基于Powermill robot 的機器人離線編程與仿真

章偉涌 朱 丹 劉亞萍

(紹興職業(yè)技術(shù)學院，浙江 紹興312000)

0 引言

當前，隨著工業(yè)機器人技術(shù)的興起，機器人技術(shù)給機械制造領(lǐng)域，帶來了一場新的技術(shù)變革．從全球范圍看，我國已成為世界最大工業(yè)機器人技術(shù)市場，機器人廣泛應用于噴涂、焊接、激光和等離子體切割、銑削打磨等．然而，隨著工業(yè)機器人的廣泛應用，也面臨著一些有待克服的技術(shù)問題．如復雜零件的機器人工作路徑．現(xiàn)在人們在生產(chǎn)現(xiàn)場中，只是借助示教工具經(jīng)過大量的調(diào)試，才能完成機器人的編程工作［1］．此外，編程人員還必須解決機器人運動軌跡上的奇點等問題［2］，英國DELCAM 公司的機器人離線編程(Powermill robot interface)模塊，為解決這些問題提供了新的途徑［3］．

機器人離線編程(Powermill robot interface)模塊，能模擬多達6 軸及以上的機器人，但至今介紹機器人數(shù)控加工的文章并不多，本文旨在通過實例，著重介紹工業(yè)機器人離線編程數(shù)控加工方法．

1 機器人技術(shù)簡介

工業(yè)機器人作為一種新機床設(shè)備，深刻地影響著當前制造業(yè)的生產(chǎn)方式．多達6 軸及以上工業(yè)機器人，擁有較長節(jié)臂和更大自由度特點，故非常適合大型復雜件加工．另外，機器人能實現(xiàn)多工位姿態(tài)調(diào)整，工序復合集成程度高，對一般車、銑、鉆、鏜等工序［4］，在一臺工業(yè)機器人上就能完成，不僅如此，機器人讓裝夾工件、轉(zhuǎn)換基準和流轉(zhuǎn)工序的次數(shù)大為減少［5］，起到了提高工件精度，減少設(shè)備，降低成本，減員增效的顯著作用．

盡管工業(yè)機器人有著這些獨有技術(shù)優(yōu)勢，但是，工業(yè)機器人編程方式嚴重制約和影響著機器人功能發(fā)揮［6］，現(xiàn)實中人們直接在機器人控制器上，采用示教工具對機器人進行點位與動作操作編程．最新機器人離線編程技術(shù)(Powermill robot interface)的出現(xiàn)，它脫離了機器人的實際控制器，將原先大量的機器人編程調(diào)試工作，從現(xiàn)場移到電腦屏幕上就能完成，它集成CAD 建模、機器人路徑優(yōu)化、碰撞檢測、仿真等功能，稱之為機器人離線編程系統(tǒng)［7］，它使得機器人編程更高效方便，進一步釋放了人們的勞動力．

2 機器人工作流程

流程圖如圖1 所示．

圖1 流程圖

3 加工準備

3．1 模型分析

在Powermill 中通過“文件－導入”工件模型(如圖2 所示)．

該工件是一個鋁制鑄件，具有六個相同結(jié)構(gòu)毛刺邊框，因鑄造產(chǎn)生毛刺需銑削打磨．原先手工打磨法毛刺去除效率低、效果差、勞動強度大又不安全．如果采用工業(yè)機器人，去除毛刺高效安全，能減少大量的勞動力成本．

圖2 工件模型

3．2 工藝準備

Powermill robot 機器人編程，需設(shè)置工件毛坯．通過主菜單“文件”選項“輸入模型”，在毛坯對話框選擇“由．．．定義－三解形”的選項，用于工件毛坯設(shè)置，該選項在Powermill 中用于鑄件、鍛件設(shè)定．

3．2．1 工裝裝夾

采用氣動夾持器裝夾該工件，工件結(jié)構(gòu)對稱，非常適合機器人銑削打磨除刺．

3．2．2 刀具選擇

Powermill 數(shù)控銑床或加工中心編程，Powermill robot 機器人只是選擇不同機床設(shè)備，但刀具可用于加工中心或機器人進行同一條工作路徑，這樣，工業(yè)機器人工作路徑，可由Powermill 銑削加工刀具路徑獲取，且可采取相同加工策略［8］．即銑削刀具路徑可轉(zhuǎn)變?yōu)镻owermill robot 機器人運動軌跡路徑．實際應用中機器人采用扁形切割刀頭打磨，刀具設(shè)置為銑削立銑刀參數(shù)，確保二者刀具偏置值、刀具軸向深度一致，確保兩者刀具路徑高度吻合．

3．2．3 切削用量

切削用量如表1 所示．

4 編制刀路

4.1 選擇參考線

powermill 中參考線可幫助用戶定義刀具路徑，參考線可以是平面或空間閉合曲線和開放曲線［9］．本例工件選取的參考線是均布模型的1－6毛刺邊空間閉合曲線．

表1 選用切削用量

在資源管理器中產(chǎn)生參考線，右擊“參考線”項目選擇“工具欄”，點取顯示出“產(chǎn)生參考線”的圖標，產(chǎn)生一條命名為“1 毛剌邊”空參考線．使用“曲線造型”工具，選取圖2 所示模型1毛刺邊框作為參考線保存，選擇參考線方向決定銑削打磨的走刀方向．

4.2 定義刀具路徑

在資源管理器中，產(chǎn)生激活刀具路徑，右擊“刀具路徑”項目，產(chǎn)生新刀具路徑，選擇“參考線精加工”策略，選擇參考線“1 毛刺邊”作為刀具路徑，徑向偏置設(shè)余量刀具半徑，軸向偏置為刀伸量．可重新選擇“順銑”“逆銑”和“任意”確定加工方向，產(chǎn)生路徑并激活刀具路徑“1 毛刺邊刀路”．產(chǎn)生“2－6 毛刺激邊”刀具路徑．其余2－6 毛刺邊刀具路徑，可通過變換得到(如圖3 所示)．在資源管理器中，右擊“產(chǎn)生刀具路徑”，選擇“編輯－變換－旋轉(zhuǎn)－復制”輸入數(shù)量5 和旋轉(zhuǎn)60°，生成模型毛刺邊2－6 全部刀具路徑(如圖4所示)．

圖3 路徑變換

圖4 刀具路徑

5 機器人設(shè)置

Powermill robot 機器人插入模塊有四個選項卡:1)Robot library 機器人庫;2)Robot cell 機器人設(shè)置;3)Robot control 機器人控制;4)Robot program 機器人程序．Powermill robot 默認機器人庫支持眾多國際品牌機器人，包括ABB，愛普生(EPSON)、發(fā)那科(FANUC)、川崎(KAWASAKI)、庫卡(KUKA)、史陶比爾(STAUBLI)、莫托曼(MOTOMAN)、安川(YASAKAWA)、那智不二越(NACHI)、柯馬(COMAU)等總共51 種工業(yè)機器人．

選擇Robot library 機器人庫，選擇AUTODESK品牌工業(yè)機器人R2－6X－Spindle0 機器人設(shè)備類型加載(如圖5 所示)．

圖5 機器人設(shè)置

5.1 機器人初始化坐標

選擇機器人單元(Robot Cell)選項卡，設(shè)置機器人單元坐標原點位置(X1350，Y450，Z500)［10－11］．

5.2 仿真分析

資源管理器中，激活機器人刀具路徑“1 毛刺邊”或者“2－6 毛刺邊”，在工具欄選擇按下鈕開始仿真．仿真觀察檢驗工件六個毛刺邊框的去刺銑削打磨過程，觀察機器人的運動軌跡路徑工作狀況，檢測機器人運動軌跡路徑上六軸工作范圍，可能產(chǎn)生的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)奇點現(xiàn)象［12］如表3 所示，了解機器人刀具、夾持等碰撞干涉現(xiàn)象，通過Powermill robot 軸跟蹤器，跟蹤軸機器人最小和最大工作軸限界，以幫助分析機器人運動的行為過程．

表3 機器人奇點類型

5．2．1 奇點和軸限界分析

機器人工作運動軌跡路徑上的刀位點，就是機器人通過它六個關(guān)節(jié)之間，互相配合旋轉(zhuǎn)聯(lián)動，在機器人的工作過程中，讓刀具移動和旋轉(zhuǎn)到該點所致．隨著機器人軸關(guān)節(jié)的增加，在運動軌跡上可能會出現(xiàn)奇點，這些稱為奇點的笛卡爾坐標點，由于無法求解逆運算轉(zhuǎn)化成為機器人六軸角度，并在其坐標系內(nèi)的微小變化，就會引起機器人軸角度的劇烈變化，從而導致機器人關(guān)節(jié)以一種不可能方式移動，或關(guān)節(jié)鎖定，或軸瞬間反轉(zhuǎn)，甚或引起某些關(guān)節(jié)角速度趨向無窮大或達不到設(shè)定速度，使得電機負載變大，導致機器人失控等［13］．

Powermill robot 軸跟蹤器，能精確跟蹤檢測機器人運動軌跡上軸限界和機器人的奇點位置(如圖6 所示)，軸跟蹤器選擇“啟用圖形ON”和”跟蹤刀軸限界ON”，刀具控制的方向矢量為“任意”，就產(chǎn)生腕關(guān)節(jié)奇點位置警告．軸跟蹤器能精確檢測到軸超限界和奇點，并精確標定出位置以紅色報警顯示．

Powermill robot 可通過運用advance features高級特征功能，可進一步設(shè)定動態(tài)軸限制/或優(yōu)先級，確保機器人在最大和最小軸限界范圍內(nèi)．

5．2．2 干涉因素分析

圖6 機器人奇點檢測

機器人工作過程中，必須徹底消除可能發(fā)生的碰撞隱患，主要是指刀具、夾持引起的碰撞，否則將引起生產(chǎn)事故．為避免和消除可能引起碰撞干涉，可通過點擊工具欄“刀具路徑檢查”圖標，從彈出窗口的“檢查欄”選擇碰撞，設(shè)定夾持、刀柄與周圍間隙，點擊“應用”彈出信息窗口，系統(tǒng)提供了刀具最小伸出長度、刀柄夾持碰撞等信息，根據(jù)檢測信息，用戶及時調(diào)整刀具長度，刀柄和刀具與周圍之間間隙．但是，如果僅在加工策略中，選取“自動碰撞檢查”，那么，在刀具路徑計算過程中，雖然能檢查刀具、夾持的碰撞，但是不會顯示刀具、夾持等任何信息［14］．

在Powermill 中必須將“開始點和結(jié)束點”以及“快速高度”，設(shè)在毛坯中心最高區(qū)之上，保證工件表面刀具能快速安全移動．將光標置于資源管理器刀具路徑上，刀具、夾持安全狀態(tài)按不同顏色，呈現(xiàn)如表4 所示．

表4 刀具、夾持安全狀態(tài)

5.3 刀路優(yōu)化

Powermill robot 可通過控制刀具等措施，能優(yōu)化機器人工作路徑．當?shù)毒呤噶俊叭我狻睍r［15］，機器人工作路徑產(chǎn)生一個奇點(如圖6 所示)，重新將刀具控制矢量選擇“沿”工作路徑(如圖7所示)奇點消除，機器人工作路徑得到優(yōu)化，并將第F6 軸旋轉(zhuǎn)5°～15°，或者，把工作任務(wù)移到?jīng)]有奇點區(qū)域［16］，也是避免產(chǎn)生奇點較為有效的方法．在Powermill robot 中，也可選擇“自動奇點避讓√”和“腕部奇點避讓√”措施，以最大限度保證機器人安全工作狀態(tài)．

圖7 優(yōu)化運動軌跡

6 寫入機器人語言程序

圖8 寫入機器人語言程序

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(＊＊＊＊＊＊＊Simulation File Information＊＊＊＊＊＊＊)

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(Software．Name:PowerMill．SimulationAnalysis)

(Software．Version:2017)

(Software．Codebase:214)

(PowerMILL．Version:21000)

(PowerMILL．Codebase:1203007)

(PowerMILL．Project:01)

(PowerMILL． MachineTool． Name:R2 － 6X －Spindle0)

(PowerMILL．Toolpath．Name:3 毛刺邊刀路)

(Computer．Name:QH－20171013BNPK)

(Computer．Date:2018/8/207:40:46UTC)

(＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊)

(Simulation Output File)

A27．68269B31．84829C32．81628D0．00000E－64．66439F0．00000(－0．0007，0．0001，9．9994，0．00000，－0．00000，1．00000，0．88553，－0．46457，－0．00000)FEED=3000．0 SPINDLESPEED=1500．0 TOOL=－1 MOVETYPE=1 GEOMETRY=4

COLLISION_STATE=NONE

A32．82485B39．14797C8．15532D－16．35616E－13．00837F0．00000(31．4707，－ 79．7917，10．0000，0．30039，－0．52029，0．79941，0．65425，－0．49747，－ 0． 56962)TIME = 1． 715 TOOL = － 1 COMPTYPE=5 GEOMETRY=0

CONTACT_NORMAL_VECTOR=(0．000000，0．000000，1．000000)COLLISION_STATE=NONE

A38．63733B58． 98698C － 23． 12722D － 25．02672E34．19816F0．00000(62．9414，－159．5834，10．0000，0．48027，－0．83186，0．27812，0．43902，－0．04652，－0．89727)TIME = 3．431 CONTACT_NORMAL_VECTOR = (0．000000，0．000000，1．000000)

COLLISION_STATE=NONE

．．．．．．．．．．．．．．．．(略)

以上是R2－6X－Spindle0 完成加工的機器人部分語言程序．

7 傳輸給機器人仿真

圖9 傳輸給機器人的仿真

Powermill robot 機器人離線編程，能快速檢驗機器人工作狀態(tài)［19］，若采用示教工具方式對該復雜件調(diào)試，調(diào)試工作量大也難以預測奇點和碰撞位置，機器人離線編程系統(tǒng)使編程顯得輕松、精準和高效［20］．

8 結(jié)語

綜上所述，機器人離線編程解決了示教編程方式的不足，它讓人們對機器人操作更容易，極大減少了機器人出錯風險，提高了設(shè)備的利用率．離線編程在效率的提升、成本的降低，精度的提高上，有著更重要的現(xiàn)實意義．