何功漢，劉 凱，席文明

（廈門大學(xué)機(jī)電工程系，福建 廈門 361005）

當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于焊接件磨平[1]、鑄造件去毛邊[2]、沖壓件去毛刺[3]、輪轂[4]、模具和復(fù)雜外形零件的拋光[5]等加工中，與工業(yè)機(jī)器人焊接[6]、噴涂[7]、上下料[8]、碼垛[9]相比，工業(yè)機(jī)器人加工需要更高的精度?，F(xiàn)階段，工業(yè)機(jī)器人加工中的示教編程方法制約著加工精度的提高。所謂示教編程是操作者利用示教盒控制工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到一個(gè)編程點(diǎn)，操作者通過觀察調(diào)整好工業(yè)機(jī)器人的位置和姿態(tài)，記錄下該編程點(diǎn)，重復(fù)上述過程，記錄下一系列編程點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人利用這一系列編程點(diǎn)自動(dòng)生成工業(yè)機(jī)器人程序。但是，示教編程存在以下的缺點(diǎn)：其一，工業(yè)機(jī)器人的工作精度取決于操作者的觀察和經(jīng)驗(yàn)，精度低；其二，編程在現(xiàn)場進(jìn)行，占用工業(yè)機(jī)器人工作時(shí)間。

軟件編程可有效提高工業(yè)機(jī)器人的工作精度[10~13]。所謂軟件編程是在軟件中導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人模型、夾具模型、被加工零件模型和加工零件的機(jī)床模型，然后在被加工零件模型表面上取點(diǎn)，由軟件根據(jù)所取點(diǎn)自動(dòng)生成工業(yè)機(jī)器人軌跡程序。軟件編程具有以下的優(yōu)點(diǎn)：其一，利用工業(yè)機(jī)器人模型編程，不需要操作實(shí)際工業(yè)機(jī)器人，可遠(yuǎn)離工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場編程，編程也不占用工業(yè)機(jī)器人的工作時(shí)間；其二，軟件編程是在被加工零件模型表面取點(diǎn)，其位置和姿態(tài)精度高，理論上的軌跡誤差為零。

雖然軟件編程可以獲得高精度，但要想在高編程精度基礎(chǔ)上獲得高工作精度，需要建立軟件空間中的各模型與實(shí)際空間中的各模型對象的一致性，即軟件中的工業(yè)機(jī)器人模型、被加工零件模型、加工零件的機(jī)床模型與實(shí)際空間中的工業(yè)機(jī)器人、被加工零件、加工零件的機(jī)床之間的位置和姿態(tài)一致。

本文首先利用力傳感器對實(shí)際空間中各對象間的位置與姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，求取兩兩對象間的位置和姿態(tài)誤差；其次，利用標(biāo)定時(shí)求取的位置與姿態(tài)誤差，調(diào)整軟件中各模型間的位置與姿態(tài)，使實(shí)際空間中的各對象位置、姿態(tài)與軟件空間中的各對象模型的位置、姿態(tài)關(guān)系一致。本文研究的方法也可以應(yīng)用到機(jī)器人輔助手術(shù)中，因?yàn)闄C(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)中存在計(jì)劃空間（相當(dāng)于軟件編程空間）和實(shí)際機(jī)器人空間，需要利用兩空間的一致性保證手術(shù)的準(zhǔn)確性。

1 標(biāo)定用力傳感器原理

圖1為設(shè)計(jì)的力傳感器，其由圓環(huán)和兩組梁組成，兩組梁分別為固定梁和浮動(dòng)梁，兩組梁上安裝有應(yīng)變片。固定梁的兩端分別與圓臺和圓環(huán)相連，而浮動(dòng)梁一端與圓臺相連，一端與圓環(huán)接觸。圓環(huán)可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而壓浮動(dòng)梁上的應(yīng)變片，當(dāng)圓環(huán)受F向力時(shí)，該力通過轉(zhuǎn)軸傳遞給固定梁上的應(yīng)變片，即浮動(dòng)梁上的應(yīng)變片檢測圓環(huán)的偏轉(zhuǎn)，而固定梁上的應(yīng)變片檢測圓環(huán)的平移。利用該力傳感器可以標(biāo)定工業(yè)機(jī)器人、夾具、加工零件的機(jī)床之間的位置和姿態(tài)。1(a)是力傳感器原理圖，圖1（e）為力傳感器實(shí)物。

力傳感器的工作原理為：當(dāng)標(biāo)定塊如圖1（b）向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，力傳感器圓環(huán)有繞轉(zhuǎn)軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢，這時(shí)左半個(gè)浮動(dòng)梁受壓，同時(shí)，固定梁受壓。當(dāng)標(biāo)定塊如圖1(c)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，力傳感器圓環(huán)有繞轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢，這時(shí)右半個(gè)浮動(dòng)梁受壓，同時(shí)，固定梁受壓。當(dāng)標(biāo)定塊如圖1(d)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)榱鞲衅髋c標(biāo)定塊沒有姿態(tài)誤差，固定梁上的應(yīng)變片輸出信號不變，這樣，通過標(biāo)定塊與力傳感器接觸并上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同應(yīng)變片輸出的信號，就可以檢測出標(biāo)定塊與力傳感器的姿態(tài)誤差。當(dāng)標(biāo)定塊沿F向與圓環(huán)接觸時(shí)，固定梁上應(yīng)變片輸出信號，從而檢測出標(biāo)定塊與力傳感器的位置誤差。

圖1 力傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

2 實(shí)際空間與軟件空間的一致性建立

實(shí)際空間與軟件空間的一致性關(guān)系建立過程為：首先，以工業(yè)機(jī)器人為基準(zhǔn)，利用尖頂標(biāo)定塊標(biāo)定工業(yè)機(jī)器人與力傳感器之間的位置，見圖2中的（1）所示；利用第一個(gè)方形標(biāo)定塊標(biāo)定工業(yè)機(jī)器人與力傳感器之間的姿態(tài)，見圖2中的（2）所示；利用以上兩個(gè)步驟因?yàn)榱鞲衅靼惭b在加工機(jī)床上，上述過程實(shí)際上是標(biāo)定工業(yè)機(jī)器人與加工機(jī)床之間的位置與姿態(tài)；然后，將夾具安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端，在夾具上夾持第二個(gè)方形標(biāo)定塊，以標(biāo)定好的力傳感器為基準(zhǔn)，標(biāo)定夾具與力傳感器之間的位置和姿態(tài)，見圖 2 中的（3）、（4）；最后，利用標(biāo)定的工業(yè)機(jī)器人與力傳感器、力傳感器與夾具之間的位置與姿態(tài)誤差調(diào)整軟件中的加工機(jī)床模型、夾具模型的位置和姿態(tài)，使其與實(shí)際空間中的對應(yīng)對象的位置和姿態(tài)一致，這樣，可以通過修正軟件中的模型位置與姿態(tài)建立軟件空間與實(shí)際空間的一致性，即該標(biāo)定方法只需調(diào)整軟件中模型就可以完成兩者一致性標(biāo)定，不需要對實(shí)際空間中的對象位置和姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 實(shí)際空間與軟件空間一致性建立原理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3是研制的工業(yè)機(jī)器人磨削系統(tǒng)，由ABB工業(yè)機(jī)器人（IRB4400，60 kg）、磨削機(jī)床(自行研制)和夾具（自行研制）組成，它們之間存在誤差，需要對其誤差進(jìn)行標(biāo)定。圖3(a)是工業(yè)機(jī)器人磨削機(jī)床，力傳感器安裝在磨削機(jī)床上，圖3(c)-3(d)是利用不同標(biāo)定塊對力傳感器的位置和姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)際上是對磨削機(jī)床的位置和姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定后的位置與姿態(tài)誤差修改圖3(b)軟件中的磨削機(jī)床模型的位置和姿態(tài)，使軟件中的機(jī)床模型位置和姿態(tài)與實(shí)際機(jī)床的位置和姿態(tài)保持一致。校正好磨削機(jī)床后，再用標(biāo)定好的力傳感器校正夾具（見圖3(e)），夾具上安裝有另一種標(biāo)定塊。同樣，利用校正后的位置與姿態(tài)誤差修改圖3(b)軟件中的夾具模型的位置和姿態(tài)，使軟件中的3D夾具模型位置和姿態(tài)與實(shí)際夾具位置和姿態(tài)保持一致。

圖3 工業(yè)機(jī)器人磨削系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

借助于力傳感器，對該磨削系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定以及建立實(shí)際空間與軟件空間的一致性后，在磨削系統(tǒng)上進(jìn)行零件磨削實(shí)驗(yàn)。首先，在軟件中進(jìn)行零件磨削軌跡編程，由于建立了軟件空間與實(shí)際空間的一致性，則將軟件空間編制的軌跡程序映射到實(shí)際空間的精度為標(biāo)定的精度。

被磨削的零件為鑄造的銅件毛胚，磨削機(jī)床由四個(gè)機(jī)臺構(gòu)成，依次進(jìn)行四道磨削工序，砂帶粒度號分別為80、180、320和600。實(shí)驗(yàn)過程中共磨削了兩個(gè)同樣的零件，首先用80號砂帶去掉零件表面的粗糙面和坑洼；再用180號砂帶進(jìn)行中磨，把零件表面磨細(xì)并修整外形輪廓；接下來用320號砂帶進(jìn)行磨削，使表面趨于較理想外觀，保證線條清晰、結(jié)構(gòu)勻稱；最后用600號砂帶進(jìn)行精加工，使表面達(dá)到理想的外觀輪廓。表面過渡圓滑，同時(shí)無明顯砂眼、氣孔等缺陷。經(jīng)過四道磨削工序，磨削后的零件如圖4所示。

圖4 工業(yè)機(jī)器人磨削和拋光后的零件

當(dāng)磨削結(jié)束后，需要對不同零件的磨削量進(jìn)行檢測，圖5為磨削實(shí)驗(yàn)的檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由加工中心、百分表、被加工零件和夾具組成，百分表裝夾在加工中心主軸上，夾具固定在加工中心工作臺上，夾具內(nèi)部裝有氣手爪，氣手爪的兩個(gè)手指插入水龍頭底部的兩個(gè)螺紋孔內(nèi)，并向兩側(cè)撐開，被加工零件靠底部的兩個(gè)螺紋孔和底面定位。

圖5 磨削實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)

操縱加工中心，利用百分表尖點(diǎn)觸碰零件表面上的路徑點(diǎn)，讀出尖點(diǎn)在加工中心坐標(biāo)系中的Z向數(shù)值。分別測試毛胚件和兩個(gè)磨削件在相同路徑點(diǎn)處的數(shù)值，然后用毛胚件測得的數(shù)值減去磨削件測得的數(shù)值，即可得到對應(yīng)路徑點(diǎn)處的磨削量。圖6為兩個(gè)磨削件上相同路徑點(diǎn)處的實(shí)際磨削量以及擬合后的磨削量曲線。

圖6 測量路徑上點(diǎn)的磨削量

從圖中可以看出，零件表面路徑點(diǎn)處的磨削量比較一致，擬合曲線上相鄰兩點(diǎn)間最大差值為0.095 mm和0.073 mm，在磨削的過程中，磨削件表面上各路徑點(diǎn)處的磨削量比較均勻。由于零件先經(jīng)過鑄造和機(jī)械加工兩道工藝，待檢驗(yàn)合格后才用于工業(yè)機(jī)器人的磨削，因此，從磨削量均勻的角度可以判斷工件經(jīng)過磨削加工后保持了較好的產(chǎn)品外形。采用標(biāo)定塊和力傳感器對工業(yè)機(jī)器人磨削系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，其位置精度可以達(dá)到0.2 mm，姿態(tài)精度可以達(dá)到0.1度。

4 結(jié)束語

本文利用力傳感器對工業(yè)機(jī)器人加工系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，利用標(biāo)定時(shí)的位置與姿態(tài)誤差調(diào)整軟件空間中的各模型位置與姿態(tài)，建立實(shí)際空間與軟件空間的一致性，這樣，在軟件空間編制的加工軌跡映射到實(shí)際空間，其加工精度為標(biāo)定時(shí)的精度。與示教編程的方法相比較，本文研究的方法可以有效提高工業(yè)機(jī)器人的加工精度。另外，軟件編程不需要對實(shí)際工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作，不占用工業(yè)機(jī)器人的工作時(shí)間，操作人員可以遠(yuǎn)離工業(yè)機(jī)器人操作現(xiàn)場，避免粉塵和噪聲對操作人員的影響。后期，將利用文中方法研究機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)中的問題，機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)包括手術(shù)計(jì)劃、手術(shù)機(jī)器人、視覺系統(tǒng)等多個(gè)空間，機(jī)器人的手術(shù)路徑需要在計(jì)劃系統(tǒng)中編制，然后映射到機(jī)器人系統(tǒng)中，為提高機(jī)器人手術(shù)精度，需要建立計(jì)劃空間和手術(shù)空間的一致性。

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