機電一體化數控技術研究

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1數控技術在工業機器人中的應用

（1）計算機數字技術的簡介。數控系統是數字控制系統簡稱，英文名稱為NumericalControlSystem，早期是由硬件電路構成的稱為硬件數控（HardNC），1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計算機代替稱為計算機數控系統。計算機數控（Computerizednumericalcontrol，簡稱CNC）系統是用計算機控制加工功能，實現數值控制。CNC系統根據計算機存儲器中存儲的控制程序，執行部分或全部數值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。直接數控（DNC）是直接數控（DirectNumericalControl）的英文簡稱。它是用電子計算機對具有數控裝置的機床群直接進行聯機控制和管理，英文縮寫DNC。直接數控又稱群控，控制的機床由幾臺至幾十臺。且直接數控是在數控（NC）和計算機數控(CNC)基礎上發展起來的。微機數控（MNC）是微型計算機數控（Micro-computerNu-mericalControl）的英文簡稱。它是指用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數控裝置。（2）工業機器人的特點。工業機器人技術是把精密機械技術、檢測傳感技術和自動控制技術等多項技術于一身的集大成者，具有運行穩定、操作靈活、自由度多等優點，可完成工作強度大、生態環境惡劣、精度要求高、危險性大的各項工作。因此，工業機器人在自動化程度高的領域應用的越來越廣泛，比如汽車制造、航天航空和軍事裝備生產等。工業機器人的應用有以下特點：①用途廣，機器人只要根據工作任務要求配備合適的自由度，就可以勝任大多數的操作工作。②高可靠性、高速度、高精度，有利于提高生產效率，節省加工時間。③靈活、多功能，因操作工具的不同功能也不同，可以實現一機多用。④可重復編程，所有的運動均按程序運行，安全可靠。⑤可用于惡劣、危險的環境，工作質量穩定，可提高產品質量。⑥從長遠來看，工業機器人運行成本比較低，單件產品的投入產出比大，具有較好的經濟效益。

2運用切削型工業機器人實現復雜零件的加工案例

使用末端執行器為銑刀的KUKA機器人加工一個葉輪零件為例，說明復雜零件數控加工的流程可以實現。（1）機器人切削組件。切削加工組件主要包括有數控主軸、主軸變頻器、主軸轉接頭以及輔助加工的工作臺等部件。在切削加工中，最為重要的部分是數控主軸。常用的數控主軸有水冷數控主軸和風冷數控主軸兩種，水冷數控主軸通過循環水對主軸進行冷卻，風冷數控主軸通過風扇進行冷卻，重量較大。機器人的載荷為6kg，本系統選擇水冷數控主軸進行加工。通過變頻器調整輸出電壓和工作頻率，可以實現0~24000rpm無極調速，具有高速度、低噪聲、低振動、低溫升的特點。采用主軸變頻器控制轉速。將高速數控主軸通過一個轉接頭固定在工業機器人的末端執行器上，安裝上相應的加工刀具，再將驅動電源和數控主軸連接起來，使用一個數控加工的旋轉臺，方便泡沫的固定以及加工，即構成了一套完整的機器人切削加工系統。（2）數控加工軌跡規劃。如圖1所示，文章研究的葉輪是數控多軸加工典型的零件，它是發動機中的關鍵零件，采用普通的三軸加工工藝方法整體性加工難以實現，特別是對于扭曲葉片，只能使用多軸機床進行加工，才能保證葉片質量。目前五軸加工可以實現渦輪葉片的整體性加工，但是加工費極2017年第4期機電技術為昂貴。工業機器人具有六個自由度，在理論上完全可以滿足渦輪葉片的加工。采用專用的代碼轉換軟件可以將五軸加工的軌跡轉換為機器人識別的代碼，完成渦輪葉片的加工。圖1數控多軸加工零件基于UG/CAM模塊完成渦輪葉片五軸加工的軌跡規劃，UG提供了多軸編程的模塊。如圖2所示，依照UG數控編程的順序，依次建立加工坐標系、加工幾何體以及加工刀具等信息。針對葉輪加工，分為粗、精加工兩道加工工序。為了提高加工效率，粗加工利用平刀采用型腔銑去除大量的剩余材料，最后大致加工出葉片的形狀。但在粗加工時需留取足夠的余量，以防止切掉型面。加工完成后將刀具改為6mm的球頭刀進行精加工，依次對葉輪表面和葉片表面進行軌跡規劃。在葉輪表面精加工時，以流線方式驅動刀軸，刀軸方向垂直于驅動體。如圖3所示。而精加工葉片以曲面方式驅動刀軸，刀軸側刃垂直于驅動體。等到加工完成，分別將各個刀軌導出保存，為后續機器人實際加工做好準備。圖2UG數控編程圖3葉輪表面精加工（3）基于UG/Motion的機器人加工仿真。通過UG/CAM模塊對加工軌跡進行了規劃，但是在實際加工中，由于機器人自身的結構，必須對加工軌跡進行驗證，以防止機器人產生碰撞和關節之間的干涉。若在機器上試運行進行檢測，會占用大量時間，降低機器人的加工效率。而在UG/Motion環境中直接對機器人加工進行運動仿真分析以及對碰撞和干涉進行檢測。因此，基于UG/Motion的機器人加工仿真相比傳統檢測具有很大優勢。利用UG/Motion的功能能夠賦予各個關節一定的運動特性，再在各個關節之間設立一定的驅動關系，建立一個運動仿真模型。由于UG/Motion可以對機器人進行運動合理分析工作，諸如干涉檢測、軌跡包絡等，就可以得到相關的運動參數。通過對機器人運動仿真模型進行運動學和動力學運動分析就可以驗證加工軌跡的合理性，并且可以利用圖形輸出各個關節的扭轉角、加速度和力的變化，不僅可以對機器人加工實時監控還可以對加工軌跡進行優化。確定如下原則，地基是固定不動的。如圖4所示，A1是繞Z軸旋轉，組件類型為C軸。A2是繞X軸旋轉，組件類型為A軸。A3是繞X軸旋轉，組件類型為A2軸。A4是繞Y軸旋轉，組件類型為B軸。A5是繞X軸旋轉，組件類型為C2軸。A6是繞Y軸旋轉，組件類型為B2軸并且還要在A6上面要加載主軸頭和刀具。圖4機器人三維模型建立機器人三維模型后，可通過各種約束限制構件之間的相對運動，由于工業機器人各個關節之間主要是旋轉副連接，所以想要減少系統的自由度，可以在系統上加約束。然后在UG/Motion中將六個關節設置為連桿，添加相應的性能參數。對于KUKA機器人，對六個關節之間分別建立旋轉副，連桿之間相互咬合。在添加約束中，需對機器人底座添加一個固定運動副，底座固定。建立約束以后，機器人在約束條件下運動。除了約束以外，還需添加相應的驅動使運動模型運動。而UG就能提供多種驅動方式，如：恒定、簡諧、函數和鉸鏈運動驅動。由于機器人運動軌跡不是規律的函數，因此需要將KUKA切削加工系統中生成的各個關節變量值以表格的形式建立成特定的XY函數作為驅動函數。所謂驅動函數就是對六個關節分別建立以時間橫坐標，以旋轉角度為縱坐標的XY函數。

3數字化測量簡述

與三坐標接觸式測量相比較，非接觸式三維掃描具有掃描速度快、不接觸物體表面、能對物體多方位視角掃描等優點，主要包括：結構光法、激光測量等測量方法。CREAFORM系列三維掃描儀是具有雙光投影功能的光學三維掃描系統，可實現光學LED燈與曝光時間的控制、相機拍攝圖像和轉臺旋轉，能提供清晰的條紋圖像和白光圖像，配合數控轉臺，實現實物的數據獲取.其測量精度達到0.02mm，該測量系統將可見光光柵條紋圖像投影到待測物體（鼠標）的表面，然后通過CCD將拍攝到的條紋圖像輸入計算機，應用三維圖像處理軟件，可根據條紋按照曲率變化的形狀再利用相位法和三角法就能精確計算出物體表面每一點的X、Y、Z坐標，獲得實物表面的三維點云數據。最后將掃描得到的數據結果導入到GEOMAJIC程軟件中，進行數據處理和優化。由于三維掃描儀不能很精確的測量凹槽部位，就會造成掃描的實體會缺損部分信息，所以還要在逆向工程中需要對這些部位進行填充修補。而數字化測量目的是檢測，所以可以用其對關鍵位置進行分析。這樣就可以實現三維掃描技術快速的精確檢測模型的加工精度。

4結語

隨著工業制造業生產自動化和智能化水平的提高，機電一體化數控的應用領域也不斷地在擴大。基于機器人離線編程技術的發展，多軸數控機器人在切削加工領域在未來發展中有很大的應用前景。它們的最大優點就是使其原本復雜的零件經加工后會變得容易許多，而且縮短了加工周期，提高了表面的加工質量。

作者:滑雪燕 單位:阜陽技師學院

參考文獻

［1］陳輝，王磊.機電一體化技術的現狀及發展趨勢［J］.機械，2008，（7）：1-4.