朱義虎，陳滿意，劉 波，朱自文，劉賢舉

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心，湖北 武漢 430070)

隨著智能制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)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(jī)器人是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人眾多種類中的一種，用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工進(jìn)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(jī)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(yīng)用越來越廣泛。

根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會(international federation of robotics, IFR)和中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(China robot industry alliance, CRIA)的統(tǒng)計(jì)，2020年，中國拋光機(jī)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(dá)27.2億元，同比增長13.79%。預(yù)計(jì)未來兩年內(nèi)，拋光機(jī)器人市場規(guī)模將接近50億元[4]。由此可見，拋光機(jī)器人在工程實(shí)際中的運(yùn)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(jī)器人應(yīng)用相關(guān)的工程實(shí)訓(xùn)課程，旨在增加學(xué)生對機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的深入了解以及培養(yǎng)解決工程實(shí)際問題的能力。

筆者結(jié)合拋光機(jī)器人在工程實(shí)訓(xùn)中的具體應(yīng)用需求，重點(diǎn)研究拋光機(jī)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(yīng)用。

1 拋光機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)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(jī)器人拋光控制系統(tǒng)[5],建立了機(jī)器人與上位機(jī)之間的通信。通過將規(guī)劃好的路徑點(diǎn)編譯成機(jī)器人運(yùn)動控制指令并發(fā)送給控制器控制機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞，保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，建立的系統(tǒng)通信方式如圖2所示。從圖2可知，計(jì)算機(jī)與機(jī)器人運(yùn)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(jī)器人初始化設(shè)置

在進(jìn)行運(yùn)動控制之前需要對機(jī)器人進(jìn)行初始化設(shè)置。包括設(shè)定機(jī)器人原點(diǎn)、機(jī)器人基坐標(biāo)設(shè)定、關(guān)節(jié)軟限位設(shè)定。原點(diǎn)設(shè)定的目的是保證機(jī)器人結(jié)束工作后能夠回到安全的停機(jī)點(diǎn)，以便更換刀具或調(diào)整工件位置?；鴺?biāo)是機(jī)器人運(yùn)動的基準(zhǔn)。關(guān)節(jié)軟限位是考慮到在實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，由于工作環(huán)境復(fù)雜，機(jī)器人在運(yùn)動過程中有些位置無法達(dá)到，因此需要對機(jī)器人角度進(jìn)行限制，防止機(jī)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(yùn)動控制

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

1.4 運(yùn)動過程插補(bǔ)

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

綜上所述拋光機(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)軟件界面

圖4 拋光機(jī)器人的系統(tǒng)工作流程圖

2 運(yùn)動軌跡規(guī)劃

拋光機(jī)器人作業(yè)流程如圖5所示，其中測試程序是保證機(jī)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(diǎn)編譯成機(jī)器人可識別的程序，通過測試程序試運(yùn)行，觀察機(jī)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(jī)器人作業(yè)流程圖

本次實(shí)驗(yàn)的拋光工件屬于典型的平面工件，拋光運(yùn)行軌跡如圖6所示。

圖6 拋光運(yùn)行軌跡

以P1點(diǎn)為拋光起始點(diǎn)，其余各拋光點(diǎn)根據(jù)P1點(diǎn)計(jì)算。運(yùn)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(yùn)行程序后應(yīng)做3次運(yùn)行，每次運(yùn)行應(yīng)對機(jī)器人的原點(diǎn)做校正處理，以防止在每一遍程序運(yùn)行過程中因?yàn)闄C(jī)器人本身精度問題所造成的軌跡偏差[7-9]。

綜上所述，機(jī)器人采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式進(jìn)行運(yùn)動，在規(guī)劃好的軌跡點(diǎn)之間需要進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)算以保證機(jī)器人可以按照給定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動。

3 案例應(yīng)用

實(shí)際工作場景如圖7所示。

1-機(jī)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(yùn)動控制柜；7-上位機(jī)圖7 實(shí)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(diǎn)，并將每一個軌跡點(diǎn)編寫成上位機(jī)軟件可識別的編程語言，如表1所示。

表1 軌跡運(yùn)行程序匯總表

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

(3)觀察結(jié)果。機(jī)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(jī)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(jī)器人在工程實(shí)訓(xùn)中的具體應(yīng)用，介紹了拋光機(jī)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(shí)訓(xùn)案例增加學(xué)生對拋光機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)以及相關(guān)知識的了解，同時培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。