鋁合金輪轂機(jī)器人光整加工控制技術(shù)研究

楊仲升　黃　云,2　鄒　萊　任　旭

1.重慶大學(xué)，重慶，4000442.重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心，重慶，400021

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鋁合金輪轂機(jī)器人光整加工控制技術(shù)研究

楊仲升1黃云1,2鄒萊1任旭1

1.重慶大學(xué)，重慶，4000442.重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心，重慶，400021

摘要：基于對鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)及光整加工要求的分析，通過比較機(jī)器人示教和離線編程的優(yōu)缺點，提出示教編程和離線編程集成使用的機(jī)器人控制技術(shù)，來完成輪轂光整加工。機(jī)器人離線編程控制是根據(jù)輪輻表面刀具軌跡的點位信息和機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程，運(yùn)用Pieper法進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程逆解來實現(xiàn)的。研究表明，采用示教編程和離線編程集成的機(jī)器人控制技術(shù)能在滿足光整加工要求的前提下大大提高輪轂加工效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；控制技術(shù)；光整加工；鋁合金輪轂

0引言

鋁合金輪轂具有質(zhì)量輕、減震性好等優(yōu)點，已經(jīng)在汽車工業(yè)中得到了大量應(yīng)用[1]。輪轂表面光整加工作為輪轂表面鍍鉻前的一道精細(xì)加工，對加工質(zhì)量有較高的要求。目前，對汽車輪轂的光整加工主要采用手持電動、氣動磨具進(jìn)行人工拋光的方式[2-3]。該加工方式的加工效率低，加工精度難以得到保證，且產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差，迫切需要采用自動加工系統(tǒng)來滿足鋁合金輪轂的加工要求。

目前，已有相關(guān)單位開展了輪轂數(shù)字化加工研究工作，研制了輪轂CNC拋光機(jī)床、自動拋光機(jī)器人工作站等數(shù)字化設(shè)備[4]。但這些設(shè)備或由于自動化程度低，或由于造價太高，而只能滿足部分企業(yè)的要求。

因此，本文對自主研制的鋁合金輪轂機(jī)器人拋磨系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)合機(jī)器人示教、離線兩種編程方法的優(yōu)缺點以及鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)特點和加工要求，提出了示教編程和離線編程集成使用的機(jī)器人控制技術(shù)來完成輪轂光整加工。

1輪轂拋光工藝規(guī)劃

鋁合金輪轂的光整加工主要包括輪輻邊緣毛刺的去除和輪輻表面的拋光。輪轂輪輻表面需采用較大磨具來保證磨削效率，輪轂的輪輻邊緣加工空間狹小，只能采用較小的磨具打磨。因此，在進(jìn)行控制技術(shù)研究之前需對輪轂光整加工進(jìn)行工藝規(guī)劃。

1.1輪輻邊緣去毛刺工藝

輪轂的輪輻邊緣去毛刺與輪輻表面拋光兩道加工工序并沒有先后順序要求，故本文首先討論輪輻邊緣去毛刺的工藝規(guī)劃。常用的邊緣去毛刺磨具主要包括千葉輪、鋼絲輪、尼龍絲輪和芝麻輪。千葉輪和芝麻輪的去毛刺效果較好，但壽命極短；鋼絲輪壽命雖然較長，但加工后輪轂表面磨痕明顯，且光潔度極差；尼龍絲輪是一種由尼龍纖維網(wǎng)等材料制成的質(zhì)地柔軟的毛刷式磨具，在去除鋁合金輪轂邊緣毛刺時，效率高、質(zhì)量好，且磨具壽命較長。因此，本文采用尼龍絲輪去除輪輻邊緣毛刺。

1.2輪輻表面拋光工藝

常用的表面拋光磨具主要包括布輪、砂帶。采用布輪進(jìn)行表面拋光需要經(jīng)過粗拋、半精拋和精拋三道工序，才能達(dá)到了輪轂加工的表面質(zhì)量要求。同時，布輪的砂布利用率較低[5]。砂帶磨削具有彈性磨削的特點，能在一次加工中完成粗拋、半精拋及精拋，加工效率極高且加工表面質(zhì)量高[6]。因此，本文采用砂帶進(jìn)行輪輻表面拋光。

2機(jī)器人編程方式的選擇

機(jī)器人編程是為控制機(jī)器人完成特定任務(wù)而設(shè)置的程序指令。常用的編程方式有示教編程和離線編程兩種，具體的選擇取決于工件結(jié)構(gòu)特點和加工要求。

2.1示教編程

示教編程是在將待加工工件完成夾持定位后，人為將機(jī)器人終端運(yùn)動軌跡離散成點，再通過手動操縱機(jī)器人，使機(jī)器人終端到達(dá)離散點并根據(jù)加工要求擺出正確姿態(tài)，然后將該機(jī)器人位姿的各關(guān)節(jié)坐標(biāo)記錄在存儲器中；通過此方式從軌跡的第一個離散點開始按順序依次記錄各點對應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)以完成程序編制。示教編程的優(yōu)點是不需要大量知識儲備、工件數(shù)學(xué)模型以及復(fù)雜的計算機(jī)軟件輔助，僅使用小型存儲器記錄位姿信息即可完成編程，易被操作者掌握。但該編程方式很難規(guī)劃復(fù)雜的運(yùn)動軌跡，實現(xiàn)準(zhǔn)確運(yùn)動的控制，且難以與傳感信息相配合。

2.2離線編程

離線編程是基于CAD技術(shù)的一種編程技術(shù)。通過建立機(jī)器人模型及其工作環(huán)境模型，利用離線編程系統(tǒng)將CAD數(shù)據(jù)處理后，得到機(jī)器人位姿并生成控制程序[7]。離線編程的優(yōu)點是能實現(xiàn)復(fù)雜零件自由曲面的運(yùn)動軌跡規(guī)劃，并通過接受傳感器信號、引入邏輯判斷及決策，可以同時協(xié)調(diào)多臺機(jī)器人工作。但該編程方式要求編程人員擁有較大的知識儲備，且運(yùn)動軌跡規(guī)劃必須建立在對機(jī)器人及工作環(huán)境數(shù)學(xué)模型解析的基礎(chǔ)上。

2.3加工編程方式的確定

2.3.1輪輻邊緣去毛刺加工編程方式

輪輻邊緣屬于自由曲線，只能提取出各離散點的法平面，而無法像自由曲面一樣在各離散點處提取唯一確定的法向量用于離線編程中機(jī)器人姿態(tài)的求解，故輪輻邊緣去毛刺不適宜采用離線編程方式。此外，尼龍絲輪呈毛刷狀，具有極易變形的特點，導(dǎo)致加工軌跡容錯性較強(qiáng)，示教編程足以滿足輪輻邊緣去毛刺的加工精度要求。而且，輪轂的結(jié)構(gòu)具有中心對稱的特點，只要完成基本對稱單元的程序編寫，通過數(shù)控轉(zhuǎn)臺就能完成所有光整加工，同時，示教編程工作量較小。因此，確定示教編程為輪輻邊緣去毛刺的編程方式。

2.3.2輪輻表面拋光加工編程方式

輪輻表面屬于自由曲面，采用示教編程方式時，規(guī)劃加工路徑的工作量大、難度高，故示教編程方式并不適合于輪輻表面拋光。同時，輪輻表面拋光將砂帶作為磨具，砂帶磨削磨具的接觸輪呈規(guī)則的圓柱狀且不易變形，有利于建立數(shù)學(xué)模型，適合用于離線編程方式。因此，確定離線編程為輪輻表面拋光的編程方式。

3機(jī)器人控制技術(shù)的研究

3.1輪輻邊緣去毛刺機(jī)器人控制技術(shù)

圖1為鋁合金輪轂機(jī)器人磨削系統(tǒng)圖。本研究采用高效的直接示教編程方法，通過示教器將機(jī)器人調(diào)為示教模式，手動調(diào)節(jié)各個軸的轉(zhuǎn)角，將安裝在機(jī)器人終端的磨具移動至目標(biāo)位置。然后，將對應(yīng)此位置的機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角信息記錄進(jìn)內(nèi)部存儲器，按照加工路徑依次確定合理的機(jī)器人位姿并記錄，完成機(jī)器人控制程序的編寫。最終，由順序控制器從內(nèi)部存儲器中依次讀出相應(yīng)位置，使機(jī)器人按照預(yù)期設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)輪輻邊緣去毛刺工作[8]。

圖1　鋁合金輪轂機(jī)器人磨削系統(tǒng)

圖2中，左側(cè)所示是未去毛刺的效果，邊緣參差不齊，且十分鋒利；右側(cè)所示是去毛刺的效果，修磨后的輪輻邊緣光滑整齊，且滿足輪輻邊緣加工要求。

圖2　輪輻邊緣去毛刺前后的對比圖片

3.2輪輻表面拋光機(jī)器人控制技術(shù)

圖3為拋光程序離線編程的流程圖。采用經(jīng)過二次開發(fā)后的UG軟件對鋁合金輪轂CAD模型進(jìn)行前置處理，獲得加工點位信息，再將此信息經(jīng)后置處理，獲得機(jī)器人終端位姿信息。根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸建立機(jī)器人連桿模型，利用D-H法建立機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程。最后，根據(jù)上述信息進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解獲得各加工位點關(guān)節(jié)角，經(jīng)后處理得到機(jī)器人控制程序。

圖3　鋁合金輪轂表面拋光離線編程過程

3.2.1輪輻曲面處理

常用的數(shù)控編程軟件不具有針對磨削加工的編程能力，且磨削加工時選用的刀具不同于一般刀具，難以用其他刀具直接代替。因此，本文利用二次開發(fā)后的UG軟件對輪輻曲面進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，得到加工時的刀具軌跡及該軌跡上加工點位的坐標(biāo)、刀軸方向等信息。

(1)刀具軌跡規(guī)劃。復(fù)雜曲面加工常用的刀具軌跡生成方法有等參數(shù)法、等截平面法和等殘高法。等距截面法計算截交線、比較復(fù)雜，且截平面間的最佳距離不易確定，容易出現(xiàn)刀位冗余和欠缺的問題。等殘高法能很好地避免刀位冗余和欠缺的問題，但其計算復(fù)雜。等參數(shù)法的技術(shù)最簡單可行，盡管可能會出現(xiàn)刀位冗余和欠缺的現(xiàn)象，影響加工效率和精度[9]。鋁合金輪轂曲面加工不同于一般曲面加工，其對曲面粗糙度、光整度要求較高，對曲面精度沒有過多的要求。因此，等參數(shù)法更適合輪轂曲面拋光的刀具軌跡規(guī)劃。圖4所示為采用等參數(shù)法獲得的刀具軌跡。為提高輪轂表面的拋光效率，減少走刀，本研究最終采用圖4b所示的參數(shù)v恒定的等參數(shù)刀具軌跡。其中，u、v為曲面參數(shù)化方程的兩個參數(shù)。

(a)參數(shù)u恒定　　(b)參數(shù)v恒定圖4　鋁合金輪轂等參數(shù)法刀具軌跡規(guī)劃

(2)刀位點坐標(biāo)確定。采用UG軟件提取出曲面等參數(shù)線上P點的坐標(biāo)(XP,YP,ZP)及該點的單位法向量n= (nx,ny,nz)。直接提取得到的點坐標(biāo)并非編程所需的砂帶磨削刀位點坐標(biāo)O(XO,YO,ZO)，而是磨削接觸點P沿n偏置一定距離得到的，O點坐標(biāo)求解公式為[10]

(1)

其中，R為接觸輪回轉(zhuǎn)半徑 (包括砂帶厚度)；kh為加工精度法向調(diào)整量，k為0或1。圖5為輪輻曲面刀位點提取示意圖。

圖5　輪輻曲面刀位點提取示意圖

(3)刀軸矢量的計算。砂帶磨削的接觸輪繞自身軸線高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其刀軸矢量定義為過刀位點平行于軸線的向量。為了使磨削過程中接觸輪與磨削表面的嚙合程度最高、磨削干涉最小，砂帶接觸輪(含砂帶)與曲面在該接觸點處的最小曲率方向應(yīng)重合。其中，砂帶接觸輪的最小曲率方向平行于刀軸矢量[11]。自由曲面方程可以表示為[12]

r=r(u,v) = (x(u,v),y(u,v),z(u,v))

u,v∈[0,1]

將參數(shù)u，v表示為參數(shù)t的函數(shù)，即u=u(t),v=v(t)。

(2)

圖6所示為機(jī)器人鋁合金輪轂?zāi)ハ鞯遁S矢量。

圖6　機(jī)器人鋁合金輪轂?zāi)ハ鞯遁S矢量

3.2.2機(jī)器人運(yùn)動學(xué)求解

(1)機(jī)器人連桿模型。機(jī)械手都是由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)構(gòu)成的，它們各具有1個自由度。對于機(jī)器人磨削，如果磨削接觸輪呈鼓形，則工件和磨削接觸輪之間屬于點接觸，實現(xiàn)理想磨削需要5個自由度；如果磨削接觸輪為規(guī)則圓柱體，則工件和接觸輪之間屬于線接觸，機(jī)器人需要6個自由度才能實現(xiàn)自由曲面的插值[13]。結(jié)合機(jī)器人連桿建立原則和機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸，建立本研究所用機(jī)器人連桿坐標(biāo)系模型，如圖7所示。其中，CW為工件坐標(biāo)系，CO為參考坐標(biāo)系，CT為刀具坐標(biāo)系，C1～C6為中間連桿坐標(biāo)系。

圖7　機(jī)器人連桿坐標(biāo)系模型

(3)

(4)

其次，對末端連桿關(guān)節(jié)點位置求解。末端連桿參考點在基礎(chǔ)坐標(biāo)系C0中的坐標(biāo)0P6O可以通過以下方式計算：

(5)

再次，求手腕位置逆解。機(jī)器人手腕參考點P4O(P5O、P6O)的位置只與θ1、θ2和θ3相關(guān)。該點在基準(zhǔn)坐標(biāo)系的位置是

(6)

(7)

解運(yùn)動學(xué)方程時，很可能會碰到多重解。研究采用 “最短行程”準(zhǔn)則解決多重解問題，即在沒有障礙物的情況下，在關(guān)節(jié)空間中選取一個最接近前一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的解作為最優(yōu)解以排除多重解，從而求出θ1、θ2和θ3。

最后，求手腕姿態(tài)逆解。由于三軸交于一點，故θ4、θ5和θ6只影響手腕的姿態(tài)。解出θ1、θ2和θ3之后，再通過手腕的姿態(tài)，由下式即可解出θ4、θ5和θ6：

(8)

cθi=cosθisθi=sinθii=4，5，6

運(yùn)動學(xué)方程(式(8))包含9個方程和3個未知數(shù)，本研究按照求解的難易程度確定求解順序依次為θ6、θ5和θ4。

最終通過離線編程方式完成了輪輻表面拋光的控制程序編寫。在此基礎(chǔ)上，通過選取美國3M公司生產(chǎn)的粒度為240#的黑碳化硅砂帶用于輪轂表面拋光。圖8所示為鋁合金輪轂光整加工后的效果，可見，輪輻曲面經(jīng)過離線編程控制的機(jī)器人砂帶拋光后完全達(dá)到加工要求。

圖8　鋁合金輪轂光整加工后的效果圖

4結(jié)語

本文根據(jù)對鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)和光整加工要求的分析結(jié)果，采用示教編程和離線編程集成使用的控制技術(shù)，完成了鋁合金輪轂機(jī)器人光整加工。機(jī)器人在由示教編程得到的程序控制下對輪輻邊緣進(jìn)行去毛刺，在由離線編程得到的程序控制下對輪輻表面進(jìn)行拋光；光整加工后，輪輻輪廓光整，輪輻表面均勻、光潔，均達(dá)到了加工要求。

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(編輯張洋)

收稿日期：2015-09-28

基金項目：重慶市研究生科研創(chuàng)新項目(CYS14038)；國家科技重大專項(2014ZX04001031)

中圖分類號：TG596；TP242.2

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.14.003

作者簡介：楊仲升，男，1992年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為機(jī)電一體化及先進(jìn)控制技術(shù)。黃云，男，1962年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師，重慶市材料表面精密加工及成套裝備工程技術(shù)研究中心主任。鄒萊(通信作者)，男，1989年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。任旭，男，1990年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

Research on Robot Control Technology for Finishing Cut Process of Aluminum Alloy Hubs

Yang Zhongsheng1Huang Yun1, 2Zou Lai1Ren Xu1

1.Chongqing University，Chongqing，400044 2.Chongqing Engineering Research Center for Material Surface Precision Machining and Whole Set Equipment，Chongqing，400021

Abstract：A robot control technology that integrated teaching programming method with off-line programming method was proposed to complete the finishing cut of hubs by comparing the merits and demerits of these two methods, based on analyzing the structure of aluminum alloy wheel hubs and the requirements of finishing cut. The off-line programing was achieved by using Pieper method to complete robot inverse kinematics solution, according to the point’s informations of hub surface tool path and robot kinematic equations. The research shows that the robot control technology integrated teaching and off-line programming method satisfies the finishing cut requirements, and greatly enhance the efficiency of hub finishing cut.

Key words：robot； control technology； finishing cut； aluminum alloy hub