五軸機(jī)器人加工系統(tǒng)的開發(fā)*

夏伯雄 杜 軍

(武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430205)

在過去的四十年里，工業(yè)機(jī)器人被用來實(shí)現(xiàn)諸如 工件去毛刺、拋光、打磨等工藝，以及構(gòu)件焊接、裝配、噴漆和輔助工藝等，但用于加工工藝過程的只占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的3%～4%［1］。工業(yè)機(jī)器人相對機(jī)床更廉價(jià)、更靈活，具有更大的工作空間。這就是人們熱衷于用機(jī)器人取代機(jī)床進(jìn)行某些多軸銑削加工工藝的原因。包括銑削粘土、泡沫、蠟等材料，用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、造型和快速成型項(xiàng)目［2］。對于木、石和鋁等傳統(tǒng)材料的工件加工，中等或小尺寸公差的工件也能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果［3-5］。

精度差、僵硬、程序復(fù)雜是在加工車間廣泛采用加工機(jī)器人最重要的限制因素。機(jī)器人加工領(lǐng)域有相當(dāng)多的研究用來分析機(jī)器人的結(jié)構(gòu)以提高加工精度。機(jī)器人加工主要的研究領(lǐng)域可分為運(yùn)動(dòng)、校正、控制、編程和工藝開發(fā)［1-2，4，6-7］。此外，世界領(lǐng)先的機(jī)器人制造商在為專用的機(jī)器人加工應(yīng)用開發(fā)機(jī)器人手臂［8］。加工機(jī)器人程序復(fù)雜的原因是因?yàn)楦鳈C(jī)器人制造商使用其專用機(jī)器人編程語言，不存在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這也是研究人員開發(fā)通用軟件的強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)所在，如G代碼翻譯器，具體的后處理器解決方案等，以使機(jī)器人編程效率接近數(shù)控機(jī)床的編程效率［7-8］。

為了促進(jìn)機(jī)器人在加工領(lǐng)域的有效利用，提出了以機(jī)床方式控制和編程可重構(gòu)機(jī)器人加工系統(tǒng)的理念［9］。本研究將數(shù)控機(jī)床的通用編程語言G代碼，用于加工輕質(zhì)材料、小公差的自由曲面復(fù)雜工件的可重構(gòu)機(jī)器人多軸加工系統(tǒng)的概念，將復(fù)雜曲面加工的五軸立式關(guān)節(jié)機(jī)器人視為傾斜五軸立式銑床(X，Y，Z，A，B)的具體配置，在機(jī)器人建模的基礎(chǔ)上，提出基于EMC2軟件系統(tǒng)，開發(fā)低成本的控制和編程系統(tǒng)的原型。通過幾個(gè)試件的成功加工，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)機(jī)器人加工系統(tǒng)。為機(jī)器人編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化作了有益的探索。

1 基于多軸加工系統(tǒng)的可重構(gòu)機(jī)器人的概念

可重構(gòu)機(jī)器人的多軸加工系統(tǒng)應(yīng)具備由現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)生成自由曲面的較大尺寸、小公差、輕質(zhì)材料的復(fù)雜工件的快速加工能力和逆向工程的能力。

以多軸加工系統(tǒng)［9］(圖1)為基礎(chǔ)的可重構(gòu)機(jī)器人的內(nèi)涵是:

(1)專用五軸立式關(guān)節(jié)機(jī)器人(圖1a)的開發(fā):具有較大工作空間，更大的有效載荷和剛度，具有類似于集成電主軸［4］，基于剛度［3］與特殊性［10］等方面的優(yōu)點(diǎn)，本機(jī)器人作為主軸可傾立式五軸銑床(X，Y，Z，A，B)使用［11］。

(2)可通過附加旋轉(zhuǎn)軸和移動(dòng)軸的模塊化系統(tǒng)重新配置系統(tǒng)(圖1b、1c)。

(3)本階段，開放結(jié)構(gòu)的控制基于PC機(jī)上實(shí)時(shí)的Linux平臺和增強(qiáng)型機(jī)床控制(EMC2)軟件系統(tǒng)。

(4)運(yùn)用立式五軸銑床的G代碼編程，賦予機(jī)器人G代碼編程的可能性。

(5)實(shí)施三至五軸加工的主軸可傾立銑床(X，Y，Z，A，B)，以利用現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)。

(6)在虛擬機(jī)器人加工系統(tǒng)中配置面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Python，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)程序的仿真與檢驗(yàn)。

為驗(yàn)證可重構(gòu)機(jī)器人的概念并開發(fā)控制和編程系統(tǒng)，用標(biāo)準(zhǔn)的六軸立式關(guān)節(jié)機(jī)器人(50 kg有效載荷，如圖2)作為試驗(yàn)平臺，停用第六軸。并配備最高速度為18 000 r/min的電主軸。

如圖2，實(shí)驗(yàn)的五軸機(jī)器人機(jī)械加工系統(tǒng)可視為主軸傾斜五軸立式銑床(X，Y，Z，A，B)，工件在機(jī)器人前的工作臺上加工。相對于參照位置有限關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的可重構(gòu)系統(tǒng)提供相關(guān)剛度的設(shè)備，考慮只有一解的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，避免機(jī)器人的特殊性。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

要在加工過程中控制刀具的位置和方向，需要為機(jī)器人建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型。本文運(yùn)動(dòng)學(xué)建模包括運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的直接解和逆向解。

為建機(jī)器人模型，使用Denavit-Hartenberg符號［12-14］。移動(dòng)機(jī)器人有5個(gè)桿件分別由5個(gè)鉸鏈連接在一起。第一桿件連接于支座，而最后一桿件附上了刀具。要執(zhí)行運(yùn)動(dòng)分析，要將坐標(biāo)系固定在每個(gè)桿件上。坐標(biāo)系之間的相對位置和方向可用齊次變換來描述。將描述前一桿件和下一桿件之間關(guān)系的齊次變換稱為矩陣A。則i-1iA表示D-H中的坐標(biāo)系(i-1)向坐標(biāo)系(i)變換的矩陣。圖3顯示了用于實(shí)驗(yàn)五軸機(jī)器人的D-H的坐標(biāo)系的參照位置。

D-H模型采用四個(gè)參數(shù)(αi，αi，di，θi)來描述變換，包括從桿件(i-1)到桿件(i)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。參數(shù)αi代表兩聯(lián)接節(jié)點(diǎn)公共的長度;參數(shù)αi表示兩個(gè)桿件的夾角;其它兩個(gè)參數(shù)描述兩相鄰鉸鏈的相對位置:di提供它們的距離，θi表示它們的旋轉(zhuǎn)。

在D-H坐標(biāo)系被分配到各個(gè)桿件之后，連續(xù)坐標(biāo)系(i-1)及(i)之間的變換描述如下:

式中:“c”和“s”指余弦和正弦函數(shù)。

表1 D－H的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

方程(1)中替換表1里各個(gè)桿件的D-H參數(shù)，可以得到變換矩陣，i=1，2，…，5。

2.1 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)

刀具坐標(biāo)系{T}相對于機(jī)器人參照系{M}(圖3)的位置和方向［12-14］，對于給定的坐標(biāo)向量θ和桿件參數(shù)可確定為:

式中元素可表示為:

此處，θij=θi+θj。以上即為正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解。

2.2 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)

下面是逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的代數(shù)解法，即用計(jì)算出的θ1、θ2和θ3的值，計(jì)算出θ4和θ5。

從方程(2)開始，寫為:

將已解得的θ1，θ2，和θ3代入方程(1)中，由矩陣A，i=1，2，3，得出:

方程(1)中，再將θ4和θ5代入矩陣，i=4，5，得到:

上述方程中矩陣的星號元素不需要表示，這些元素不重要。從方程(4)～(6)，有可能只控制刀具方向軸zT，很明顯，

方程(7)中，矢量3kT可由下式?jīng)Q定:

即由方程(4)-(6)，有:

由于-30°≤θ5≤89°，從方程(9)可確定θ5:

其中，

從方程(9)還可確定關(guān)節(jié)角度θ4:

其中:

至此，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的解得以完成。

3 控制和編程系統(tǒng)

如圖1a是機(jī)器人加工系統(tǒng)開放結(jié)構(gòu)控制(OAC)系統(tǒng)的第一原型，表示實(shí)驗(yàn)中的五軸立式加工關(guān)節(jié)機(jī)器人。圖2表示基于多軸加工系統(tǒng)可重構(gòu)機(jī)器人的概念特色，即機(jī)器人可由數(shù)控機(jī)床編程人員使用現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)或G代碼直接進(jìn)行編程。在OAC的解決方案中，是要開發(fā)最低成本的控制系統(tǒng)原型。本原型基于用于機(jī)床、機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)［15］等計(jì)算機(jī)控制EMC2軟件的PC實(shí)時(shí)Linux平臺。EMC2是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所創(chuàng)建的一個(gè)免費(fèi)軟件。

此加工機(jī)器人控制系統(tǒng)原型開發(fā)分為幾個(gè)階段:逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)和正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的功能測試、機(jī)器人離線編程、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的特性測試、碰撞監(jiān)測及虛擬機(jī)器人的配置等。

3.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖4顯示低成本控制系統(tǒng)的第一原型的結(jié)構(gòu)，其中EMC2軟件是基本構(gòu)成。EMC2軟件系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成:運(yùn)動(dòng)控制器(EMCMOT)，離散I/O控制器(EMCIO)，任務(wù)協(xié)調(diào)模塊(EMCTASK)，圖形用戶接口(GUI)。

在這4個(gè)模塊中，只有EMCMOT是一個(gè)實(shí)時(shí)模塊。模塊EMCMOT與非實(shí)時(shí)模塊EMCTASK之間的通信由共享內(nèi)存或由RT-Linux的先進(jìn)先出進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。

EMCMOT模塊進(jìn)行軌跡規(guī)劃，正向與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，計(jì)算電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器所需的輸出功率。凡是不直接涉及到機(jī)器實(shí)際軸運(yùn)動(dòng)的I/O功能，都由EMCIO模塊處理。

EMCTASK模塊用于RS-274NGC機(jī)床編程語言任務(wù)級的命令處理器和程序譯碼器，這種機(jī)床的編程語言稱為G代碼。

為EMC2軟件系統(tǒng)開發(fā)了幾個(gè)用戶接口。AXIS是最先進(jìn)的圖形用戶接口，具有互動(dòng)G代碼預(yù)覽特點(diǎn)，這將擴(kuò)展到機(jī)器人加工系統(tǒng)的應(yīng)用中。

硬件抽象層提供從EMC2到機(jī)器人控制硬件或虛擬機(jī)器人的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。在控制系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，需要在實(shí)時(shí)或虛擬機(jī)器人控制之間作出相應(yīng)的配置選擇(圖4)。通常用虛擬機(jī)器人視覺檢測可能的碰撞而啟動(dòng)第一控制系統(tǒng)配置，并作出最后核查程序。從PC端到驅(qū)動(dòng)器的連接經(jīng)由加工控制接口實(shí)現(xiàn)，包括ADC、DAC和I/O通道。

3.2 虛擬機(jī)器人

虛擬機(jī)器人運(yùn)用EMC2中幾個(gè)預(yù)定義的Python類進(jìn)行配置，用C語言編程并集成在EMC2軟件系統(tǒng)中(圖4)。

如圖5，工件的編程可以利用后處理器，方便地將CL文件轉(zhuǎn)換為G代碼。這意味著程序員能夠以普通方式從工件的CAD模型開始，在Pro/Engineer軟件中生成CL文件。生成的刀具路徑通過數(shù)控檢查進(jìn)行測試(用動(dòng)畫顯示刀具路徑和材料去除)。使用為主軸可傾立式五軸銑床(X，Y，Z，A，B)配置的后處理器，進(jìn)行CL文件的后處理以獲得機(jī)器人G代碼程序，此程序傳送到機(jī)器人控制系統(tǒng)。

將機(jī)器人初始化，在刀具、工件的設(shè)置完成后，該程序可以兩種方式進(jìn)行測試(圖5)。第一在G代碼裝載過程中，EMC2軟件顯示編程的刀具路徑。然而，第二個(gè)途徑至關(guān)重要，由于采用虛擬機(jī)器人能用G代碼進(jìn)行最終的驗(yàn)證，包括以下內(nèi)容:

檢查機(jī)器人是否在有限的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)和速度執(zhí)行指定的路徑;視覺檢測機(jī)器人與刀具，工件與夾具之間的碰撞。該程序驗(yàn)證后，可以在實(shí)際機(jī)器人上安全地運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)

如圖6，實(shí)驗(yàn)機(jī)器人用于加工3個(gè)試件。第1個(gè)試件設(shè)計(jì)成類似于各種標(biāo)準(zhǔn)試件，以便使機(jī)器人編程能力的試驗(yàn)產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)特征。對帽罩五軸預(yù)加工和三軸加工都使用平頭立銑刀(刀具/刃長60/30 mm，直徑12 mm)。

第2個(gè)試件由二球面圓滑連接，帶有環(huán)形表面的復(fù)雜解析表面。執(zhí)行三軸預(yù)加工后的五軸精加工。兩種情況都使用球頭立銑刀(刀具/刃長140/80 mm，直徑11 mm)。

圖6顯示了三軸或五軸加工人臉形狀自由曲面的第3個(gè)件的五軸精加工。對于這個(gè)試件，使用球頭立銑刀。

機(jī)器人參考位置的設(shè)置和基本的校準(zhǔn)由機(jī)器人制造商的專家完成。該實(shí)驗(yàn)的主要目的是測試所開發(fā)的控制系統(tǒng)原型的能力。實(shí)驗(yàn)用Pro/Engineer軟件，設(shè)想機(jī)器人的編程和加工與主軸可傾五軸立式銑床(X，Y，Z，A，B)的編程和加工方式完全一樣。

程序在加工之前從兩個(gè)方面進(jìn)行測試:

(1)在EMC2中進(jìn)行刀具路徑的曲線仿真

(2)在虛擬機(jī)器人加工系統(tǒng)中進(jìn)行最后的程序驗(yàn)證，視覺檢測可能的碰撞，因?yàn)樘摂M加工系統(tǒng)，除了虛擬機(jī)器人，還涉及虛擬工件、夾具及固定裝置。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，數(shù)控機(jī)床編程員和操作者直接編程和操作可用于輕質(zhì)材料、小公差的復(fù)雜表面工件的低成本的機(jī)器人加工系統(tǒng)。對實(shí)驗(yàn)機(jī)器人加工系統(tǒng)的開發(fā)和試驗(yàn)表明，對于G代碼廣泛應(yīng)用于工業(yè)的今天，這種商業(yè)系統(tǒng)將優(yōu)于兼容的機(jī)器人加工解決方案。以后各階段的研究將涉及專門的五軸立式關(guān)節(jié)加工機(jī)器人及控制系統(tǒng)的開發(fā)，這將使各種機(jī)器人軸及外加旋轉(zhuǎn)軸和平移軸組合的三軸至五軸的機(jī)器人加工得以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語

本文介紹了基于加工小公差、自由曲面的輕質(zhì)材料復(fù)雜工件的多軸加工系統(tǒng)可重構(gòu)機(jī)器人的概念。對于五軸機(jī)器人加工系統(tǒng)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了基于EMC2軟件系統(tǒng)開發(fā)低成本的控制和編程系統(tǒng)的原型。通過加工三種輕質(zhì)材料試件，對提出的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人加工系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。對試件進(jìn)行三軸或五軸的解析和自由曲面的加工，其中編程和加工都是根據(jù)數(shù)控機(jī)床的G代碼進(jìn)行的。

其創(chuàng)新點(diǎn)在于，首先為了實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)器人的設(shè)想開發(fā)控制和編程系統(tǒng)，使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的六軸垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人(具有50 kg的有效載荷)用來作為一個(gè)試驗(yàn)平臺，關(guān)閉第六軸。該機(jī)器人配備了最高速度為18 000 r/min的高速電主軸。同時(shí)此實(shí)驗(yàn)的五軸機(jī)器人機(jī)械加工系統(tǒng)被進(jìn)一步視為主軸傾斜型五軸立式銑床(X，Y，Z，A，B)，工件加工在機(jī)器人前面的工作臺上進(jìn)行。

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