葛云迪

上海電氣自動(dòng)化集團(tuán)有限公司 上海 200233

1 研發(fā)背景

碳纖維復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)良性能,在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。由于現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料成型工藝的不足,成品外觀差,產(chǎn)生波紋和孔洞在所難免。對(duì)此,應(yīng)采取打磨措施處理碳纖維復(fù)合材料的表面質(zhì)量,這對(duì)擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域能起到不可或缺的作用。傳統(tǒng)打磨流程往往以人工操作為主,工作環(huán)境惡劣,效率低,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,產(chǎn)品均一性差,在塵埃環(huán)境中工人長(zhǎng)時(shí)間工作,對(duì)健康有害。由此,智能機(jī)器人操作將是未來(lái)取代人工操作的大趨勢(shì)。

自1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái),工業(yè)機(jī)器人一直被廣泛應(yīng)用于代替人工進(jìn)行高強(qiáng)度作業(yè)或高危場(chǎng)所作業(yè)。目前關(guān)于機(jī)器人的研究也廣泛應(yīng)用于打磨領(lǐng)域,在大多數(shù)高危有害工作場(chǎng)所中,機(jī)器人可以保質(zhì)保量地完成煩瑣操作。機(jī)器人打磨系統(tǒng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,提高了行業(yè)生產(chǎn)效率,在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),為傳統(tǒng)工業(yè)帶來(lái)新的生機(jī)。

目前國(guó)內(nèi)采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)的企業(yè)還較少,在自動(dòng)化打磨加工設(shè)備和操作方法普遍缺乏的情況下,工件表面的不規(guī)則性使打磨加工設(shè)備與被加工表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜,工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作程序難以編寫(xiě),高精度打磨面臨著諸多問(wèn)題。一方面,大多數(shù)打磨工作依靠人工示教,編寫(xiě)的打磨路徑過(guò)于復(fù)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(shè)備磨損等因素,大多數(shù)工具坐標(biāo)系難以進(jìn)行高精度標(biāo)定。出現(xiàn)這一問(wèn)題的主要原因是現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人控制程序有欠缺,工業(yè)機(jī)器人采用開(kāi)環(huán)控制,整個(gè)控制系統(tǒng)中沒(méi)有反饋機(jī)制,使工業(yè)機(jī)器人無(wú)法得知工作結(jié)果如何,只是按照預(yù)設(shè)系統(tǒng)指令工作,控制系統(tǒng)沒(méi)有反饋。

筆者研發(fā)碳纖維機(jī)器人打磨系統(tǒng),針對(duì)精度的提高,從三個(gè)方面進(jìn)行研究,分別是打磨器具、打磨對(duì)象標(biāo)定、打磨方式。在完成打磨系統(tǒng)研究后,使用機(jī)器人仿真軟件生成打磨程序,并實(shí)際測(cè)試機(jī)器人打磨系統(tǒng)的成效,檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。

2 碳纖維機(jī)器人打磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

碳纖維機(jī)器人打磨系統(tǒng)主要包括工業(yè)機(jī)器人、主動(dòng)力位執(zhí)行器、磨具、除塵模塊、轉(zhuǎn)臺(tái)、實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)、過(guò)程模塊控制器,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碳纖維機(jī)器人打磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

碳纖維機(jī)器人打磨系統(tǒng)中采用發(fā)那科M-800iA/60高精度機(jī)器人作為打磨任務(wù)的主體,有效負(fù)載為600 N,重復(fù)定位精度為±0.015 mm,操作半徑為2 040 mm。為滿足打磨任務(wù)末端穩(wěn)定的需求,使用主動(dòng)力位執(zhí)行器和打磨頭,作為力控制系統(tǒng)的末端執(zhí)行器集成,如圖2所示。末端執(zhí)行器集成包含力的傳感機(jī)構(gòu),確保設(shè)備開(kāi)環(huán)控制快速響應(yīng)。壓力保持的執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠跟隨工件表面變化而自動(dòng)彈性伸縮,保持恒定力。

圖2 末端執(zhí)行器集成

3 工具標(biāo)定

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人在末端安裝不同的工具用于完成各種任務(wù),或者末端工具與工件接觸時(shí),需要標(biāo)定工具坐標(biāo)系。工具坐標(biāo)系是末端工具在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)位置,坐標(biāo)系的精度關(guān)系到作業(yè)時(shí)的軌跡精度。工具坐標(biāo)系標(biāo)定時(shí),要解析工具坐標(biāo)系與機(jī)器人末端坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。目前,對(duì)于工具坐標(biāo)系的標(biāo)定在國(guó)內(nèi)外都有研究,主要都是求解機(jī)器人基坐標(biāo)系與工具坐標(biāo)系之間的變換。

工具坐標(biāo)系的變換分為工具中心位置標(biāo)定和工具坐標(biāo)姿勢(shì)標(biāo)定兩部分。工具中心位置標(biāo)定是將機(jī)器人原本的手腕中心點(diǎn)位置變換為多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)中心重合的位置,也就是新零點(diǎn)。工具坐標(biāo)姿勢(shì)標(biāo)定是改變多個(gè)標(biāo)定點(diǎn)對(duì)應(yīng)的姿態(tài),從而求解工具坐標(biāo)系和機(jī)器人默認(rèn)工具坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)姿態(tài)。

(1)

用分塊矩陣的形式表示,可得:

(2)

令式(2)等號(hào)兩邊對(duì)應(yīng)列相等,得:

(3)

工具中心位置在機(jī)器人基坐標(biāo)系{B}下的位置BPtcp不變,得到:

(4)

EPtcp為未知量。對(duì)式(4)變換,得:

(5)

使用發(fā)那科機(jī)器人自帶的四點(diǎn)法進(jìn)行標(biāo)定,取各自之間相差90°且不在同一平面上的四個(gè)點(diǎn),計(jì)算出工具中心的位置。其中,不共線的三個(gè)點(diǎn)可解得工具中心點(diǎn),最后一點(diǎn)用于計(jì)算誤差。

為了提高產(chǎn)品表面的均勻程度,打磨工具需時(shí)刻保持與打磨曲面的截面垂直。對(duì)于工具坐標(biāo)系的方向,有三種標(biāo)定方法,分別為機(jī)器人默認(rèn)方向、使用X軸和Z軸上各標(biāo)定一點(diǎn)的XZ方向、在X軸與Y軸上標(biāo)定一點(diǎn)的XY方向。為保證機(jī)器人打磨過(guò)程中姿勢(shì)的穩(wěn)定,選用默認(rèn)坐標(biāo)系,即使用機(jī)器人基坐標(biāo)系{B}的工具坐標(biāo)姿勢(shì)的標(biāo)定,工具坐標(biāo)系姿態(tài)從而確定。

4 工件打磨軌跡計(jì)算

當(dāng)前國(guó)內(nèi)所使用的工業(yè)機(jī)器人通常執(zhí)行重復(fù)操作以完成相同的過(guò)程,即按照預(yù)設(shè)的程序重復(fù)。工業(yè)機(jī)器人在預(yù)設(shè)程序的驅(qū)使下,對(duì)打磨過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)的所有點(diǎn)進(jìn)行打磨,并且重復(fù)動(dòng)作,產(chǎn)品均一性高。但是,面對(duì)外觀曲面多變的工件時(shí),因?yàn)榇蚰ミ\(yùn)動(dòng)路徑復(fù)雜,機(jī)器人打磨工件情況難以反饋,容易引起加工精度低等現(xiàn)象。

為了保證打磨過(guò)程中打磨頭對(duì)接觸區(qū)域均勻打磨,需要通過(guò)在工業(yè)機(jī)器人末端加裝力傳感器采集工件表面信息,完成對(duì)工件的精確定位,從而計(jì)算出貼合待加工表面運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜軌跡。為了提高測(cè)量精度,設(shè)計(jì)了用于采集數(shù)據(jù)的測(cè)量工裝,如圖3所示。工件測(cè)量點(diǎn)如圖4所示。

設(shè)測(cè)量點(diǎn)Pi的坐標(biāo)為Pi(Xi,Yi,Zi),通過(guò)旋轉(zhuǎn)底座在工件表面為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置分別測(cè)量八個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo),以獲取工件表面大致曲線。取0°時(shí)的八個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,上表面斜率θ1通過(guò)P1到P4的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算:

(6)

通過(guò)圓弧起點(diǎn)坐標(biāo)P4(0,Y4,Z4)、圓弧上一點(diǎn)坐標(biāo)P5(0,Y5,Z5)、圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)P6(0,Y6,Z6)共三點(diǎn),可以計(jì)算確認(rèn)圓弧上的軌跡。設(shè)圓弧圓心坐標(biāo)為P0(0,Y0,Z0),半徑為r,因?yàn)槿齻€(gè)點(diǎn)到圓心的距離相等,可得:

(7)

化簡(jiǎn)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(diǎn)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(rèn)圓弧上任意一點(diǎn)的截面,以充分確定打磨時(shí)工具的姿態(tài)。對(duì)此,選取圓弧上任意一點(diǎn)Pe(0,Ye,Ze),求此點(diǎn)在圓弧上的切線,計(jì)算出此點(diǎn)相對(duì)于工具坐標(biāo)系的斜率θ2。設(shè)圓半徑P0Pe所在的直線和過(guò)點(diǎn)Pe的切線斜率分別為K1、K,可得:

(11)

(12)

得到θ2為arctanK。

最后通過(guò)P6、P7、P8點(diǎn)求解工件側(cè)面相較于工具坐標(biāo)系的斜率θ3,為:

(13)

按照上述計(jì)算方法,分別在角度為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時(shí)計(jì)算工件在機(jī)器人基坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)點(diǎn),計(jì)算出工件的準(zhǔn)確位置,至此完成工件的精準(zhǔn)定位。

5 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)以上計(jì)算和標(biāo)定后,生成打磨路徑數(shù)據(jù),運(yùn)用發(fā)那科機(jī)器人仿真程序ROBOGUIDE進(jìn)行仿真。設(shè)置機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù),主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,進(jìn)給速度為5 mm/s,打磨正壓力為50 N。利用仿真程序進(jìn)行測(cè)試,設(shè)計(jì)合理的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。最終生成打磨程序,完成實(shí)際打磨任務(wù)。

打磨完成之后,通過(guò)人工測(cè)量和機(jī)器人輔助測(cè)量,對(duì)打磨結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。打磨測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 打磨測(cè)量結(jié)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(nèi)。工件厚度均勻,滿足工件的加工需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用發(fā)那科M-800iA/60機(jī)器人構(gòu)建碳纖維機(jī)器人打磨系統(tǒng),重點(diǎn)研究機(jī)器人自動(dòng)打磨的可行性,通過(guò)對(duì)打磨工具和工具標(biāo)定算法研究,提出簡(jiǎn)單可靠的標(biāo)定算法和打磨形式,從而實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)打磨。在實(shí)現(xiàn)打磨功能的前提下,有效改善打磨碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)致的粉塵危害,降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,而且大大提高打磨效率,滿足行業(yè)大批量生產(chǎn)的自動(dòng)化需求。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了碳纖維機(jī)器人打磨系統(tǒng)的智能性和實(shí)用性。