基于KUKA工業機器人的柔性加工系統研發探析

盧彥林

摘要：工業機器人是一種集多種先進科學技術為一體的裝備，其具有自動化程度高、通用性強、可編程性、柔性好的優良特點，廣泛應用于機械加工行業。本文以KUKA工業機器人為研究對象，開發了基于KUKA工業機器人的柔性加工系統。并針對KUKA控制系統接口特點，結合KUKA工業機器人正逆向運動學原理，對基于KUKA工業機器人的柔性加工系統在零件打磨中運行性能進行了驗證。

Abstract： Industrial robot is a kind of equipment that integrates many advanced science and technology. It has the characteristics of high automation， versatility， programmability and flexibility， and is widely used in the machining industry. This paper develops a flexible machining system based on KUKA industrial robots with KUKA industrial robots as the research object. According to the interface characteristics of KUKA control system and the principle of forward and inverse kinematics of KUKA industrial robot， the running performance of the flexible machining system based on KUKA industrial robot in the grinding of parts is verified.

關鍵詞：KUKA工業機器人;柔性加工系統;打磨加工

Key words： KUKA industrial robot;flexible processing system;grinding processing

中圖分類號：TP242.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0170-02

0? 引言

汽輪機葉片等表面復雜且精度要求較高的自由曲面類零件打磨拋光大多由人工手持作業工具，在自動化工具輔助下進行。整體加工過程無法保證零件形位精度、表面微觀物理屬性，且整體成本損耗較大。而基于KUKA工業機器人的柔性加工系統，在定位精度、運動耦合、加持靈活度等方面具有較大的優勢。因此，對基于KUKA工業機器人的柔性加工系統的研究開發進行適當探析具有非常重要的意義。

1? 基于KUKA工業機器人的柔性加工系統方案設計

基于KUKA工業機器人的柔性加工系統主要包括機器人本體、控制器、上位PC機、手持示教器、加工主軸及控制系統組成。具體系統設計主要是將機器人、加工主軸等機械本體，與工業機器人控制系統有機結合，實現加工各模塊的一體化控制管理[1]。其中工業機器人、加工主軸是系統運動控制及柔性加工作業的核心，其可以利用數據通信，根據不同加工材料、模型結構，進行針對性調整，協調系統各環節穩定運作;上位PC機主要以CAD（計算機輔助設計）模型生成數控加工程序為主要任務，其可以自動規劃工業機器人加工軌跡，并根據機器人系統運行軌跡，進行數字信號的合理配置;利用手持示教器完成打磨工作站零件坐標系、工具坐標系等參數的設置與標定。

依據上述模塊特點及功能，本次設計主要采用KUKA KR250六自由度工業機器人，搭載KR C4控制器。經Profibus/DP總線，與外部控制系統進行信息交互，實現對加工主軸的自動控制。同時設計轉接法蘭，實現加工主軸與工業機器人的機械連接。

2? 基于KUKA工業機器人的柔性加工系統軟硬件配置

2.1 基于KUKA工業機器人的柔性加工系統軟件配置

基于KUKA工業機器人的柔性加工系統軟件系統主要包括KUKA示教器軟件、上位PC機軟件兩個模塊。其中KUKA手持示教器軟件主要是通過控制機器人運動軌跡點，完成加工前輔助運行的控制，包括打磨頭的選擇與更換、由起始點為運動到過渡點位等工作;上位PC機則是對建模軟件制作好的加工工件模型，進行后置處理，自動生成工業機器人加工軌跡與加工工藝。在基于KUKA工業機器人的柔性加工系統軟件設計過程中，可以首先建立待加工工件CAD模型，隨后將待加工工件CAD導入UG（Unigraphics NX）內，進行數控加工優化設計，初步規劃待加工工件運動軌跡，并生成與APT（亞洲-太平洋電信組織）標準相符合的數控加工代碼。

其次，考慮到基于KUKA工業機器人的柔性加工系統無法直接利用數控加工代碼。依據APT（亞洲-太平洋電信組織）語言及機器人KRL編程語言特點，可進行APT（ 亞洲-太平洋電信組織）轉換程序的開發。即從數控加工代碼內進行軌跡坐標抽取。并將其轉化為工業機器人可以識別的坐標信息，如GOTO→PTP/LIN，或者CIRCLE→CIRC等。最終形成完善的KUKA工業機器人的柔性加工離線編程文件。

最后，在KUKA工業機器人的柔性加工系統內導入離線編程軟件。并在手持編程器內，進行編輯、修整、執行。由于手持式示教器為輔助模塊，可以將其與工業機器人控制器進行連接，并在KUKA smartHMI界面內，進行負載參數設定、軌跡編程、加工坐標輸入、坐標系標定等操作。其中在軌跡生成模塊，一般基于KUKA工業機器人的柔性加工系統運動軌跡計算主要采用二叉離散法。即依據曲面細分特性，將加工自由曲面沿參數線方向逐步細分。并將細分后獲得點位作為加工時加工工具與待加工材料接觸點。以打磨盤沿y方向打磨為例，可由首先選取y=0作為初始參數曲線。隨后對參數線打磨觸點進行逐一計算。在每一打磨觸點位置計算加工行距Hn，獲得離散點位置加工行距{Hn，x}，選擇最小加工行距Hnmin=min{Hn，x}，則得出本條參數曲線走向。通過重復計算多條等參數曲線參數，直至y大于或者等于1。在獲得打磨工具與待打磨工件間觸點軌跡后，基于定位精度引入誤差相似度殘差補償方法。基于誤差相似度，對工業機器人殘余誤差進行估計分析。并根據不同打磨工具類型，對KUKA工業機器人絕對定位精度進行核算，以獲得詳細的打磨作業中KUKA工業機器人運動軌跡。

2.2 基于KUKA工業機器人的柔性加工系統硬件配置

在基于KUKA工業機器人的柔性加工系統硬件設計過程中，主要包括工業機器人本體、加工主軸及輔助系統等幾個模塊。其中在工業機器人本體設計過程中，基于作業任務設計與執行控制的一體化要求，設計人員可以KUKA工業機器人柔性加工系統集成模塊為核心，設定KUKA工業機器人臂長及末端位置最大分別為1.30、2.70m，以保證工業機器人本體滿足大規模作業要求;而在加工主軸及輔助系統設計過程中，可在工業機器人本體設計的基礎上，在工業機器人末端安裝加工工具，并進行轉接法蘭的合理設計。即將法蘭、加工主軸安裝座（鋼材）、加工主軸進行有效連接。促使加工時安裝座受力位移變化、電機加裝位置變化在設計要求限度內，保證柔性加工作業任務順利完成。選擇銑削變頻用電加工主軸作為主要工具，以水冷卻作為主要冷卻方式。同時根據加工主軸運行情況，配置輸出頻率為0.0-400.0Hz的臺達變頻器。其內部具有PID反饋控制，可支持現場通訊界面自動轉矩、滑差補償。隨后基于工業機器人柔性加工KRC4控制需求，在變頻器通訊接口位置設置臺達Profibus/DP通訊模塊。并結合柔性加工控制系統啟停狀態控制需求，選用西門子分布式IO設備ET200.0M，集成控制柔性加工系統外圍設備。

3? 基于KUKA工業機器人的柔性加工系統在零件打磨中運行性能驗證

該驗證實驗主要是在Windows 10（CPU2.60GHz、內存4.0GB）系統內，利用ACI+Hoops+InterOP開發平臺，進行操作。在該零件打磨中主要利用不銹鋼金屬絲盤，以電主軸為主要動力來源，選擇KUKA機器人及上文中提到的其他軟硬件設施參數。施加設定恒力為24.8N，打磨工具運轉速度為1150r/min，緊急速度及殘留高度分別為0.58m/min、0.048mm。

在基于KUKA工業機器人柔性加工系統打磨作業開展過程中，打磨盤始終沿6.8°斜切打磨主軸，整體打磨過程中實際承受壓力始終良好。采用KUKA工業機器人柔性加工系統打磨軌跡，加工效率遠高于常規加工，且沒有過加工現象出現，有效的保證了零件打磨加工質量[3]。同時利用ZYGO表面輪廓儀，對打磨后零件表面與前期打磨表面對比，可以得出零件表面殘余高度在0.0048mm-0.011mm范圍內，遠低于標準要求的殘余高度，整體打磨精確度較高。這主要是由于基于KUKA工業機器人柔性加工系統在實際運行過程中，通過誤差相似度殘差補償及自動控制，結合運動學參數標定，可有效辨識出機器人運動軌跡點誤差，進而有效提高工業機器人絕對定位精度。

4? 總結

綜上所述，工業機器人由于其高柔性和低成本而在柔性加工系統中得到了越來越廣泛的應用，而合理設置基于KUKA工業機器人的柔性加工系統軟硬件，是有效提高機器人的絕對定位精度、保證產品質量的關鍵。因此，為進一步提高基于KUKA工業機器人柔性加工系統運行精確度，可從機器人本體、控制器、上位PC機、手持編程器、加工主軸及控制系統等模塊入手，進行軟硬件系統的合理設置。同時依據KUKA機器人運行特點，在Windows XP系統中對其運行情況進行仿真驗證，保證KUKA工業機器人的柔性加工系統實際效用充分發揮。

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