六軸聯(lián)動機器人在光學元件磨削中的路徑控制

陳洪海，吳慶堂，聶鳳明，胡寶共，康 戰(zhàn)

（長春設(shè)備工藝研究所 吉林 長春 130012）

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人。工業(yè)機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業(yè)等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。

工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個基本部分組成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為4種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和連續(xù)軌跡型。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。

工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。

示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器（示教操縱盒），將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。示教輸入程序的工業(yè)機器人稱為示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人。具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業(yè)機器人，能在較為復雜的環(huán)境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應、自學習功能，即成為智能型工業(yè)機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應環(huán)境，并自動完成更為復雜的工作。

開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：采用分布式CPU計算機結(jié)構(gòu)，分為機器人控制器（RC），運動控制器（MC），光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器（RC）和編程示教盒通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器（RC）的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。

模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為3個層次：硬件驅(qū)動層、核心層和應用層。3個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內(nèi)部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)該層次所提供的功能。

機器人的故障診斷與安全維護技術(shù)：通過各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關(guān)鍵技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)化機器人控制器技術(shù)：當前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產(chǎn)線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變得越來越重要?？刂破魃暇哂写凇F(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便于對機器人生產(chǎn)線進行監(jiān)控、診斷和管理。

1 運動學模型

工業(yè)機器人在進行磨削過程中需要磨頭始終垂直于玻璃表面，這樣做的目的是使工件磨削比較均勻[1]。由于玻璃平面本身的弧度不同，所以機器人在運行過程中要不斷調(diào)整機器人的加工姿態(tài)，并要求速度也要保持勻速。在加工之前預先進行一次離線仿真一次，以免中途奇異點和超程報警帶來的一系列的不便對工件和設(shè)備造成的損壞。

加工刀具應時時與加工點所在切平面垂直，根據(jù)刀具當前點的切平面的方程，然后通過矩陣運算方程計算出所需要的刀具姿態(tài)四元數(shù)[2]，實現(xiàn)起來很麻煩。下面的這種方法根據(jù)數(shù)學模型建立起來的運動學模型[3]實現(xiàn)起來相對容易。

工件是由母線方程繞Y軸旋轉(zhuǎn)一周而形成的非球面，為了保證磨削的精度，母線上點間距離與圓周運動點間距離設(shè)定相等值為d，工業(yè)機器人在作業(yè)區(qū)域內(nèi)以預定速度行駛，連續(xù)軌跡運動，刀具方向與母線上各個點的切線垂直，姿態(tài)相對工件不變，旋轉(zhuǎn)一周，則完成了一個圓周的磨削加工，然后根據(jù)下一個點的位置和切線的垂線方向調(diào)整工具的位移和工具擺角，以此類推就完成了整個工件的磨削過程，所要加工的曲面母線方程如圖1所示。

圖1 加工的曲面母線方程及母線方向步長Fig.1 Processing surface generatrix and generatrix direction step length

母線方程式為x2=a1y+a2y2+a3y3+a4y4，圖中表示刀具在母線（x1，y1）、（x2，y2）、（xn－1，yn－1）、（xn，yn）4 個位置點的姿態(tài)，

式（1）中d為母線上最近兩切點距離，式（2）中θ為工具擺角。

采取逐段等線段逼近的方法來接近母線。

2 預定行走路徑控制流程圖

工業(yè)機器人按預定行走路徑控制方案，對于磨削過程建立的運動模型，利用RobotStudio對行走路徑進行仿真實驗。建立工件坐標系與工具坐標系[4]，在此過程中考慮到工件半徑較大，工件的擺放位置必須按照機器人手臂的運動范圍合理放置，工件的起始姿態(tài)在保證與最高點垂直之外，還要注意各個軸參數(shù)配置，以避免軸超程[5]，應用操作流程與加工程序流程如圖2所示。

圖2 應用操作流程Fig.2 Application process

3 仿真與分析

圖3 加工程序流程Fig.3 Machining processes

創(chuàng)建實際大小的工件[6]，選取軌跡跟蹤。在base模塊中設(shè)定工具坐標tooldata、工件坐標wobjdata、負荷數(shù)據(jù)loaddata等參數(shù)信息，主程序模塊中設(shè)定間距d=0.115 mm，速度v=20 mm/s，最大加工半徑Y(jié)0的大小等。同時建立回原點、自適應[7]細分步長、圓周運動等例行程序，更改系統(tǒng)參數(shù)配置：六軸量程為－24～24 rad，四軸量程為－24～24 rad。 更改參數(shù)后熱啟動控制器[8]才能生效。在行走路徑上利用自適應篩選法確定步長仿真結(jié)果如圖4所示，間距d的值決定線間距的大小，加工軌跡的疏密程度。如果直接細分工件橫坐標x，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 工件在RobotStudio離線仿真結(jié)果Fig.4 Artifacts in RobotStudio offline simulation results

4 結(jié)論

1）加工前進行機器人離線仿真可以預測在實際加工過程中出現(xiàn)的各種問題，大大提高了加工效率。

圖5 工件在RobotStudio離線仿真結(jié)果Fig.5 Artifacts in RobotStudio offline simulation results

2）顯然，利用自適應篩選法，使步長為等線段d逼近的方法來接近母線，要比直接細分x坐標或者是y坐標軌跡均勻的多，直接影響到加工效果。

3）工業(yè)機器人連續(xù)軌跡路徑的位置和方位角精度滿足了技術(shù)指標。

4）工業(yè)機器人在轉(zhuǎn)彎過程中速度響應符合實際工程，其建模和仿真真實可靠，為后期的樣件加工提供了技術(shù)依據(jù)。

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