機器人在模具加工中的應用研究

張永超

駐馬店技師學院

機器人在模具加工中的應用研究

張永超

駐馬店技師學院

自工業革命以來，人與機器的關系就一直受到關注，新機器的出現總會伴隨著對大量失業的擔憂。但是，工業化的歷史中并沒有出現因機器造成的長期的、大規模的失業，技術進步總能創造出新的適合人類勞動者的工作崗位。機器人出現之后，人機關系有了新的內容，機器和人類勞動者在崗位上再次調整分配結構，同時，人與機器的關系也由原來的操作者與操作對象向合作伙伴發生轉變。目前，機器人具有柔性好、自動化程度高、可編程性、通用性等特點，已經廣泛運用到工業加工制造的各個方面。本文就對機器人在模具加工中的應用進行分析和探討。

機器人；模具加工；應用

1 機器人發展趨勢和特點

機器人的發展趨勢是向“高速，高精，重載，輕量化和智能化”方向發展。JSME2008年度日本機械學會從技術重要性不斷增強的機器人領域的角度，對機器人的平均功率比密度、精度、智能化水平等關鍵參數進行了分析與預測(－2030年)。在對絕對準確有要求的機器人設計中，經過不斷改進，絕對精度可能會接近重復定位精度。通過材料技術的進步，減輕驅動器質量，提高剛度，提高伺服電機和驅動器的平均功率比密度。因此，機器人技術有如下特點:

1)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應用開發等先進制造技術于一體，通過對過程實施檢測、控制、優化、調度、管理和決策，實現增加產量、提高品質、降低成本、減少資源消耗和環境污染，是工業自動化水平的最高體現。

2)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產等技術特點，是繼動力機械、計算機之后，出現的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具，是實現生產數字化、自動化、網絡化以及智能化的重要手段。

3)機器人與自動化成套裝備是生產過程的關鍵設備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產環節，并廣泛應用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫藥、冶金及印刷出版等眾多行業，應用領域非常廣泛。

4)機器人與自動化成套技術，融合了多項學科，涉及多項技術領域，包括機器人控制技術、機器人構建有限元分析、激光加工技術、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術，技術綜合性強。

2 機器人在模具加工中的應用

2.1 軌跡規劃

模具加工生產過程中，機器人要完成多種運動軌跡以符合生產過程。機器人生成的運動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量，機器人軌跡規劃研究有著不可替代的作用。為此，研究人員針對機器人模具加工軌跡規劃進行了相關的研究，提出了一種面向復雜曲面加工的機器人軌跡生成算法，借助CAD/ CAM技術完成復雜曲面的建模，根據三角面片各點坐標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，然后推導出三角面片邊上相鄰交點的增量公式，最后通過機器人編程得到復雜曲面的加工運動軌跡。該算法實現了任意復雜曲面加工軌跡的生成。模具加工往往有著不同的機械結構，復雜性程度高，因機器人的自動化程度高，以成熟的CAD/CAM技術應用為基礎，結合計算機技術及精密設備的發展，從而進行軌跡規劃和優化，將是提高模具加工質量的一個重要方面。

2.2 離線編程

機器人是一個可編程的機械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度取決于機器人的編程能力。在模具加工中，應用范圍持續擴大的同時，工作復雜程度也不斷增加，可以代替數控機床加工復雜曲面等。示教編程過程繁瑣、效率低，難以完成對復雜路徑的規劃，而離線編程無需機器人本身及其控制系統參與，可根據不同的工件加工信息進行外部程序編制。例如，以UGNX為CAM基礎的機器人加工系統，利用NX數控加工功能產生相應的切削加工軌跡及G代碼，應用C++及后置處理POST將加工G代碼轉換成機器人能夠識別并加工的代碼(TCL)。還有以R EIS R V16機器人為仿真加工平臺，建立切削加工機器人的原型系統，對其后置處理過程的坐標系變換、運動學求解、冗余自由度和奇異點回避問題進行推導和論述。建立切削加工機器人的仿真和后置處理系統平臺，并完成2D和3D樣件的加工。隨著計算機技術的逐步完善，強大的圖形處理能力和計算能力為機器人模具加工離線編程技術的發展提供了良好的發展平臺。

2.3 加工精度與誤差補償

精度不僅是衡量模具加工系統整體性能的一個重要標準，而且將直接影響到工件的加工質量。如何提高機器人的加工精度，關系到整個機器人加工系統的應用，不再局限于低精度要求的加工任務。加工精度的改善和誤差補償機制可大幅度提高加工效率和質量，降低產品開發周期，對于提升我國模具加工技術水平具有重要意義。

2.4 剛度

剛度是機器人性能優化極為重要的方面，對機器人加工質量與加工穩定性具有重要影響。雖然機器人可替代傳統CNC設備進行模具加工，對于一些高精度、剛度要求的生產過程，其應用仍有一定的局限性。為解決這類問題，對此進行了相關的研究。例如，基于一種機器人加工系統剛度性能優化方法，基于傳統剛度映射模型，通過辨識實驗獲得機器人關節剛度;約束機器人加工位姿、關節角度，以機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化指標，采用遺傳算法進行機器人姿態優化。

結語

目前，已有大量的中國企業投身機器人技術的研發和機器人的制造。以美國為代表的發達國家，也著力加強機器人在傳統制造業中的應用，希望通過原有工業基礎優勢，加速形成生產自動化競爭優勢，徹底解決勞動力障礙，重新奪回制造業特別是長期已經放棄的日常用品制造業的霸主地位，促使外移產業回遷。應該引起重視的是，在機器人關鍵技術，特別是關鍵零部件技術方面，發達國家仍處于技術壟斷地位，中國機器人技術的發展，仍面臨歐美日等發達國家的重大挑戰。

[1]趙春光.微小研拋機器人運動與加工系統研究[D].吉林大學,2009.

[2]滕冠.數控加工技術在模具制造中的應用[J].科技傳播,2011,12: 185+192.