通過(guò)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，完成加工前輔助運(yùn)行的控制，包括打磨頭的選擇與更換、由起始點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)到過(guò)渡點(diǎn)位等工作;上位PC機(jī)則是對(duì)建模軟件制作好的加工工件模型，進(jìn)行后置處理，自動(dòng)生成工業(yè)機(jī)器人加工軌跡與加工工藝。在基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以首先建立待加工工件CAD模型，隨后將待加工工件CAD導(dǎo)入U(xiǎn)G（Unigraphics NX）內(nèi)，進(jìn)行數(shù)控加工優(yōu)化設(shè)計(jì)，初步規(guī)劃待加工工件運(yùn)動(dòng)軌跡，并生成與APT（亞洲-太平洋電信組織）標(biāo)準(zhǔn)相符合的數(shù)控加工代碼。

其次，考慮到基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)無(wú)法直接利用數(shù)控加工代碼。依據(jù)APT（亞洲-太平洋電信組織）語(yǔ)言及機(jī)器人KRL編程語(yǔ)言特點(diǎn)，可進(jìn)行APT（ 亞洲-太平洋電信組織）轉(zhuǎn)換程序的開(kāi)發(fā)。即從數(shù)控加工代碼內(nèi)進(jìn)行軌跡坐標(biāo)抽取。并將其轉(zhuǎn)化為工業(yè)機(jī)器人可以識(shí)別的坐標(biāo)信息，如GOTO→PTP/LIN，或者CIRCLE→CIRC等。最終形成完善的KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工離線(xiàn)編程文件。

最后，在KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)入離線(xiàn)編程軟件。并在手持編程器內(nèi)，進(jìn)行編輯、修整、執(zhí)行。由于手持式示教器為輔助模塊，可以將其與工業(yè)機(jī)器人控制器進(jìn)行連接，并在KUKA smartHMI界面內(nèi)，進(jìn)行負(fù)載參數(shù)設(shè)定、軌跡編程、加工坐標(biāo)輸入、坐標(biāo)系標(biāo)定等操作。其中在軌跡生成模塊，一般基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算主要采用二叉離散法。即依據(jù)曲面細(xì)分特性，將加工自由曲面沿參數(shù)線(xiàn)方向逐步細(xì)分。并將細(xì)分后獲得點(diǎn)位作為加工時(shí)加工工具與待加工材料接觸點(diǎn)。以打磨盤(pán)沿y方向打磨為例，可由首先選取y=0作為初始參數(shù)曲線(xiàn)。隨后對(duì)參數(shù)線(xiàn)打磨觸點(diǎn)進(jìn)行逐一計(jì)算。在每一打磨觸點(diǎn)位置計(jì)算加工行距Hn，獲得離散點(diǎn)位置加工行距{Hn，x}，選擇最小加工行距Hnmin=min{Hn，x}，則得出本條參數(shù)曲線(xiàn)走向。通過(guò)重復(fù)計(jì)算多條等參數(shù)曲線(xiàn)參數(shù)，直至y大于或者等于1。在獲得打磨工具與待打磨工件間觸點(diǎn)軌跡后，基于定位精度引入誤差相似度殘差補(bǔ)償方法?；谡`差相似度，對(duì)工業(yè)機(jī)器人殘余誤差進(jìn)行估計(jì)分析。并根據(jù)不同打磨工具類(lèi)型，對(duì)KUKA工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度進(jìn)行核算，以獲得詳細(xì)的打磨作業(yè)中KUKA工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)硬件配置

在基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要包括工業(yè)機(jī)器人本體、加工主軸及輔助系統(tǒng)等幾個(gè)模塊。其中在工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于作業(yè)任務(wù)設(shè)計(jì)與執(zhí)行控制的一體化要求，設(shè)計(jì)人員可以KUKA工業(yè)機(jī)器人柔性加工系統(tǒng)集成模塊為核心，設(shè)定KUKA工業(yè)機(jī)器人臂長(zhǎng)及末端位置最大分別為1.30、2.70m，以保證工業(yè)機(jī)器人本體滿(mǎn)足大規(guī)模作業(yè)要求;而在加工主軸及輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可在工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在工業(yè)機(jī)器人末端安裝加工工具，并進(jìn)行轉(zhuǎn)接法蘭的合理設(shè)計(jì)。即將法蘭、加工主軸安裝座（鋼材）、加工主軸進(jìn)行有效連接。促使加工時(shí)安裝座受力位移變化、電機(jī)加裝位置變化在設(shè)計(jì)要求限度內(nèi)，保證柔性加工作業(yè)任務(wù)順利完成。選擇銑削變頻用電加工主軸作為主要工具，以水冷卻作為主要冷卻方式。同時(shí)根據(jù)加工主軸運(yùn)行情況，配置輸出頻率為0.0-400.0Hz的臺(tái)達(dá)變頻器。其內(nèi)部具有PID反饋控制，可支持現(xiàn)場(chǎng)通訊界面自動(dòng)轉(zhuǎn)矩、滑差補(bǔ)償。隨后基于工業(yè)機(jī)器人柔性加工KRC4控制需求，在變頻器通訊接口位置設(shè)置臺(tái)達(dá)Profibus/DP通訊模塊。并結(jié)合柔性加工控制系統(tǒng)啟停狀態(tài)控制需求，選用西門(mén)子分布式IO設(shè)備ET200.0M，集成控制柔性加工系統(tǒng)外圍設(shè)備。

3? 基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)在零件打磨中運(yùn)行性能驗(yàn)證

該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要是在Windows 10（CPU2.60GHz、內(nèi)存4.0GB）系統(tǒng)內(nèi)，利用ACI+Hoops+InterOP開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行操作。在該零件打磨中主要利用不銹鋼金屬絲盤(pán)，以電主軸為主要?jiǎng)恿?lái)源，選擇KUKA機(jī)器人及上文中提到的其他軟硬件設(shè)施參數(shù)。施加設(shè)定恒力為24.8N，打磨工具運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1150r/min，緊急速度及殘留高度分別為0.58m/min、0.048mm。

在基于KUKA工業(yè)機(jī)器人柔性加工系統(tǒng)打磨作業(yè)開(kāi)展過(guò)程中，打磨盤(pán)始終沿6.8°斜切打磨主軸，整體打磨過(guò)程中實(shí)際承受壓力始終良好。采用KUKA工業(yè)機(jī)器人柔性加工系統(tǒng)打磨軌跡，加工效率遠(yuǎn)高于常規(guī)加工，且沒(méi)有過(guò)加工現(xiàn)象出現(xiàn)，有效的保證了零件打磨加工質(zhì)量[3]。同時(shí)利用ZYGO表面輪廓儀，對(duì)打磨后零件表面與前期打磨表面對(duì)比，可以得出零件表面殘余高度在0.0048mm-0.011mm范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的殘余高度，整體打磨精確度較高。這主要是由于基于KUKA工業(yè)機(jī)器人柔性加工系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)誤差相似度殘差補(bǔ)償及自動(dòng)控制，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定，可有效辨識(shí)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)誤差，進(jìn)而有效提高工業(yè)機(jī)器人絕對(duì)定位精度。

4? 總結(jié)

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人由于其高柔性和低成本而在柔性加工系統(tǒng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而合理設(shè)置基于KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)軟硬件，是有效提高機(jī)器人的絕對(duì)定位精度、保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，為進(jìn)一步提高基于KUKA工業(yè)機(jī)器人柔性加工系統(tǒng)運(yùn)行精確度，可從機(jī)器人本體、控制器、上位PC機(jī)、手持編程器、加工主軸及控制系統(tǒng)等模塊入手，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的合理設(shè)置。同時(shí)依據(jù)KUKA機(jī)器人運(yùn)行特點(diǎn)，在Windows XP系統(tǒng)中對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，保證KUKA工業(yè)機(jī)器人的柔性加工系統(tǒng)實(shí)際效用充分發(fā)揮。

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