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工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工中的應(yīng)用*

趙曉飛，郭麗峰*

(北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京102617)

摘要：隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，其在機(jī)械加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。結(jié)合目前工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在分析國內(nèi)外其發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，就工業(yè)機(jī)器人在軌跡規(guī)劃、離線編程、加工精度和誤差補(bǔ)償、剛度等相關(guān)方面技術(shù)的研究，綜合其在機(jī)械加工中的應(yīng)用作簡要的綜述?？偨Y(jié)了工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，以及未來發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人加工；軌跡規(guī)劃；離線編程；加工精度；剛度

0引言

工業(yè)機(jī)器人作為一種集多種先進(jìn)技術(shù)于一體的自動(dòng)化裝備，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高效益、軟硬件結(jié)合等特點(diǎn)，成為柔性制造系統(tǒng)、自動(dòng)化工廠、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等現(xiàn)代化制造系統(tǒng)的重要組成部分。目前，工業(yè)機(jī)器人具有柔性好、自動(dòng)化程度高、可編程性、通用性等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用到工業(yè)加工制造的各個(gè)方面。

1工業(yè)機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用

20 世紀(jì) 60 年代，美國第1臺(tái)示教再現(xiàn)型機(jī)器人Unimate問世，其控制方式與數(shù)控機(jī)床類似，但在外形上由類似于人的手和臂組成。經(jīng)過50多年的發(fā)展，隨著機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)械等技術(shù)的提高，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，工業(yè)機(jī)器人在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其是在汽車行業(yè)和制造加工行業(yè)，提高了加工效率與產(chǎn)品的一致性。

作為先進(jìn)制造業(yè)中典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。我國工業(yè)機(jī)器人的研究從20世紀(jì)80年代開始起步，至今也有了較大的發(fā)展，已基本上掌握了工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、機(jī)器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)等，一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國際先進(jìn)水平，也開發(fā)了一些不同類型的機(jī)器人。

隨著我國勞動(dòng)力成本的逐年增加，老齡化社會(huì)的到來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速增長，以汽車等行業(yè)需求為牽引，我國對工業(yè)機(jī)器人需求量急劇增加[1]。根據(jù)IFR統(tǒng)計(jì)資料，2014年工業(yè)需求量增長高于15%，預(yù)計(jì)2015~2017年平均年需求量增長12%左右。其中亞洲對于工業(yè)機(jī)器人的需求相對較大，特別是中國、韓國等。海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2014年上半年中國工業(yè)機(jī)器人進(jìn)口數(shù)量規(guī)模達(dá)到34714臺(tái)，同比增長92%?？梢?，工業(yè)機(jī)器人將是自動(dòng)化發(fā)展的重要組成力量。

近些年中國制造業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于焊接、噴涂、組裝、采集和搬運(yùn)、產(chǎn)品檢測和測試等行業(yè)。就機(jī)械加工行業(yè)來說，使用工業(yè)機(jī)器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本，提高設(shè)備的利用率，減少人工用量，加快技術(shù)創(chuàng)新速度，提高企業(yè)競爭力等。

2機(jī)械加工中的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人可滿足當(dāng)今工業(yè)成本與時(shí)間高效性的需求，以及對材料加工的柔性需求，以其高效性、低成本、柔性好等優(yōu)勢，可作為替換傳統(tǒng)機(jī)械加工單元的自動(dòng)化加工設(shè)備。近年來，與數(shù)控加工中心、FMC等其它加工設(shè)備相比，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域具有成本低、自動(dòng)化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)多品種、小批量、現(xiàn)場加工的現(xiàn)代生產(chǎn)要求，可以滿足自由曲面、復(fù)雜型腔等復(fù)雜加工要求。

2.1　軌跡規(guī)劃

機(jī)械加工生產(chǎn)過程中，工業(yè)機(jī)器人要完成多種運(yùn)動(dòng)軌跡以符合生產(chǎn)過程。機(jī)器人生成的運(yùn)動(dòng)軌跡直接影響零件加工精度及形狀等，為了得到更好的加工質(zhì)量，機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究有著不可替代的作用。

為此，研究人員針對機(jī)器人機(jī)械加工軌跡規(guī)劃進(jìn)行了相關(guān)的研究。李琳等人[2]提出了一種面向復(fù)雜曲面加工的工業(yè)機(jī)器人軌跡生成算法，借助CAD/CAM技術(shù)完成復(fù)雜曲面的建模，根據(jù)三角面片各點(diǎn)坐標(biāo)在切片方向上投影的最大和最小值反求與此三角面片相交的切平面，并對三角面片分組，然后推導(dǎo)出三角面片邊上相鄰交點(diǎn)的增量公式，最后通過機(jī)器人編程得到復(fù)雜曲面的加工運(yùn)動(dòng)軌跡。該算法實(shí)現(xiàn)了任意復(fù)雜曲面加工軌跡的生成。陳浣等人[3]采用累加弦長的三次參數(shù)B樣條處理CAM加工表面信息，優(yōu)化工藝參數(shù)，將CNC軌跡轉(zhuǎn)化為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)驗(yàn)證明可滿足面向復(fù)雜輪廓的現(xiàn)代高速高精度的機(jī)械加工要求。韓光超等人[4]開發(fā)了基于CAM軟件模塊的機(jī)器人拋光軌跡自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)，利用UG CAM軟件中的多軸銑加工功能模塊獲得型腔的表面信息，然后采用輔助區(qū)域驅(qū)動(dòng)法在復(fù)雜型腔表面映射生成連續(xù)的多軸數(shù)控加工軌跡，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，并將多軸數(shù)控加工軌跡轉(zhuǎn)化成機(jī)器人拋光加工軌跡。Luis Gracia等人[5]提出了一種相比雅可比矩陣更為簡單的零空間矩陣計(jì)算方法，限制奇異點(diǎn)位置關(guān)節(jié)速度，實(shí)現(xiàn)軌跡控制。E. Abele等人[6]提出了一種基于激光掃描工件信息和CAD機(jī)械加工STL表面信息相比較的方法，采用DEXEL離散化方法比較數(shù)據(jù)，使用后處理過的機(jī)器人路徑，可提高機(jī)械加工質(zhì)量。Jung Chang-wook等人[7]提出一種工業(yè)機(jī)器人三維曲面加工方法，采用激光位移傳感器采集信息進(jìn)行路徑補(bǔ)償，計(jì)算特定點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)路徑生成，減少示教點(diǎn)的數(shù)量及時(shí)間，測試不同工具轉(zhuǎn)速、切削深度、工具移動(dòng)速度條件下加工過程，得到更為合適的加工條件。Wang H等人[8]提出一種基于單目視覺的機(jī)器人協(xié)調(diào)磨削表面方法，利用單目視覺獲得三維加工表面信息，采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合圖像信息，提出了一種三次B樣條算法，生成光滑連續(xù)曲線。由線到面，構(gòu)建三維表面，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。

機(jī)械加工往往有著不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)，復(fù)雜性程度高，因工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化程度高，以成熟的CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)及精密設(shè)備的發(fā)展，從而進(jìn)行軌跡規(guī)劃和優(yōu)化，將是提高機(jī)械加工質(zhì)量的一個(gè)重要方面。

2.2　離線編程

工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)可編程的機(jī)械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度取決于機(jī)器人的編程能力[9]。在機(jī)械加工中，應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大的同時(shí)，工作復(fù)雜程度也不斷增加，可以代替數(shù)控機(jī)床加工復(fù)雜曲面等。示教編程過程繁瑣、效率低，難以完成對復(fù)雜路徑的規(guī)劃，而離線編程無需機(jī)器人本身及其控制系統(tǒng)參與，可根據(jù)不同的工件加工信息進(jìn)行外部程序編制。

Neto Pedro[10]提出了一種基于CAD圖形的離線編程和仿真方法，用于機(jī)器人輔助金屬板彎曲，借助CAD信息輔助機(jī)器人單元設(shè)計(jì)，更好的用于生產(chǎn)系統(tǒng)。Zhan JM等人[11]通過分析標(biāo)準(zhǔn)NC代碼和機(jī)器人編程準(zhǔn)則，開發(fā)了一種基于工業(yè)機(jī)器人的自由曲面拋光自動(dòng)化編程系統(tǒng)。Javier Andres等人[12]開發(fā)了以UG NX為CAM基礎(chǔ)的工業(yè)機(jī)器人加工系統(tǒng)，利用NX數(shù)控加工功能產(chǎn)生相應(yīng)的切削加工軌跡及G代碼，應(yīng)用C++及后置處理POST將加工G代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器人能夠識(shí)別并加工的代碼(TCL)。肖文磊等人[13]以 REIS RV16 工業(yè)機(jī)器人為仿真加工平臺(tái)，建立切削加工機(jī)器人的原型系統(tǒng)，對其后置處理過程的坐標(biāo)系變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、冗余自由度和奇異點(diǎn)回避問題進(jìn)行推導(dǎo)和論述。建立切削加工機(jī)器人的仿真和后置處理系統(tǒng)平臺(tái)，并完成2D和3D樣件的加工。宋鵬飛等人[14]開發(fā)了基于Solidworks的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，在Solidworks環(huán)境下建立機(jī)器人及其工作環(huán)境仿真模型，利用Solidworks API二次開發(fā)函數(shù)及VC++編程語言，在Solidworks環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人位姿坐標(biāo)的精確計(jì)算，機(jī)器人逆運(yùn)算及作業(yè)程序自動(dòng)生成三大功能的系統(tǒng)集成，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步完善，強(qiáng)大的圖形處理能力和計(jì)算能力為機(jī)器人機(jī)械加工離線編程技術(shù)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展平臺(tái)。

2.3　加工精度與誤差補(bǔ)償

精度不僅是衡量機(jī)械加工系統(tǒng)整體性能的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，而且將直接影響到工件的加工質(zhì)量。如何提高機(jī)器人的加工精度，關(guān)系到整個(gè)機(jī)器人加工系統(tǒng)的應(yīng)用，不再局限于低精度要求的加工任務(wù)。

畢運(yùn)波等人[15]研發(fā)了一種機(jī)器人自動(dòng)化制孔系統(tǒng)，孔位法向向量可以根據(jù)產(chǎn)品模型直接獲取，提出一種基于4個(gè)激光位移傳感器的法向偏差修正技術(shù)。通過標(biāo)定獲得激光位移傳感器的零點(diǎn)位置和激光方向，繼而根據(jù)傳感器的測量值計(jì)算得到加工表面的實(shí)際法矢方向，通過調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)實(shí)現(xiàn)孔位法向偏差的修正。Slavkovic Nikola R等人[16]提出一種機(jī)器人加工切削力誤差離線補(bǔ)償方法，借助G代碼路徑信息，依據(jù)工具點(diǎn)位置和機(jī)械模型切削力計(jì)算值，實(shí)現(xiàn)一種路徑離線補(bǔ)償方式，降低加工誤差。Roesch Oliver[17]提出了一種基于模型的在線補(bǔ)償策略，以提高加工精度。借助3D激光多普勒振動(dòng)掃描儀測量數(shù)據(jù)，反饋齒輪、軸承和結(jié)構(gòu)組件的剛度，將參數(shù)應(yīng)用到實(shí)時(shí)仿真模型中，計(jì)算加工過程中力所引起的工具點(diǎn)路徑偏差，將計(jì)算偏差傳遞到機(jī)器人控制系統(tǒng)中做反向補(bǔ)償。

加工精度的改善和誤差補(bǔ)償機(jī)制可大幅度提高加工效率和質(zhì)量，降低產(chǎn)品開發(fā)周期，對于提升我國機(jī)械加工技術(shù)水平具有重要意義。

2.4　剛　度

剛度是機(jī)器人性能優(yōu)化極為重要的方面，對機(jī)器人加工質(zhì)量與加工穩(wěn)定性具有重要影響。雖然機(jī)器人可替代傳統(tǒng)CNC設(shè)備進(jìn)行機(jī)械加工，對于一些高精度、剛度要求的生產(chǎn)過程，其應(yīng)用仍有一定的局限性。為解決這類問題，對此進(jìn)行了相關(guān)的研究。

曲巍崴等人[18]提出一種機(jī)器人加工系統(tǒng)剛度性能優(yōu)化方法，基于傳統(tǒng)剛度映射模型，通過辨識(shí)實(shí)驗(yàn)獲得機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度；約束機(jī)器人加工位姿、關(guān)節(jié)角度，以機(jī)器人末端剛度橢球沿待加工曲面主法矢方向的半軸長度為優(yōu)化指標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)優(yōu)化。Claire Dumas等人[19]建立一種穩(wěn)定的剛度數(shù)學(xué)模型，確定剛度參數(shù)，通過給予末端執(zhí)行器力與力矩，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。Dumas Claire等人[20]提出一種基于工業(yè)機(jī)器人零件精加工過程的優(yōu)化方法，建立機(jī)器人剛度模型，檢測合成零件信息，綜合末端執(zhí)行器的切削力，判斷最優(yōu)切削方式，確定機(jī)器人最佳加工位置。

3展望與總結(jié)

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人安裝數(shù)量急劇增長，其在機(jī)械加工領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人具有成本低、自動(dòng)化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，可加工機(jī)械零部件、大型型材、復(fù)雜模型以及雕刻加工等等，同時(shí)利用數(shù)控領(lǐng)域的相對較成熟的CAD-CAM技術(shù)，機(jī)器人機(jī)械加工將成為工業(yè)機(jī)器人加工的一個(gè)簡便和必然的選擇，在軟件編程、加工應(yīng)用等方面亦得到了一定的發(fā)展。

與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床相比，工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用受到信息化程度、軌跡規(guī)劃、離線編程、加工精度和剛度等因素的制約，還有一些技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。而且機(jī)器人機(jī)械加工過程工藝優(yōu)化、誤差補(bǔ)償控制等相關(guān)技術(shù)相對不成熟，如基于CAD-CAM-Robot數(shù)據(jù)鏈的機(jī)器人加工自動(dòng)化系統(tǒng)還沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要做進(jìn)一步研究開發(fā)。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢。隨著國內(nèi)外研究的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人正往高精度、智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求。

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Application of Industrial Robot in Machining

ZHAO Xiao-fei, GUO Li-feng

(SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China)

Abstract:With the rapid development of robot technology, industrial robots have been widely used in machining fields. Combined the relevant development of robotics and the current developing condition of industrial robots, a brief review on research of its application in machining is proposed, such as trajectory planning, offline programming, machining accuracy and error compensation, and stiffness. Then the advantages and disadvantages of industrial robots in machining application, and future trends are proposed.

Key words:robot machining; path planning; off-line programming; machining precision; rigidity

中圖分類號:TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-4414(2015)03-0113-03

作者簡介：趙曉飛(1992-)，女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向：光電檢測與機(jī)器人技術(shù)。通訊作者：郭麗峰(1976-)，男，河北石家莊人，副教授，碩導(dǎo)，主要從事機(jī)器人技術(shù)、精密測量與儀器智能化、光電測試技術(shù)、醫(yī)療器械與康復(fù)工程等方面的研究。

基金項(xiàng)目：北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計(jì)劃項(xiàng)目(編號：CIT&TCD201404104)；北京市屬高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)提升計(jì)劃項(xiàng)目(編號：IDHT20130516)。

*收稿日期：2015-04-15