工業機器人在多軸加工中的應用

伊水涌　樓建勇

摘 要：通過改變工業機器人機械手部分的結構，加裝帶有銑刀柄裝置的主軸頭來實現對復雜零件的加工。利用UG定制后處理生成G代碼，并用VT軟件進行加工的仿真與優化，加工出只有多軸數控機床才能加工出的葉輪零件，擴大了工業機器人的使用范圍。

關鍵詞：機械手改進；多軸加工；仿真優化；UG；VERICUT

工業機器人主要應用于機械加工中代替人完成具有高質量、大批量要求的工作，如車輛制造中的氬弧焊、電焊、切割、噴漆、電子裝配以及物流系統中的搬運、包裝等作業。文章采用Kuka 360-2型工業機器人為原型，在機械手部位加裝帶有銑刀柄裝置的主軸頭，來實現對葉輪零件的加工。

1 機械手主軸頭的修改方案

通過在Kuka360-2型工業機器人原本安裝機械手（圖1）的頭部更換上便于裝夾銑刀的主軸頭（圖2），用這種較少的投入改變其原有的加工方法，實現對復雜零件的加工做好保障。

2 六個自由度數學分析

Kuka360-2型工業機器人的分為底座、滑動平臺、活動機械臂、機械臂旋轉點。機械臂和旋轉點構成六個自由度。機械臂的位置移動與旋轉點的旋轉角度，機械臂的長度有關。

如圖3所示，在基座上建立空間直角坐標系，將旋轉點之間的機械臂抽象為向量，旋轉點間機械臂的移動轉化為向量的位置變換。旋轉點1和旋轉點2之間的機械臂記作：

其中a5=（x5，y5，z5），機械臂a5的旋轉空間決定了機械手的抓手的運動空間，即旋轉角？茲6的范圍。而機械臂a5的運動空間由機械臂a1、a2決定，所以機械臂a1、a2的旋轉空間決定了機械手抓手的靈敏度和可操作度以及機械手的實用性。

3 UG軟件生成加工代碼

利用UG軟件多軸銑加工模塊可以很方便的加工葉輪。這里采用多葉片操作來加工含多個葉片的部件，對于這些類型部件，此操作的加工效率最高。創建用于執行粗加工、剩余銑、葉轂精加工以及葉片和分流葉片精加工的操作。這里只介紹粗加工操作步驟：

（1）在加工環境中直接選擇多軸加工葉輪模塊mill_multi_blade 點擊OK。（2）設定加工刀具。先測量一下葉片之間能過最大的刀具直徑，便于加工到輪轂底面；再設定三把刀具用于粗加工、半精加工、精加工，這里分別取R4、R3、R3的球頭銑刀；最后設定刀具號，以便在加工時調用刀具。（3）設定幾何體。利用葉輪模塊中的輪轂、葉片、分流葉片、圓角參數定義葉輪幾何體。（4）創建程序。選擇葉片粗加工方法依次從位置中選擇相應的設置，點擊生成刀軌，如圖4所示。

在完成一個葉片的粗加工后，通過變化命令就得到其他葉片的粗加工。其他加工方式亦如此，這里不在一一介紹。通過以上方法產生的刀軌數據必須經過UG軟件中的定制后處理，以適應每種機床及其控制系統的特定要求，其結果是使刀軌數據變成機床能夠識別的NC代碼。

4 VT加工仿真

（1）導出模型。在VERICUT軟件中導入用UG軟件建模的Kuka360-2型工業機器人各部件的模型文件，如圖5所示。

（2）完成機床搭建方式，建立機床結構，設定三個坐標系：絕對坐標系、刀尖坐標系、程序原點，如圖6所示。

（3）加載控制器。VERICUT中提供了許多控制類型，我們可以選擇相應的控制模式。我們也可以定制機床控制器和修改控制器，在VERICUT中可以很方便的實現。我們選用KUKA 240控制器，進行相應設置來滿足KUKA 360機床要求。

（4）機床測試。采用MDI方式來測試機床搭建的可靠性，測試程序如下：M6 T01；GO X0 Y0 Z0 I0 J0 K0；GO X0 Y0 Z0 I1 J0 K0；GO X0 Y0 Z0 I0 J1 K0；GO X0 Y0 Z0 I0 J0 K1；GO X0 Y0 Z0 I1 J1 K0；GO X0 Y0 Z0 I1 J0 K1；GO X0 Y0 Z0 I0 J1 K1；GO X0 Y0 Z0 I1 J1 K1。

（5）程序調試。先通過UG軟件定制后處理出一個測試程序進行加工，觀察程序在加工過程中是否產生刀具、工件和機床三者間的干涉。然后把之前生成好的葉輪加工程序添加到VERTICUT軟件中，最后設定碰撞停止點擊加工按鈕，開始加工工件。

5 出現的問題及解決方法

5.1 出現的問題

在粗加工過程中，加工到第二個葉片和第五個葉片時出現了碰撞，在精加工過程中也出現了干涉，具體見圖7所示。

5.2 問題解決方法

產生以上碰撞的原因有兩個：一是安全平面設置不正確，二是后處理有問題。但第一種原因基本可以排除，因為是在跨極限時發生碰撞。那么，肯定是后處理出了問題。在程序中發現了一個錯誤的地方：就是在跨到第二極限時出現G0引起突然換刀，造成設備到哪個位置計算不過來，即產生了以上撞刀現象。解決的步驟如下：

（1）修改后處理。從上面分析可知，將跨極限時角度調整為0-360°，重新生成后完成后處理的修改工作。

（2）重新測試程序。導入重新生成的加工程序到VERICUT中點擊執行，完成加工如圖8所示的葉輪。經過本次修改，未發生干涉現象，滿足加工要求。

參考文獻

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