碳纖維機器人打磨系統的研發

葛云迪

上海電氣自動化集團有限公司 上海 200233

1 研發背景

碳纖維復合材料具有低密度、高比強度、高比模量等優良性能,在工業上得到廣泛應用。由于現有碳纖維復合材料成型工藝的不足,成品外觀差,產生波紋和孔洞在所難免。對此,應采取打磨措施處理碳纖維復合材料的表面質量,這對擴大應用領域能起到不可或缺的作用。傳統打磨流程往往以人工操作為主,工作環境惡劣,效率低,費時費力,產品均一性差,在塵埃環境中工人長時間工作,對健康有害。由此,智能機器人操作將是未來取代人工操作的大趨勢。

自1959年第一臺工業機器人誕生以來,工業機器人一直被廣泛應用于代替人工進行高強度作業或高危場所作業。目前關于機器人的研究也廣泛應用于打磨領域,在大多數高危有害工作場所中,機器人可以保質保量地完成煩瑣操作。機器人打磨系統控制技術的不斷發展,提高了行業生產效率,在確保產品質量的同時,為傳統工業帶來新的生機。

目前國內采用工業機器人進行自動化作業的企業還較少,在自動化打磨加工設備和操作方法普遍缺乏的情況下,工件表面的不規則性使打磨加工設備與被加工表面的相對運動較為復雜,工業機器人的動作程序難以編寫,高精度打磨面臨著諸多問題。一方面,大多數打磨工作依靠人工示教,編寫的打磨路徑過于復雜,使打磨路徑難以保證所需求的高精度。另一方面,由于打磨設備磨損等因素,大多數工具坐標系難以進行高精度標定。出現這一問題的主要原因是現有的工業機器人控制程序有欠缺,工業機器人采用開環控制,整個控制系統中沒有反饋機制,使工業機器人無法得知工作結果如何,只是按照預設系統指令工作,控制系統沒有反饋。

筆者研發碳纖維機器人打磨系統,針對精度的提高,從三個方面進行研究,分別是打磨器具、打磨對象標定、打磨方式。在完成打磨系統研究后,使用機器人仿真軟件生成打磨程序,并實際測試機器人打磨系統的成效,檢驗系統的可靠性。

2 碳纖維機器人打磨系統結構

碳纖維機器人打磨系統主要包括工業機器人、主動力位執行器、磨具、除塵模塊、轉臺、實時通信系統、過程模塊控制器,結構如圖1所示。

圖1 碳纖維機器人打磨系統結構

碳纖維機器人打磨系統中采用發那科M-800iA/60高精度機器人作為打磨任務的主體,有效負載為600 N,重復定位精度為±0.015 mm,操作半徑為2 040 mm。為滿足打磨任務末端穩定的需求,使用主動力位執行器和打磨頭,作為力控制系統的末端執行器集成,如圖2所示。末端執行器集成包含力的傳感機構,確保設備開環控制快速響應。壓力保持的執行機構能夠跟隨工件表面變化而自動彈性伸縮,保持恒定力。

圖2 末端執行器集成

3 工具標定

當工業機器人在末端安裝不同的工具用于完成各種任務,或者末端工具與工件接觸時,需要標定工具坐標系。工具坐標系是末端工具在機器人基坐標系中的對應位置,坐標系的精度關系到作業時的軌跡精度。工具坐標系標定時,要解析工具坐標系與機器人末端坐標系之間的對應關系。目前,對于工具坐標系的標定在國內外都有研究,主要都是求解機器人基坐標系與工具坐標系之間的變換。

工具坐標系的變換分為工具中心位置標定和工具坐標姿勢標定兩部分。工具中心位置標定是將機器人原本的手腕中心點位置變換為多個標定點中心重合的位置,也就是新零點。工具坐標姿勢標定是改變多個標定點對應的姿態,從而求解工具坐標系和機器人默認工具坐標系的對應姿態。

(1)

用分塊矩陣的形式表示,可得:

(2)

令式(2)等號兩邊對應列相等,得:

(3)

工具中心位置在機器人基坐標系{B}下的位置BPtcp不變,得到:

(4)

EPtcp為未知量。對式(4)變換,得:

(5)

使用發那科機器人自帶的四點法進行標定,取各自之間相差90°且不在同一平面上的四個點,計算出工具中心的位置。其中,不共線的三個點可解得工具中心點,最后一點用于計算誤差。

為了提高產品表面的均勻程度,打磨工具需時刻保持與打磨曲面的截面垂直。對于工具坐標系的方向,有三種標定方法,分別為機器人默認方向、使用X軸和Z軸上各標定一點的XZ方向、在X軸與Y軸上標定一點的XY方向。為保證機器人打磨過程中姿勢的穩定,選用默認坐標系,即使用機器人基坐標系{B}的工具坐標姿勢的標定,工具坐標系姿態從而確定。

4 工件打磨軌跡計算

當前國內所使用的工業機器人通常執行重復操作以完成相同的過程,即按照預設的程序重復。工業機器人在預設程序的驅使下,對打磨過程中需要經過的所有點進行打磨,并且重復動作,產品均一性高。但是,面對外觀曲面多變的工件時,因為打磨運動路徑復雜,機器人打磨工件情況難以反饋,容易引起加工精度低等現象。

為了保證打磨過程中打磨頭對接觸區域均勻打磨,需要通過在工業機器人末端加裝力傳感器采集工件表面信息,完成對工件的精確定位,從而計算出貼合待加工表面運動的復雜軌跡。為了提高測量精度,設計了用于采集數據的測量工裝,如圖3所示。工件測量點如圖4所示。

設測量點Pi的坐標為Pi(Xi,Yi,Zi),通過旋轉底座在工件表面為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置分別測量八個測量點的坐標,以獲取工件表面大致曲線。取0°時的八個測量點進行計算,上表面斜率θ1通過P1到P4的坐標進行計算:

(6)

通過圓弧起點坐標P4(0,Y4,Z4)、圓弧上一點坐標P5(0,Y5,Z5)、圓弧終點坐標P6(0,Y6,Z6)共三點,可以計算確認圓弧上的軌跡。設圓弧圓心坐標為P0(0,Y0,Z0),半徑為r,因為三個點到圓心的距離相等,可得:

(7)

化簡可得:

(Y1-Y2)Y0+(Z1-Z2)Z0

(8)

(Y1-Y3)Y0+(Z1-Z3)Z0

(9)

(10)

將式(10)代入式(7),得到圓弧所在的圓方程,從而得到圓弧上任意一點的位置信息。為了保證接觸力的方向垂直于打磨面,還需要確認圓弧上任意一點的截面,以充分確定打磨時工具的姿態。對此,選取圓弧上任意一點Pe(0,Ye,Ze),求此點在圓弧上的切線,計算出此點相對于工具坐標系的斜率θ2。設圓半徑P0Pe所在的直線和過點Pe的切線斜率分別為K1、K,可得:

(11)

(12)

得到θ2為arctanK。

最后通過P6、P7、P8點求解工件側面相較于工具坐標系的斜率θ3,為:

(13)

按照上述計算方法,分別在角度為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時計算工件在機器人基坐標系的對應點,計算出工件的準確位置,至此完成工件的精準定位。

5 應用實例

通過以上計算和標定后,生成打磨路徑數據,運用發那科機器人仿真程序ROBOGUIDE進行仿真。設置機器人運動參數,主軸轉速為3 000 r/min,進給速度為5 mm/s,打磨正壓力為50 N。利用仿真程序進行測試,設計合理的機器人運動軌跡。最終生成打磨程序,完成實際打磨任務。

打磨完成之后,通過人工測量和機器人輔助測量,對打磨結果進行評定。打磨測量結果見表1。

表1 打磨測量結果 mm

由表1可以看出,最大誤差為0.09 mm,最小誤差為0.01 mm,平均誤差在0.06 mm以內。工件厚度均勻,滿足工件的加工需求。

6 結束語

筆者采用發那科M-800iA/60機器人構建碳纖維機器人打磨系統,重點研究機器人自動打磨的可行性,通過對打磨工具和工具標定算法研究,提出簡單可靠的標定算法和打磨形式,從而實現高精度自動打磨。在實現打磨功能的前提下,有效改善打磨碳纖維復合材料導致的粉塵危害,降低工人的勞動強度,而且大大提高打磨效率,滿足行業大批量生產的自動化需求。通過實例驗證了碳纖維機器人打磨系統的智能性和實用性。