碳纖維機器人打磨系統(tǒng)的研發(fā)

葛云迪

上海電氣自動化集團(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,這對擴大應(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,費時費力,產(chǎn)品均一性差,在塵埃環(huán)境中工人長時間工作,對健康有害。由此,智能機器人操作將是未來取代人工操作的大趨勢。

自1959年第一臺工業(yè)機器人誕生以來,工業(yè)機器人一直被廣泛應(yīng)用于代替人工進(jìn)行高強度作業(yè)或高危場所作業(yè)。目前關(guān)于機器人的研究也廣泛應(yīng)用于打磨領(lǐng)域,在大多數(shù)高危有害工作場所中,機器人可以保質(zhì)保量地完成煩瑣操作。機器人打磨系統(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,為傳統(tǒng)工業(yè)帶來新的生機。

目前國內(nèi)采用工業(yè)機器人進(jìn)行自動化作業(yè)的企業(yè)還較少,在自動化打磨加工設(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運動較為復(fù)雜,工業(yè)機器人的動作程序難以編寫,高精度打磨面臨著諸多問題。一方面,大多數(shù)打磨工作依靠人工示教,編寫的打磨路徑過于復(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)這一問題的主要原因是現(xiàn)有的工業(yè)機器人控制程序有欠缺,工業(yè)機器人采用開環(huán)控制,整個控制系統(tǒng)中沒有反饋機制,使工業(yè)機器人無法得知工作結(jié)果如何,只是按照預(yù)設(shè)系統(tǒng)指令工作,控制系統(tǒng)沒有反饋。

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

2 碳纖維機器人打磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

碳纖維機器人打磨系統(tǒng)主要包括工業(yè)機器人、主動力位執(zhí)行器、磨具、除塵模塊、轉(zhuǎn)臺、實時通信系統(tǒng)、過程模塊控制器,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碳纖維機器人打磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

碳纖維機器人打磨系統(tǒng)中采用發(fā)那科M-800iA/60高精度機器人作為打磨任務(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構(gòu),確保設(shè)備開環(huán)控制快速響應(yīng)。壓力保持的執(zhí)行機構(gòu)能夠跟隨工件表面變化而自動彈性伸縮,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,需要標(biāo)定工具坐標(biāo)系。工具坐標(biāo)系是末端工具在機器人基坐標(biāo)系中的對應(yīng)位置,坐標(biāo)系的精度關(guān)系到作業(yè)時的軌跡精度。工具坐標(biāo)系標(biāo)定時,要解析工具坐標(biāo)系與機器人末端坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系。目前,對于工具坐標(biāo)系的標(biāo)定在國內(nèi)外都有研究,主要都是求解機器人基坐標(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)姿勢標(biāo)定兩部分。工具中心位置標(biāo)定是將機器人原本的手腕中心點位置變換為多個標(biāo)定點中心重合的位置,也就是新零點。工具坐標(biāo)姿勢標(biāo)定是改變多個標(biāo)定點對應(yīng)的姿態(tài),從而求解工具坐標(biāo)系和機器人默認(rèn)工具坐標(biāo)系的對應(yīng)姿態(tài)。

(1)

用分塊矩陣的形式表示,可得:

(2)

令式(2)等號兩邊對應(yīng)列相等,得:

(3)

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

(4)

EPtcp為未知量。對式(4)變換,得:

(5)

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

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

4 工件打磨軌跡計算

當(dāng)前國內(nèi)所使用的工業(yè)機器人通常執(zhí)行重復(fù)操作以完成相同的過程,即按照預(yù)設(shè)的程序重復(fù)。工業(yè)機器人在預(yù)設(shè)程序的驅(qū)使下,對打磨過程中需要經(jīng)過的所有點進(jìn)行打磨,并且重復(fù)動作,產(chǎn)品均一性高。但是,面對外觀曲面多變的工件時,因為打磨運動路徑復(fù)雜,機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。

為了保證打磨過程中打磨頭對接觸區(qū)域均勻打磨,需要通過在工業(yè)機器人末端加裝力傳感器采集工件表面信息,完成對工件的精確定位,從而計算出貼合待加工表面運動的復(fù)雜軌跡。為了提高測量精度,設(shè)計了用于采集數(shù)據(jù)的測量工裝,如圖3所示。工件測量點如圖4所示。

設(shè)測量點Pi的坐標(biāo)為Pi(Xi,Yi,Zi),通過旋轉(zhuǎn)底座在工件表面為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置分別測量八個測量點的坐標(biāo),以獲取工件表面大致曲線。取0°時的八個測量點進(jìn)行計算,上表面斜率θ1通過P1到P4的坐標(biāo)進(jìn)行計算:

(6)

通過圓弧起點坐標(biāo)P4(0,Y4,Z4)、圓弧上一點坐標(biāo)P5(0,Y5,Z5)、圓弧終點坐標(biāo)P6(0,Y6,Z6)共三點,可以計算確認(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,因為三個點到圓心的距離相等,可得:

(7)

化簡可得:

(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)圓弧上任意一點的截面,以充分確定打磨時工具的姿態(tài)。對此,選取圓弧上任意一點Pe(0,Ye,Ze),求此點在圓弧上的切線,計算出此點相對于工具坐標(biāo)系的斜率θ2。設(shè)圓半徑P0Pe所在的直線和過點Pe的切線斜率分別為K1、K,可得:

(11)

(12)

得到θ2為arctanK。

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

(13)

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

5 應(yīng)用實例

通過以上計算和標(biāo)定后,生成打磨路徑數(shù)據(jù),運用發(fā)那科機器人仿真程序ROBOGUIDE進(jìn)行仿真。設(shè)置機器人運動參數(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)行測試,設(shè)計合理的機器人運動軌跡。最終生成打磨程序,完成實際打磨任務(wù)。

打磨完成之后,通過人工測量和機器人輔助測量,對打磨結(jié)果進(jìn)行評定。打磨測量結(jié)果見表1。

表1 打磨測量結(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

筆者采用發(fā)那科M-800iA/60機器人構(gòu)建碳纖維機器人打磨系統(tǒng),重點研究機器人自動打磨的可行性,通過對打磨工具和工具標(biāo)定算法研究,提出簡單可靠的標(biāo)定算法和打磨形式,從而實現(xiàn)高精度自動打磨。在實現(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,降低工人的勞動強度,而且大大提高打磨效率,滿足行業(yè)大批量生產(chǎn)的自動化需求。通過實例驗證了碳纖維機器人打磨系統(tǒng)的智能性和實用性。