朱義虎，陳滿意，劉 波，朱自文，劉賢舉

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 工程實訓中心，湖北 武漢 430070)

隨著智能制造業(yè)的快速發(fā)展，機器人已經(jīng)成為生產(chǎn)加工領(lǐng)域中不可或缺的設(shè)備。拋光機器人是現(xiàn)代工業(yè)機器人眾多種類中的一種，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工進行產(chǎn)品的拋光，包括產(chǎn)品表面拋光、去毛刺、焊縫打磨等[1-3]。近年來隨著我國拋光機器人技術(shù)水平的不斷提高，在磨具加工、汽車零部件、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的應用越來越廣泛。

根據(jù)國際機器人聯(lián)合會(international federation of robotics, IFR)和中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(China robot industry alliance, CRIA)的統(tǒng)計，2020年，中國拋光機器人的銷量約為2.65萬臺，同比增長25.35%。系統(tǒng)集成制造市場規(guī)模達27.2億元，同比增長13.79%。預計未來兩年內(nèi)，拋光機器人市場規(guī)模將接近50億元[4]。由此可見，拋光機器人在工程實際中的運用越來越重要和普遍。與此同時，對于相關(guān)人才的培養(yǎng)也越來越被重視。目前，國內(nèi)各個高校都開設(shè)了與機器人應用相關(guān)的工程實訓課程，旨在增加學生對機器人應用領(lǐng)域的深入了解以及培養(yǎng)解決工程實際問題的能力。

筆者結(jié)合拋光機器人在工程實訓中的具體應用需求，重點研究拋光機器人離線編程軟件的開發(fā)、軌跡規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)及應用。

1 拋光機器人控制系統(tǒng)開發(fā)

為了實現(xiàn)上位機控制機器人運動，以VC++6.0作為開發(fā)平臺，基于MFC(microsoft foundation classes)框架開發(fā)了機器人拋光控制系統(tǒng)[5],建立了機器人與上位機之間的通信。通過將規(guī)劃好的路徑點編譯成機器人運動控制指令并發(fā)送給控制器控制機器人關(guān)節(jié)電機進行運動。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)通信方案

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確傳遞，保證控制系統(tǒng)的正常運行，建立的系統(tǒng)通信方式如圖2所示。從圖2可知，計算機與機器人運動控制控制器之間采用可靠性高的TCP(transmission control protocol)[6]通信協(xié)議。

圖2 系統(tǒng)通信方式

1.2 機器人初始化設(shè)置

在進行運動控制之前需要對機器人進行初始化設(shè)置。包括設(shè)定機器人原點、機器人基坐標設(shè)定、關(guān)節(jié)軟限位設(shè)定。原點設(shè)定的目的是保證機器人結(jié)束工作后能夠回到安全的停機點，以便更換刀具或調(diào)整工件位置?；鴺耸菣C器人運動的基準。關(guān)節(jié)軟限位是考慮到在實際生產(chǎn)加工過程中，由于工作環(huán)境復雜，機器人在運動過程中有些位置無法達到，因此需要對機器人角度進行限制，防止機器人與工作環(huán)境發(fā)生碰撞，造成人員受傷或設(shè)備損壞。

1.3 示教/再現(xiàn)運動控制

示教/再現(xiàn)功能的實現(xiàn)機理是通過控制程序點動按鈕控制機器人執(zhí)行一系列動作，其中記錄這一流程中關(guān)鍵點，之后機器人重新按照關(guān)鍵點位置依序再現(xiàn)，重復完成。關(guān)鍵點位置記錄越多，再現(xiàn)的運動軌跡與示教時機器人運行的軌跡越接近。所謂記錄關(guān)鍵點就是記錄當時位置的絕對編碼器的值，以后再現(xiàn)時讓機器人運動到該絕對位置即可。

1.4 運動過程插補

機器人在運動過程中需要對規(guī)劃的路徑進行插補，插補的方式包括直線插補、圓弧插補、樣條插補。其中包含機器人運動學正逆解、運動軌跡控制算法等方面。

綜上所述拋光機器人控制系統(tǒng)軟件整體界面如圖3所示。系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖3 拋光機器人控制系統(tǒng)軟件界面

圖4 拋光機器人的系統(tǒng)工作流程圖

2 運動軌跡規(guī)劃

拋光機器人作業(yè)流程如圖5所示，其中測試程序是保證機器人工作路徑是否正確的主要判斷依據(jù)。將事先規(guī)劃好的路徑點編譯成機器人可識別的程序，通過測試程序試運行，觀察機器人前端裝置是否與工件發(fā)生碰撞，從而保證拋光過程的安全性。

圖5 拋光機器人作業(yè)流程圖

本次實驗的拋光工件屬于典型的平面工件，拋光運行軌跡如圖6所示。

圖6 拋光運行軌跡

以P1點為拋光起始點，其余各拋光點根據(jù)P1點計算。運行軌跡為P1→P2→P3→P4→P5→P6→P7→P8→P9?？紤]錄到拋光效果問題，軌跡規(guī)劃好并編譯成運行程序后應做3次運行，每次運行應對機器人的原點做校正處理，以防止在每一遍程序運行過程中因為機器人本身精度問題所造成的軌跡偏差[7-9]。

綜上所述，機器人采用點對點的方式進行運動，在規(guī)劃好的軌跡點之間需要進行直線插補運算以保證機器人可以按照給定的軌跡進行運動。

3 案例應用

實際工作場景如圖7所示。

1-機器人本體；2-拋光工具(包括連接法蘭和高速電主軸)；3-拋光工件(典型平面工件裝夾在臺式虎鉗上)；4-電源控制柜；5-高速電主軸變頻控制器；6-運動控制柜；7-上位機圖7 實際工作場景布局圖

工作過程如下：

(1)通過示教的方式找到規(guī)劃好的路徑點，并將每一個軌跡點編寫成上位機軟件可識別的編程語言，如表1所示。

表1 軌跡運行程序匯總表

(2)將編寫好的程序進行編譯，并試運行程序，檢查機器人是否按照規(guī)劃的軌跡運行，確保程序的安全性。

(3)觀察結(jié)果。機器人工作狀態(tài)如圖8所示，最終拋光效果如圖9所示。

圖8 機器人工作狀態(tài)

圖9 拋光效果對比圖

4 結(jié)論

結(jié)合拋光機器人在工程實訓中的具體應用，介紹了拋光機器人離線編程軟件的開發(fā)、軌跡規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，并通過實訓案例增加學生對拋光機器人系統(tǒng)開發(fā)以及相關(guān)知識的了解，同時培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力。