劉 祺,郭夢娜,山顯雷,田文杰,馬 躍,李 彬
(1.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384;2.天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,天津 300384;3. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展,空間飛行器、航空器及各種精密儀器等對(duì)結(jié)構(gòu)件的加工效率與精度提出更高要求。薄壁結(jié)構(gòu)件因其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中,其中大型薄壁結(jié)構(gòu)件相比于拼接而成的小尺寸結(jié)構(gòu)件可大幅縮短焊縫長度,有效提高結(jié)構(gòu)的可靠性與運(yùn)載能力[1]。
大型薄壁結(jié)構(gòu)件加工方法有化學(xué)銑削和機(jī)械銑削兩種[2]。其中,化學(xué)銑削又稱為化學(xué)腐蝕,該方法先將工件表面需要保留的部位涂抹防護(hù)層,然后將待加工表面浸泡暴露于化學(xué)試劑中進(jìn)行腐蝕,進(jìn)而改變零件的形狀與尺寸[3]。化學(xué)銑削方法的加工精度與生產(chǎn)效率較低,且在加工過程中產(chǎn)生大量廢棄化學(xué)試劑,不符合綠色高效的加工要求[4]。因此,機(jī)械銑削成為當(dāng)前加工薄壁結(jié)構(gòu)件的主要方法,常用的加工裝備可分為大型機(jī)床和機(jī)器人移動(dòng)工作站兩類。采用大型機(jī)床加工大型結(jié)構(gòu)件具有工作空間大、幾何精度高等優(yōu)點(diǎn),但其造價(jià)昂貴、占地面積大且無法進(jìn)行現(xiàn)場加工[5]。機(jī)器人移動(dòng)工作站以串聯(lián)或混聯(lián)機(jī)器人為核心,配有長行程導(dǎo)軌或全向移動(dòng)平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)大范圍移動(dòng),有利于大型結(jié)構(gòu)件的現(xiàn)場快速布置與加工[6]。然而,混聯(lián)機(jī)器人及其數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格昂貴,核心技術(shù)封鎖且無法二次開發(fā)。
近年來,一種由Dufieux 公司和空客公司聯(lián)合提出的薄壁結(jié)構(gòu)件鏡像銑削加工方式[7–9]備受關(guān)注,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)銑削方法完成飛機(jī)蒙皮的高效高精度加工。這類鏡像加工系統(tǒng)采用對(duì)稱移動(dòng)雙立柱臥式加工中心,擁有兩個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的主軸頭,一側(cè)安裝切削刀具,另一側(cè)安裝支撐工具,兩側(cè)通過鏡像隨動(dòng)保證對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削與法向支撐?;谕凰悸?,西班牙MTorres 公司生產(chǎn)的鏡像銑削設(shè)備被廣泛應(yīng)用在波音、航空工業(yè)等多家航空公司的蒙皮生產(chǎn)中。
為提升我國航天航空制造業(yè)技術(shù)水平,國內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)圍繞鏡像銑削開展了大量研究工作[10]。首都航天機(jī)械有限公司與上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司合作開發(fā)出適用于特定尺寸的火箭貯箱筒段加工的鏡像銑削加工系統(tǒng)[11]。大連理工大學(xué)鮑巖[12]建立了鏡像銑削系統(tǒng)的銑削力模型,研究工件在加工過程中的變形及加工后的表面形貌。值得指出的是,上述鏡像銑削系統(tǒng)均由雙五軸機(jī)床構(gòu)成,采用搭載傳統(tǒng)五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的商用數(shù)控系統(tǒng),通過掃描大型結(jié)構(gòu)件表面形貌生成雙側(cè)鏡像加工路徑,并由鏡像布置的兩臺(tái)五軸機(jī)床同步執(zhí)行。相比于機(jī)器人工作站,這類系統(tǒng)模塊化與可重構(gòu)程度低,不利于實(shí)現(xiàn)快速布置并開展現(xiàn)場加工與維修作業(yè)。為此,天津大學(xué)肖聚亮[13]和趙素雷[14]等針對(duì)自主研發(fā)的雙混聯(lián)機(jī)器人鏡像銑削系統(tǒng),設(shè)計(jì)了剛?cè)岫帱c(diǎn)位隨動(dòng)支撐頭并提出了協(xié)同加工策略。然而,由雙混聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成的鏡像銑削系統(tǒng)因其機(jī)構(gòu)與工藝的特殊性無法采用傳統(tǒng)商用數(shù)控系統(tǒng),而自主研發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)需解決的首要問題在于雙機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)匹配與鏡像加工路徑的同步執(zhí)行。
因此,本文以一種雙五自由度混聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成的鏡像銑削系統(tǒng)為研究對(duì)象,建立了該系統(tǒng)規(guī)格化的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解模型,提出了鏡像加工路徑的生成方法及兩種可保證雙機(jī)同步性的執(zhí)行方法;通過大型薄壁結(jié)構(gòu)件加工試驗(yàn)驗(yàn)證了上述模型與方法的正確有效性。
圖1 為基于雙混聯(lián)機(jī)器人的鏡像銑削系統(tǒng)的CAD 模型,該系統(tǒng)由銑削機(jī)器人、支撐機(jī)器人、控制柜組、操控臺(tái)、大型結(jié)構(gòu)件夾具組成。銑削與支撐機(jī)器人分別為搭載高速電主軸或氣動(dòng)支撐頭的五自由度混聯(lián)機(jī)器人TriMule。TriMule 混聯(lián)機(jī)器人由1 個(gè)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)與兩自由度A/C轉(zhuǎn)頭組成。并聯(lián)機(jī)構(gòu)由機(jī)架、轉(zhuǎn)動(dòng)支架、3 條主動(dòng)支鏈 (1 條UPS支鏈、2 條RPS 支鏈)、1 條被動(dòng)支鏈(RP 支鏈)、動(dòng)平臺(tái)組成。其中,R、P、U、S 分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、虎克鉸和球面副;P 表示主動(dòng)移動(dòng)副[15]。
圖1 雙混聯(lián)機(jī)器人鏡像銑削系統(tǒng)CAD 模型Fig.1 CAD model of mirror milling system for dual hybrid robots
鏡像銑削系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模是實(shí)施機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與大型結(jié)構(gòu)件鏡像加工的基礎(chǔ),包含運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解與正解兩個(gè)方面。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解涉及給定刀具/支撐頭位姿、機(jī)構(gòu)尺度參數(shù),求解各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)變量;運(yùn)動(dòng)學(xué)正解則根據(jù)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)變量與尺度參數(shù),求解雙機(jī)器人的末端位姿。
圖2 為鏡像銑削系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)簡圖與機(jī)器人參考坐標(biāo)系。為了便于建立規(guī)格化的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,將3 條主動(dòng)支鏈分別記作支鏈i(i=1,2,3),將銑削與支撐機(jī)器人分別記作機(jī)器人j(j=1,2)。分別以B0,j、A0,j、Cj為原點(diǎn)建立銑削與支撐機(jī)器人的機(jī)架參考坐標(biāo)系B0,j–xB,jyB,jzB,j、動(dòng)平臺(tái)參考坐標(biāo)系A(chǔ)0,j–xA,jyA,jzA,j、電主軸/支撐頭固連坐標(biāo)系Cj–xC,jyC,j zC,j,分別記作坐標(biāo)系{RB,j}、{RA,j}、{RC,j}。針對(duì)機(jī)器人j,系{RC,j}相對(duì)系{RB,j}的姿態(tài)矩陣可表示為
圖2 鏡像銑削系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 Mirror milling system mechanism sketch
式中,B,jRA,j表示系{RA,j}相對(duì)系{RB,j}的姿態(tài)矩陣;A,jRC,j表示系{RC,j}相對(duì)系{RA,j}的姿態(tài)矩陣;uj、vj與wj分別表示系{RC,j} 3 個(gè)坐標(biāo)軸單位矢量在系{RB,j}下的度量,且有
式中,θi,j(i=1,2)表示動(dòng)平臺(tái)相對(duì)機(jī)架先繞xB,j旋轉(zhuǎn)、再繞yA,j旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)姿態(tài)角;θi,j(i=4,5)表示電主軸/支撐頭相對(duì)動(dòng)平臺(tái)先繞A/C轉(zhuǎn)頭的C軸旋轉(zhuǎn)、再繞A軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)轉(zhuǎn)角。
給定刀具/支撐頭頂點(diǎn)位置矢量rC,j與軸線方向矢量wj,則動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)Pj的位置矢量可表示為
rP,j還可表示為
式中,qi,j與si,j分別表示機(jī)器人j的第i條驅(qū)動(dòng)支鏈桿長與單位矢量,q4,j=(0 0 1)T。對(duì)上式兩側(cè)取模,可得
據(jù)此,可得到動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)角表達(dá)式為
據(jù)此,可確定B,jRA,j。由式 (1)變換可得
據(jù)此,可得到A/C轉(zhuǎn)頭兩旋轉(zhuǎn)角表達(dá)式為
建立B0,j–Bi,j–Ai,j–Pj–B0,j鏈的閉環(huán)約束方程為
式中,ai,j表示在系{RB,j}下的度量。,其中,模長– π/2,γ2= 0,γ3= π。
對(duì)式 (6)兩端取模,得
至此,根據(jù)式 (5)和 (7)可確定銑削與支撐機(jī)器人的所有驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)變量。
考慮到TriMule 混聯(lián)機(jī)器人的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中存在一條可表征動(dòng)平臺(tái)三自由度運(yùn)動(dòng)的恰約束被動(dòng)支鏈,故在這條RRP 支鏈的各個(gè)運(yùn)動(dòng)副上安裝圓/直線光柵[16],可在線測量動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)角θi,j(i=1,2)及被動(dòng)支鏈桿長q4,j。此外,在A/C轉(zhuǎn)頭兩旋轉(zhuǎn)軸“電機(jī)+減速器”輸出端安裝圓光柵,測量轉(zhuǎn)頭姿態(tài)角θi,j(i=4,5)。據(jù)此,刀具/支撐頭頂點(diǎn)位置矢量rC,j與軸線方向矢量wj可表示為
式中,B,jRA,j與B,jRC,j可根據(jù)光柵測量值θi,j(i= 1,2,4,5)確定,(0 1 0)T。
至此,運(yùn)動(dòng)學(xué)正解求解完畢??疾焐鲜銮蠼膺^程可知,該方法為解析解法,較傳統(tǒng)需設(shè)定收斂精度并反復(fù)迭代運(yùn)算的牛頓迭代法具有計(jì)算效率與精度高的優(yōu)點(diǎn)。
鏡像加工路徑包含銑削機(jī)器人的刀具路徑與支撐機(jī)器人的支撐頭路徑兩部分,其生成與執(zhí)行過程應(yīng)保證二者的鏡像同步性。
銑削機(jī)器人的刀具路徑生成方法與傳統(tǒng)大型結(jié)構(gòu)件銑削路徑生成方法相同,首先利用CAD/CAM 軟件完成大型薄壁結(jié)構(gòu)件造型與刀軌規(guī)劃,然后通過后置處理生成數(shù)控系統(tǒng)可執(zhí)行的NC 代碼。
支撐機(jī)器人的支撐頭路徑生成方法無須借助CAD/CAM 軟件,而是針對(duì)已生成的刀具路徑NC 代碼,逐行計(jì)算并生成與之鏡像對(duì)稱的支撐路徑NC 代碼,即根據(jù)已生成的銑削機(jī)器人刀尖點(diǎn)位置矢量rC,1與刀具軸線方向矢量w1,計(jì)算支撐機(jī)器人支撐頭頂點(diǎn)位置矢量rC,2與軸線方向矢量w2。于是,rC,2與w2可表示為
式中,2R1表示系{RB,1}相對(duì)系{RB,2}的姿態(tài)矩陣;r12表示B02指向點(diǎn)B01的位置矢量在系{RB,1}下的度量;d'表示大型結(jié)構(gòu)件期望壁厚。據(jù)此,可生成滿足期望壁厚要求的鏡像加工路徑。
由于鏡像銑削系統(tǒng)包含兩臺(tái)五自由度混聯(lián)機(jī)器人,按照數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同,鏡像加工路徑的執(zhí)行方法可分為以下兩種。
(1)十軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行方法。
如圖3 所示,采用一套數(shù)控系統(tǒng)同時(shí)控制銑削與支撐機(jī)器人鏡像加工路徑。首先,在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中借助CAD/CAM 軟件生成銑削機(jī)器人的刀具路徑NC 代碼,并通過網(wǎng)線發(fā)送至多軸運(yùn)動(dòng)控制器;然后,借助插補(bǔ)算法對(duì)刀具路徑進(jìn)行插補(bǔ),并利用3.1 節(jié)所述方法生成與之鏡像對(duì)稱的支撐頭路徑插補(bǔ)點(diǎn);之后,利用2.2 節(jié)所述運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法,計(jì)算雙機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)期望位置,進(jìn)而將其發(fā)送至伺服系統(tǒng)實(shí)施閉環(huán)控制;最終,通過十軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)鏡像加工路徑的同步性。
圖3 十軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行方法Fig.3 Execution method of 10-axis linkage CNC system
(2)雙五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行方法。
如圖4 所示,采用兩套數(shù)控系統(tǒng)分別控制銑削與支撐機(jī)器人鏡像加工路徑。首先,利用3.1 節(jié)所述方法離線生成位姿鏡像對(duì)稱的刀具與支撐頭路徑NC 代碼,并分別通過工控機(jī)1 與2 發(fā)送至多軸運(yùn)動(dòng)控制器1與2;然后,依次借助插補(bǔ)算法與運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法,分別計(jì)算銑削與支撐機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)期望位置,并發(fā)送至各自的伺服系統(tǒng)實(shí)施閉環(huán)控制;最終,兩臺(tái)機(jī)器人的數(shù)控系統(tǒng)通過五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行各自的加工路徑。此處,為了保證雙機(jī)器人鏡像加工路徑的同步性,需利用1 個(gè)統(tǒng)一的硬件I/O 裝置配合高刷新頻率的PLC 程序以不超過1 ms 的延遲時(shí)間觸發(fā)運(yùn)行雙機(jī)器人的銑削/支撐路徑,進(jìn)而保持二者的同步鏡像性能。
圖4 雙五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行方法Fig.4 Execution method of dual 5-axis linkage CNC system
值得指出的是,執(zhí)行方法1 較方法2 具有數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、硬件成本低、無路徑觸發(fā)延遲的優(yōu)點(diǎn),但由于兩臺(tái)機(jī)器人采用同一套核心控制器與人機(jī)交互設(shè)備,無法實(shí)現(xiàn)銑削或支撐機(jī)器人單機(jī)作業(yè);雖然方法2 存在路徑觸發(fā)延遲的問題,但在高刷新頻率PLC 硬件觸發(fā)的模式下,雙機(jī)路徑觸發(fā)間隔時(shí)間可縮短到1 ms 以內(nèi),遠(yuǎn)小于路徑的插補(bǔ)周期 (10 ms),在雙機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器時(shí)鐘調(diào)校同步的模式下可保證路徑觸發(fā)以后的同步插補(bǔ),故二者在加工效果上并無區(qū)別。此外,支撐機(jī)器人采用局部多點(diǎn)位支撐結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)支撐頭,通過圓周分布的6 個(gè)針型氣缸形成直徑為70 mm 的圓形支撐面,使得雙機(jī)同步性存在誤差時(shí)仍可保證支撐效果。
考慮到面向航天航空類大型薄壁結(jié)構(gòu)件制造的鏡像銑削系統(tǒng)應(yīng)具備可重構(gòu)性與模塊化的特點(diǎn),能夠滿足大工作空間內(nèi)單機(jī)或多機(jī)快速現(xiàn)場布置與高效協(xié)同加工的需求,故本文采用圖4 所示數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與鏡像加工路徑執(zhí)行方法。
在銑削機(jī)器人參考坐標(biāo)系下生成一段弧形鏡像加工路徑,如圖5 所示??梢钥闯?,采用3.1 節(jié)所述方法可生成位姿鏡像對(duì)稱的銑削與支撐路徑,進(jìn)而可采用雙機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)算法分別解算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并實(shí)施控制。
圖5 鏡像加工路徑生成Fig.5 Mirror machining path generation
采用運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與提出的鏡像加工路徑執(zhí)行方法開展鏡像加工試驗(yàn),如圖6 所示。其中,大型結(jié)構(gòu)件的材料為航空級(jí)鋁合金6061,其長與寬分別為1000 mm 與800 mm。被加工區(qū)域?yàn)橛? 個(gè)正三角形組成的六邊形網(wǎng)格,該網(wǎng)格的外接圓半徑為300 mm。加工前需先采用UG NX 8.0 軟件生成柵格加工路徑NC文件,然后借助3.1 節(jié)所述方法生成雙機(jī)器人加工路徑,并分別導(dǎo)入雙機(jī)器人各數(shù)控系統(tǒng)軟件中完成編譯、限位檢測,進(jìn)而分段下載至底層多軸運(yùn)動(dòng)控制器中以備執(zhí)行;加工過程中每行代碼以10 ms 的周期執(zhí)行粗插補(bǔ)程序,并利用控制器中寫入的2.2節(jié)逆解程序計(jì)算各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的位置,然后采用3 次B 樣條技術(shù)以0.442 ms 的周期實(shí)施精插補(bǔ)得到各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)伺服控制的期望位置指令,最終通過多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)器人末端沿路徑運(yùn)動(dòng)。本試驗(yàn)所采用的加工工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速5000 r/min、進(jìn)給速度2000 mm/min、切削深度0.5 mm、期望壁厚4 mm。值得指出的是,雙機(jī)器人各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)均采用分散式復(fù)合控制策略,即在采用PID 反饋控制器保證系統(tǒng)穩(wěn)定與快速響應(yīng)能力的同時(shí),借助速度與加速度前饋控制器進(jìn)一步提高各關(guān)節(jié)的跟隨精度,進(jìn)而降低跟隨誤差對(duì)壁厚加工誤差的影響。
圖6 大型結(jié)構(gòu)件鏡像加工試驗(yàn)Fig.6 Experiment on mirror machining of large structural parts
大型結(jié)構(gòu)件六邊形網(wǎng)格區(qū)域的加工結(jié)果如圖7 所示。為驗(yàn)證基于雙混聯(lián)機(jī)器人搭建的鏡像銑削系統(tǒng)的加工精度,選取銑削過程中網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的剛度最低點(diǎn)與受振動(dòng)影響最為顯著的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,即分別選取6 個(gè)正三角形的幾何中心為測量點(diǎn),采用超聲波測厚儀測量壁厚誤差,如表1 所示。可見,壁厚加工誤差均在±0.18 mm 以內(nèi),證明了本文所提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與加工路徑生成方法在實(shí)現(xiàn)鏡像銑削加工方面的有效性。
表1 六邊形網(wǎng)格區(qū)域的加工精度Table 1 Machining accuracy of hexagonal grid area mm
圖7 鏡像加工試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Mirror machining experimental results
本文以一種由雙混聯(lián)機(jī)器人組成的鏡像銑削系統(tǒng)為研究對(duì)象,開展了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與加工路徑生成和執(zhí)行方法研究,得到了如下結(jié)論。
(1)采用矢量法建立了鏡像銑削系統(tǒng)規(guī)格化的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解模型,其中正解方法較采用牛頓迭代法求解的方法具有計(jì)算效率與精度高的優(yōu)點(diǎn)。
(2)提出了一種鏡像加工路徑生成方法,該方法明確了雙機(jī)參考坐標(biāo)系的位姿關(guān)系,通過設(shè)定薄壁結(jié)構(gòu)件的期望加工壁厚計(jì)算位姿鏡像對(duì)稱的刀具與支撐頭路徑。
(3)提出了十軸聯(lián)動(dòng)與雙五軸聯(lián)動(dòng)兩種鏡像加工路徑執(zhí)行方法,后者較前者具備可重構(gòu)性與模塊化的特點(diǎn),支持銑削或支撐機(jī)器人單機(jī)作業(yè),能夠滿足大工作空間內(nèi)單機(jī)或多機(jī)快速現(xiàn)場布置與高效協(xié)同加工的需求。
(4)開展了大型薄壁結(jié)構(gòu)件鏡像加工試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,壁厚加工誤差在±0.18 mm 以內(nèi),證明了本文所提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與加工路徑生成、執(zhí)行方法的正確有效性。值得指出的是,壁厚加工誤差受機(jī)器人本體加工與裝配精度、機(jī)器人剛度、各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)伺服控制的跟隨精度、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)間的伺服匹配精度、雙機(jī)器人的同步精度、大型結(jié)構(gòu)件被銑削過程中的振動(dòng)與變形等多因素綜合影響,還需進(jìn)一步研究考慮上述因素的壁厚加工精度提升方法。