伊水涌　樓建勇

摘 要：通過(guò)改變工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手部分的結(jié)構(gòu)，加裝帶有銑刀柄裝置的主軸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件的加工。利用UG定制后處理生成G代碼，并用VT軟件進(jìn)行加工的仿真與優(yōu)化，加工出只有多軸數(shù)控機(jī)床才能加工出的葉輪零件，擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的使用范圍。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手改進(jìn)；多軸加工；仿真優(yōu)化；UG；VERICUT

工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于機(jī)械加工中代替人完成具有高質(zhì)量、大批量要求的工作，如車(chē)輛制造中的氬弧焊、電焊、切割、噴漆、電子裝配以及物流系統(tǒng)中的搬運(yùn)、包裝等作業(yè)。文章采用Kuka 360-2型工業(yè)機(jī)器人為原型，在機(jī)械手部位加裝帶有銑刀柄裝置的主軸頭，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪零件的加工。

1 機(jī)械手主軸頭的修改方案

通過(guò)在Kuka360-2型工業(yè)機(jī)器人原本安裝機(jī)械手（圖1）的頭部更換上便于裝夾銑刀的主軸頭（圖2），用這種較少的投入改變其原有的加工方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件的加工做好保障。

2 六個(gè)自由度數(shù)學(xué)分析

Kuka360-2型工業(yè)機(jī)器人的分為底座、滑動(dòng)平臺(tái)、活動(dòng)機(jī)械臂、機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。機(jī)械臂和旋轉(zhuǎn)點(diǎn)構(gòu)成六個(gè)自由度。機(jī)械臂的位置移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度，機(jī)械臂的長(zhǎng)度有關(guān)。

如圖3所示，在基座上建立空間直角坐標(biāo)系，將旋轉(zhuǎn)點(diǎn)之間的機(jī)械臂抽象為向量，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)間機(jī)械臂的移動(dòng)轉(zhuǎn)化為向量的位置變換。旋轉(zhuǎn)點(diǎn)1和旋轉(zhuǎn)點(diǎn)2之間的機(jī)械臂記作：

其中a5=（x5，y5，z5），機(jī)械臂a5的旋轉(zhuǎn)空間決定了機(jī)械手的抓手的運(yùn)動(dòng)空間，即旋轉(zhuǎn)角？茲6的范圍。而機(jī)械臂a5的運(yùn)動(dòng)空間由機(jī)械臂a1、a2決定，所以機(jī)械臂a1、a2的旋轉(zhuǎn)空間決定了機(jī)械手抓手的靈敏度和可操作度以及機(jī)械手的實(shí)用性。

3 UG軟件生成加工代碼

利用UG軟件多軸銑加工模塊可以很方便的加工葉輪。這里采用多葉片操作來(lái)加工含多個(gè)葉片的部件，對(duì)于這些類(lèi)型部件，此操作的加工效率最高。創(chuàng)建用于執(zhí)行粗加工、剩余銑、葉轂精加工以及葉片和分流葉片精加工的操作。這里只介紹粗加工操作步驟：

（1）在加工環(huán)境中直接選擇多軸加工葉輪模塊mill_multi_blade 點(diǎn)擊OK。（2）設(shè)定加工刀具。先測(cè)量一下葉片之間能過(guò)最大的刀具直徑，便于加工到輪轂底面；再設(shè)定三把刀具用于粗加工、半精加工、精加工，這里分別取R4、R3、R3的球頭銑刀；最后設(shè)定刀具號(hào)，以便在加工時(shí)調(diào)用刀具。（3）設(shè)定幾何體。利用葉輪模塊中的輪轂、葉片、分流葉片、圓角參數(shù)定義葉輪幾何體。（4）創(chuàng)建程序。選擇葉片粗加工方法依次從位置中選擇相應(yīng)的設(shè)置，點(diǎn)擊生成刀軌，如圖4所示。

在完成一個(gè)葉片的粗加工后，通過(guò)變化命令就得到其他葉片的粗加工。其他加工方式亦如此，這里不在一一介紹。通過(guò)以上方法產(chǎn)生的刀軌數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)UG軟件中的定制后處理，以適應(yīng)每種機(jī)床及其控制系統(tǒng)的特定要求，其結(jié)果是使刀軌數(shù)據(jù)變成機(jī)床能夠識(shí)別的NC代碼。

4 VT加工仿真

（1）導(dǎo)出模型。在VERICUT軟件中導(dǎo)入用UG軟件建模的Kuka360-2型工業(yè)機(jī)器人各部件的模型文件，如圖5所示。

（2）完成機(jī)床搭建方式，建立機(jī)床結(jié)構(gòu)，設(shè)定三個(gè)坐標(biāo)系：絕對(duì)坐標(biāo)系、刀尖坐標(biāo)系、程序原點(diǎn)，如圖6所示。

（3）加載控制器。VERICUT中提供了許多控制類(lèi)型，我們可以選擇相應(yīng)的控制模式。我們也可以定制機(jī)床控制器和修改控制器，在VERICUT中可以很方便的實(shí)現(xiàn)。我們選用KUKA 240控制器，進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置來(lái)滿(mǎn)足KUKA 360機(jī)床要求。

（4）機(jī)床測(cè)試。采用MDI方式來(lái)測(cè)試機(jī)床搭建的可靠性，測(cè)試程序如下：M6 T01；GO X0 Y0 Z0 I0 J0 K0；GO X0 Y0 Z0 I1 J0 K0；GO X0 Y0 Z0 I0 J1 K0；GO X0 Y0 Z0 I0 J0 K1；GO X0 Y0 Z0 I1 J1 K0；GO X0 Y0 Z0 I1 J0 K1；GO X0 Y0 Z0 I0 J1 K1；GO X0 Y0 Z0 I1 J1 K1。

（5）程序調(diào)試。先通過(guò)UG軟件定制后處理出一個(gè)測(cè)試程序進(jìn)行加工，觀(guān)察程序在加工過(guò)程中是否產(chǎn)生刀具、工件和機(jī)床三者間的干涉。然后把之前生成好的葉輪加工程序添加到VERTICUT軟件中，最后設(shè)定碰撞停止點(diǎn)擊加工按鈕，開(kāi)始加工工件。

5 出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法

5.1 出現(xiàn)的問(wèn)題

在粗加工過(guò)程中，加工到第二個(gè)葉片和第五個(gè)葉片時(shí)出現(xiàn)了碰撞，在精加工過(guò)程中也出現(xiàn)了干涉，具體見(jiàn)圖7所示。

5.2 問(wèn)題解決方法

產(chǎn)生以上碰撞的原因有兩個(gè)：一是安全平面設(shè)置不正確，二是后處理有問(wèn)題。但第一種原因基本可以排除，因?yàn)槭窃诳鐦O限時(shí)發(fā)生碰撞。那么，肯定是后處理出了問(wèn)題。在程序中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤的地方：就是在跨到第二極限時(shí)出現(xiàn)G0引起突然換刀，造成設(shè)備到哪個(gè)位置計(jì)算不過(guò)來(lái)，即產(chǎn)生了以上撞刀現(xiàn)象。解決的步驟如下：

（1）修改后處理。從上面分析可知，將跨極限時(shí)角度調(diào)整為0-360°，重新生成后完成后處理的修改工作。

（2）重新測(cè)試程序。導(dǎo)入重新生成的加工程序到VERICUT中點(diǎn)擊執(zhí)行，完成加工如圖8所示的葉輪。經(jīng)過(guò)本次修改，未發(fā)生干涉現(xiàn)象，滿(mǎn)足加工要求。

參考文獻(xiàn)

[1]王立權(quán).機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作[M].清華大學(xué)出版社，2006：18-175.

[2]張燁.基于VERICUT的機(jī)床建模和數(shù)控車(chē)削加工仿真技術(shù)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010：5-5.

[3]陳展.基于UG的多軸加工技術(shù)在葉輪中的應(yīng)用[J].金屬加工（冷加工），2008，14：68-69.