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基于KUKA的八軸雕刻機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)

2023-01-06 13:07張朝彪孟德濤
關(guān)鍵詞:雙軸變位控制柜

劉 明 張朝彪 孟德濤

(濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,濟(jì)寧 272000)

隨著人們物質(zhì)文化生活水平和審美觀念的提高,外形美觀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各類雕刻品在日常生活中出現(xiàn)的頻率越來越高,使得人們對(duì)雕刻加工提出了更高要求。許多行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)有著嚴(yán)格的雕刻要求,如矯形護(hù)具個(gè)性化定制行業(yè)需要制作對(duì)客戶身體部位1∶1還原的模型,因難度大仍多采用手工雕刻的方法。目前,雕刻作業(yè)多采用人工雕刻或數(shù)控專機(jī)雕刻的方式。人工雕刻用時(shí)過長(zhǎng),人力成本過高,有損工人身體健康。傳統(tǒng)的數(shù)控雕刻專機(jī)加工尺寸受限,靈活度不夠,加工方式單一[1]。上述兩種常見的加工方式無法同時(shí)滿足大尺度、復(fù)雜、高精度、高效率雕刻作業(yè)的要求。

六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人具有較大的操作空間、較強(qiáng)的靈活性和高精度優(yōu)點(diǎn),在搬運(yùn)、碼垛、切割以及焊接等場(chǎng)合應(yīng)用廣泛,再配備相應(yīng)的工裝夾具和加工工具進(jìn)行正確的配置和離線編程設(shè)計(jì)后,可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的雕刻作業(yè)[2]。為提升靈活性,擴(kuò)大可達(dá)空間,方便更好地匹配雕刻加工工藝,通常采用變位裝置來實(shí)現(xiàn)圓雕、鏤空雕等復(fù)雜雕刻,可替代部分人工或進(jìn)行數(shù)控專機(jī)難以完成的工作。通常雙軸變位機(jī)比單軸變位機(jī)的效果更優(yōu)。隨著市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大,在高精度和寬適用性雕刻場(chǎng)合,采用工業(yè)機(jī)器人配合變位機(jī)進(jìn)行作業(yè)的情況越來越多。

1 雕刻機(jī)器人工作站的整體設(shè)計(jì)

本雕刻機(jī)器人工作站由一臺(tái)六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人KUKA KR16、雙軸變位機(jī)、雕刻電主軸、工裝夾具、PLC、操作臺(tái)、安全圍欄、除塵裝置及報(bào)警裝置等組成,如圖1所示。機(jī)器人控制柜通過旋轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Resolver-to-Digital Converter,RDC)與工業(yè)機(jī)器人本體6個(gè)軸和變位機(jī)的2個(gè)軸連接,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制并向其提供動(dòng)力,整體構(gòu)成八軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。PLC作為工作站的主站,通過Profinet與控制柜連接。操作臺(tái)是人機(jī)交互觸摸屏,通過與PLC通信控制工作站的啟停和雕刻電主軸、安全圍欄以及除塵裝置的工作狀態(tài)。夾具固定在雙軸變位機(jī)的工件圓盤上,能夠夾持一定尺寸范圍內(nèi)的胚料,具有一定的適應(yīng)性。雕刻電主軸安裝在機(jī)器人末端法蘭盤上。

圖1 雕刻機(jī)器人工作站整體結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人KUKA KR16的工作范圍適中,具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力和高精度位置控制功能,保證了良好的動(dòng)態(tài)特性。采用L形雙軸變位結(jié)構(gòu)的變位器,既保證了機(jī)器人的有效工作范圍,又最大限度地提高了機(jī)器人的靈活性。針對(duì)不同的雕刻作業(yè)場(chǎng)合,可根據(jù)雕刻材質(zhì)和大小選用其他型號(hào)的機(jī)器人以適配負(fù)載和尺寸要求。工作站機(jī)器人為坐地安裝,根據(jù)需要可采用倒掛安裝方式,在離線編程軟件中正確設(shè)置參數(shù)。工作站采用密封式的驅(qū)動(dòng)單元、管線和傳動(dòng)組件,保證了極高的實(shí)用性和可靠性。即使在惡劣的環(huán)境下,它也能保證機(jī)器人正常工作,且壽命長(zhǎng),故障率低。

2 雙軸聯(lián)動(dòng)變位機(jī)的設(shè)計(jì)和工作原理

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的雙軸聯(lián)動(dòng)變位機(jī)由2套伺服電機(jī)和減速器組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。E1軸選用KUKA MGU 0800-118,5-ME_110伺 服 單 元,E2軸 選 用KUKA MGU 0420-118,5-ME_60伺服單元,兩軸垂直放置。該單元采用免維護(hù)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),使用無間隙的傳動(dòng)組件和絕對(duì)編碼器,并配有剎車裝置和溫度監(jiān)測(cè)安全裝置。機(jī)器人控制柜選用KUKA C4標(biāo)準(zhǔn)柜,柜中有KUKA伺服包KSP和KUKA電源包KPP。除控制本體6個(gè)軸之外,裝置還預(yù)留了2個(gè)軸的控制及驅(qū)動(dòng)接口,用于控制及驅(qū)動(dòng)變位機(jī)的2個(gè)軸。如果需要配置更多軸或?yàn)楹罄m(xù)擴(kuò)展留有余量,應(yīng)考慮采用擴(kuò)展控制柜,并增加KSP模塊、KPP模塊和RDC模塊。

圖2 雙軸聯(lián)動(dòng)變位機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及坐標(biāo)系統(tǒng)

當(dāng)變位機(jī)處于初始位置時(shí),變位機(jī)工件圓盤在上并與底座平行,此時(shí)兩個(gè)軸的零點(diǎn)位置得以確定。變位機(jī)坐標(biāo)系中:基坐標(biāo)系{R}的原點(diǎn)位于變位機(jī)底座E1軸側(cè)底邊中點(diǎn),Z軸豎直向上,X軸垂直于Z軸向右;坐標(biāo)系{0}的原點(diǎn)選在E1軸與基坐標(biāo)系Z軸的交點(diǎn)處,Z軸方向沿E1軸線向右,X軸取垂直于Z軸紙面向外方向;坐標(biāo)系{1}的原點(diǎn)選在E1、E2軸的軸線交點(diǎn)處,Z軸的方向沿E1軸線向右,X軸取垂直于Z軸紙面向外方向;坐標(biāo)系{2}的原點(diǎn)選在E2軸與工件圓盤平面的交點(diǎn)處,即圓盤平面圓心,Z軸方向?yàn)镋2軸向上的方向,X軸取垂直于Z軸紙面向外方向。

根據(jù)建立的坐標(biāo)系和變位機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù),可得表1變位機(jī)連桿參數(shù)。根據(jù)連桿變換公式可求得{i}相對(duì)于{i-1}坐標(biāo)系之間的變換矩陣也容易得出坐標(biāo)系{0}相對(duì)于變位機(jī)基坐標(biāo)系{R}的變換矩陣及工作臺(tái)坐標(biāo)系{S}相對(duì)于坐標(biāo)系{2}的變換矩陣

表1 變位機(jī)連桿參數(shù)表

機(jī)器人工作站的坐標(biāo)系布局如圖3所示。根據(jù)機(jī)器人本體與變位機(jī)的相對(duì)位置,可得變位機(jī)基坐標(biāo)系{R}相對(duì)于機(jī)器人世界坐標(biāo)系{B}之間的坐標(biāo)變換矩陣坐標(biāo)系之間構(gòu)成聯(lián)體坐標(biāo)關(guān)系,變位機(jī)工作臺(tái)坐標(biāo)系{S}相對(duì)于機(jī)器人世界坐標(biāo)系{B}的變換矩陣由于機(jī)器人為串聯(lián)結(jié)構(gòu),可得機(jī)器人工具坐標(biāo)系{T}相對(duì)于機(jī)器人世界坐標(biāo)系{B}的變換矩陣可計(jì)算得出工具坐標(biāo)系{T}相對(duì)于變位機(jī)工作臺(tái)坐標(biāo)系{S}的變換矩陣這樣能夠計(jì)算出機(jī)器人所夾持工具相對(duì)于目標(biāo)(加工模型)坐標(biāo)系的位姿。

圖3 雕刻機(jī)器人工作站坐標(biāo)系

3 雕刻機(jī)器人工作站的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雕刻機(jī)器人工作站的雙軸聯(lián)動(dòng)變位機(jī)要和機(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)八軸聯(lián)動(dòng),需要在KUKA機(jī)器人配置軟件Workvisual中組態(tài),并在硬件層面將接口對(duì)應(yīng)連接。Workvisual中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換設(shè)置如表2所示。

表2 Workvisual中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)設(shè)置

機(jī)器人控制柜、機(jī)器人本體和雙軸聯(lián)動(dòng)變位機(jī)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖4所示。雕刻機(jī)器人工作站的機(jī)器人本體與變位機(jī)之間,采用機(jī)器人控制柜原有的控制和驅(qū)動(dòng)方式。由于機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)控制柜KPP、KSP和KDC控制盒可驅(qū)動(dòng)8個(gè)軸,無需擴(kuò)展額外的模塊,只需采用專用線纜將各模塊與變位機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)單元連接即可。機(jī)器人控制柜通過RDC實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)軸的位置控制??刂乒竦膶S媒涌跒?個(gè)軸提供動(dòng)力。

圖4 雕刻機(jī)器人工作站系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為保障雕刻作業(yè)的操作便捷和安全性,工作站設(shè)置了人機(jī)交互界面、安全防護(hù)裝置以及除塵裝置等。系統(tǒng)要合理控制各組成單元,解決各組成單元之間的信息交互問題,以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)行。雕刻機(jī)器人工作站操作臺(tái)以西門子S7-1200系列PLC作為主控設(shè)備,其中工作站啟動(dòng)、安全防護(hù)、報(bào)警顯示以及加工工具等各功能元件通過輸入/輸出(Input/Output,I/O)接口與PLC交互。PLC與雕刻電主軸通過I/O接口連接,當(dāng)PLC接收到觸摸屏開機(jī)信號(hào)后,安全防護(hù)裝置和雕刻電主軸依次啟動(dòng),調(diào)用機(jī)器人程序,驅(qū)動(dòng)工作站開始雕刻,觸摸屏顯示雕刻進(jìn)程[4]。主站PLC與從站機(jī)器人控制柜通過Profinet實(shí)現(xiàn)主從站間的通信。在外部自動(dòng)運(yùn)行時(shí),PLC對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、程序選擇以及故障診斷,具有實(shí)時(shí)傳輸通信信息和傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn),增強(qiáng)了各裝置間的協(xié)調(diào)合作性,提高了生產(chǎn)效率與系統(tǒng)安全性。

4 雕刻加工程序及工程實(shí)現(xiàn)

因雕刻加工路徑復(fù)雜、加工方式多樣以及加工工藝要求高,無法采用傳統(tǒng)示教方式,一般采用離線編程方式。雕刻作業(yè)前結(jié)合產(chǎn)品的位置關(guān)系、數(shù)模信息、加工參數(shù)及工藝流程等信息,合理編寫加工程序并進(jìn)行仿真,生成可靠的機(jī)器人可執(zhí)行程序,再導(dǎo)入機(jī)器人使之能夠按照該加工程序自動(dòng)雕刻工件胚料。以四面圓雕加工為例,簡(jiǎn)要說明其雕刻加工程序的設(shè)計(jì)思路。坯料應(yīng)大于且包裹擬要加工的模型,底部預(yù)留臺(tái)座。一般來說,坯料相對(duì)模型成品的尺寸至少大于1 mm,坯料最大尺寸取決于機(jī)器人工作空間和刀具長(zhǎng)度,加工精度為±0.01 mm。

加工前,先對(duì)需要雕刻的產(chǎn)品模型進(jìn)行離線編程,生成機(jī)器人可執(zhí)行程序存入機(jī)器人控制柜,坯料上料由人工完成。當(dāng)啟動(dòng)雕刻機(jī)器人工作站后,操作員選取機(jī)器人可執(zhí)行程序,啟動(dòng)防護(hù)裝置和雕刻電主軸,機(jī)器人進(jìn)入雕刻環(huán)節(jié)。機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行程序?qū)ε髁线M(jìn)行精準(zhǔn)雕刻,使機(jī)器人處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。工作站先完成四面粗雕,隨后完成旋轉(zhuǎn)精雕。主要加工工藝規(guī)劃和生產(chǎn)流程為人工放坯料→工作站啟動(dòng)→變位機(jī)變換坯料第一面進(jìn)行粗雕加工→變位機(jī)變換坯料第二面進(jìn)行粗雕加工→變位機(jī)變換坯料第三面進(jìn)行粗雕加工→變位機(jī)變換坯料第四面進(jìn)行粗雕加工→變位機(jī)旋轉(zhuǎn)坯料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)精雕加工→加工完成后人工取下成品。雕刻期間,人機(jī)界面同步顯示雕刻程序和作業(yè)進(jìn)度,待雕刻作業(yè)結(jié)束并處于安全狀態(tài)時(shí),顯示裝置提醒操作員將成品取下。除了坯料上料和成品取料由人工完成外,整個(gè)雕刻過程均由雕刻機(jī)器人工作站完成。根據(jù)任務(wù)復(fù)雜程度的不同,雕刻加工時(shí)間不一,但在不同加工層面的切換工序上相較傳統(tǒng)雕刻方式節(jié)省了時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高,國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)模式正逐漸向自動(dòng)化和智能化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變,使得PLC和工業(yè)機(jī)器人扮演著愈來愈重要的角色。隨著它們的需求量和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,技術(shù)研究與發(fā)展也越來越深入,不斷提高整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量[5]。設(shè)計(jì)開發(fā)的基于PLC和KUKA機(jī)器人的雕刻機(jī)器人工作站,自動(dòng)化程度高,雕刻精度高,適用范圍廣,可以完成石膏、木材、有機(jī)塑料及石材等材質(zhì)的雕刻,只需要技術(shù)人員進(jìn)行工程設(shè)計(jì),加工制造階段可以做到無人值守,極大地解放了人力,提高了加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率,具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。此外,配合3D掃描技術(shù),構(gòu)建3D模型,雕刻機(jī)器人工作站在仿古復(fù)原、個(gè)性化定制、精密造型等領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。

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