基于ROBOGUIDE軟件的機器人離線編程研究

□ 肖 高

上海電氣集團自動化工程有限公司 上海 200233

1 研究背景

隨著工業(yè)機器人的普及和人力成本的上升,工業(yè)機器人在產(chǎn)品打磨方面的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)人工相比,機器人打磨具有工件表面一致性好、生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)點。更重要的是,機器人打磨避免了手工打磨過程中金屬粉塵和體力消耗對工人身心健康的損害,也降低了人工操作可能發(fā)生安全事故的概率[1]。據(jù)統(tǒng)計,2019年國內(nèi)安裝打磨機器人4 628臺,平均價格約122.5萬元/臺,市場規(guī)模約56.7億元。打磨機器人市場近幾年呈現(xiàn)逐年增長的趨勢[1]。

對機器人打磨工藝編程,可以采用人工示教和離線編程兩種方式[2]。當(dāng)程序用于復(fù)雜空間曲線和曲面加工時,人工示教方式下點位的精度及其間距控制的質(zhì)量較差,并且人工示教的效率低,隨機性大,由此造成人工示教方式的加工效果不理想。

離線編程方式能夠在不影響機器人工作的情況下自動進行編程,具有可達(dá)性分析、碰撞干涉檢查、節(jié)拍計算等功能,程序更為安全合理。各大機器人廠商都推出了離線編程軟件,如發(fā)那科公司的ROBOGUIDE、ABB公司的RobotStudio等[3]。

筆者基于ROBOGUIDE離線編程軟件,針對球形輪轂法蘭盤的輪廓特點,運用離線編程和仿真功能,自動生成離線程序,解決了工件的實際安裝偏差問題,滿足打磨程序的復(fù)用需求。

2 離線編程程序應(yīng)用

球形輪轂是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵零件,由于體積大、質(zhì)量大,鑄造后工件打磨清理難度和風(fēng)險較高。目前,球形輪轂的打磨清理方式主要采用人工手持工具進行打磨,加工效率低,人工操作差異性大。

球形輪轂外形如圖1所示。該球形輪轂高3 000 mm,質(zhì)量約為20 t,周向均布三個風(fēng)葉對接法蘭盤,法蘭盤外徑約為2 300 mm。由于在毛坯件的鑄造過程中會產(chǎn)生飛邊、毛刺、分型線等情況,因此要求對毛坯件法蘭盤邊緣采用打磨工藝進行粗加工清理,用自動化方式取代人工錘擊和砂輪打磨。

打磨系統(tǒng)由機器人、快換接口、打磨頭、探針頭、工件旋轉(zhuǎn)工作臺等部分組成。采用發(fā)那科公司的R-2000iC/210L機器人,最大工作范圍可達(dá)3 100 mm,重復(fù)精度為0.05 mm,廣泛應(yīng)用于打磨、焊接、搬運、去毛刺等工作場景。機器人末端安裝快換接頭,可以根據(jù)工藝需要,自動進行打磨頭和探針的更換。探針用于球形輪轂的位置標(biāo)定。工件旋轉(zhuǎn)工作臺采用蝸輪蝸桿傳動方式,可以實現(xiàn)臺面的旋轉(zhuǎn)定位和加工時的可靠自鎖。

▲圖1 球形輪轂外形

ROBOGUIDE軟件自帶機器人、工作臺、夾具等數(shù)模文件,同時支持從外部導(dǎo)入三維數(shù)模進行系統(tǒng)環(huán)境搭建[4]。最為重要的是,ROBOGUIDE軟件可以通過修正仿真環(huán)境,使仿真環(huán)境與現(xiàn)場環(huán)境一致,從而利用離線程序進行實際加工,節(jié)省工藝調(diào)試時間。

球形輪轂三維圖如圖2所示。在現(xiàn)場機器人應(yīng)用離線程序前,針對球形輪轂裝夾的誤差,需要對球形輪轂位置進行檢測和標(biāo)定。為了提高檢測精度,采用高精度接觸探針,利用探針尖頂對球形輪轂位置進行準(zhǔn)確定位。為利于離線程序的移植復(fù)用,工件坐標(biāo)系原點一般設(shè)置在圓心o點,但是由于球形輪轂中空且尺寸大,o點無法直接而準(zhǔn)確定位。

▲圖2 球形輪轂三維圖

3 工件坐標(biāo)系標(biāo)定

球形輪轂法蘭盤如圖3所示。設(shè)球形輪轂法蘭盤所在平面為I,機器人基坐標(biāo)系為B,圓心o點為工件坐標(biāo)系的原點,w為工件坐標(biāo)系的第三坐標(biāo)軸,u、v坐標(biāo)軸可任意定義。球形輪轂法蘭盤上不需要設(shè)置探針定位銷點,原因是球形輪轂法蘭盤的位置理論上由圓心o點坐標(biāo)及平面I的單位法向量決定,與u、v坐標(biāo)軸無關(guān)。圖3中,P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8點為探針順序標(biāo)定點。假設(shè)P1點在工件坐標(biāo)系的u軸上。

▲圖3 球形輪轂法蘭盤

機器人的工件坐標(biāo)系由六個數(shù)值定義,即X、Y、Z、W、P、R。X、Y、Z用于表示原點在機器人基坐標(biāo)系B中的位置,W、P、R用于表示工件坐標(biāo)系的姿態(tài)。W為工件坐標(biāo)系繞X軸的旋轉(zhuǎn)角度,P為工件坐標(biāo)系繞Y軸的旋轉(zhuǎn)角度,R為工件坐標(biāo)系繞Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)P1、P2、P3三點,即可確定圓心o點和平面I。平面I的方程為:

(1)

化為平面一般方程,為:

A1x+B1y+C1z+D1=0

(2)

A1=y1z2-y1z3-z1y2+z1y3+y2z3-y3z2

(3)

B1=-x1z2+x1z3+z1x2-z1x3-x2z3+x3z2

(4)

C1=x1y2-x1y3-y1x2+y1x3+x2y3-x3y2

(5)

D1=-x1y2z3+x1y3z2+x2y1z3-x3y1z2

-x2y3z1+x3y2z1

(6)

P1、P2、P3三點到圓心o點的距離相等,均設(shè)為R,于是有:

R2=(x1-x0)2+(y1-y0)2+(z1-z0)2

(7)

R2=(x2-x0)2+(y2-y0)2+(z2-z0)2

(8)

R2=(x3-x0)2+(y3-y0)2+(z3-z0)2

(9)

可轉(zhuǎn)化為:

2(x2-x1)x0+2(y2-y1)y0+2(z2-z1)z0

(10)

2(x3-x1)x0+2(y3-y1)y0+2(z3-z1)z0

(11)

記為:

A2x0+B2y0+C2z0+D2=0

(12)

A3x0+B3y0+C3z0+D3=0

(13)

由式(2)、式(12)、式(13)得到:

(14)

由此,圓心o點坐標(biāo)為:

(15)

于是有:

(16)

(17)

得到:

v=w×u

(18)

工件坐標(biāo)系、機器人基坐標(biāo)系B之間的轉(zhuǎn)換矩陣R為:

R=RZ(R)RY(P)RX(W)

(19)

工件坐標(biāo)系中u、v、w軸單位向量(1 0 0)、(0 1 0)、(0 0 1)代入式(19),得到:

Bu=RZ(R)RY(P)RX(W)[1 0 0]T

(20)

Bv=RZ(R)RY(P)RX(W)[0 1 0]T

(21)

Bw=RZ(R)RY(P)RX(W)[0 0 1]T

(22)

整理后得到:

R=arctan2(uy,yx)

(23)

P=arctan2(-uzcosR,ux)

(24)

W=arctan2(vz,wz)

(25)

綜合以上分析,(x0,y0,z0,W,P,R)就是工件坐標(biāo)系標(biāo)定時的直接輸入值,其中,(x0,y0,z0)為工件坐標(biāo)系的原點。為了避免標(biāo)定操作時的人為誤差,進行多次標(biāo)定后獲取原點o1、o2、…、on,若其中任意兩點距離大于設(shè)定值,則放棄對應(yīng)標(biāo)定數(shù)據(jù)點集。這一標(biāo)定算法可以通過Karel語言實現(xiàn),嵌入機器人控制器,以程序執(zhí)行方式調(diào)用[5]。

4 打磨仿真

使用ROBOGUIDE軟件的仿真功能,可以模擬機器人運動的全過程[6]。在SolidWorks軟件中建立球形輪轂等的數(shù)模[7],以.IGS格式導(dǎo)入ROBOGUIDE軟件[8]。球形輪轂導(dǎo)入Part項資源,工作臺、刀架座等導(dǎo)入Fixture項資源。

在ROBOGUIDE軟件中,可以對球形輪轂法蘭盤的待加工外邊緣區(qū)域進行多次定位[9],并運用工件坐標(biāo)系標(biāo)定算法,獲取標(biāo)定輸入值。球形輪轂法蘭盤的目標(biāo)特征利用CAD-TO-PATH功能中的Closed Loop方式自動識別,提取出球形輪轂法蘭盤外邊緣輪廓曲線[10],進而自動生成球形輪轂法蘭盤邊緣的離線打磨程序。

在離線自動編程功能中,工件坐標(biāo)系原點設(shè)置在球形輪轂法蘭盤圓環(huán)中心,z軸垂直于球形輪轂法蘭盤平面指向外側(cè)。加工刀具半徑設(shè)置為20 mm,刀具朝向軌跡中心偏轉(zhuǎn)10°。編程的進刀點和出刀點設(shè)為P1點,安全距離設(shè)置為100 mm。機器人進行去毛刺加工作業(yè)時,首先將刀具快速移動到安全點,然后以直線方式移動到進刀點,隨后沿加工路徑點打磨加工。完成加工路徑后,移動到路徑終點,以直線方式抬起刀具至安全點。

ROBOGUIDE軟件自動生成打磨程序,刀具跟蹤軌跡如圖4所示。當(dāng)球形輪轂法蘭盤位置和姿態(tài)發(fā)生一定的偏移后,同樣運用工件坐標(biāo)系標(biāo)定算法,獲取標(biāo)定輸入值,更新工件坐標(biāo)系。再次運行打磨程序,球形輪轂法蘭盤偏移后刀具跟蹤軌跡如圖5所示。

▲圖4 刀具跟蹤軌跡

▲圖5 球形輪轂法蘭盤偏移后刀具跟蹤軌跡

在圖4和圖5中,球形輪轂法蘭盤邊緣的加工軌跡位置均準(zhǔn)確,說明工件坐標(biāo)系的標(biāo)定方法準(zhǔn)確。

對比圖4與圖5,確認(rèn)兩者的刀具姿態(tài)和加工軌跡一致,說明自動生成的離線程序可以在現(xiàn)場機器人中復(fù)用。

ROBOGUIDE軟件自動生成的離線程序可以用于車間現(xiàn)場球形輪轂法蘭盤的加工操作,不需要在球形輪轂上預(yù)先設(shè)置精確的定位點,為加工工藝任務(wù)的分工提供了條件。

5 結(jié)束語

目前機器人技術(shù)應(yīng)用成熟,價格優(yōu)勢越來越顯著。隨著制造業(yè)競爭加劇,用工日趨緊張,推廣應(yīng)用工業(yè)機器人是大勢所趨。使用機器人打磨產(chǎn)品,能保證打磨質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,并且故障率低,保養(yǎng)維修方便,滿足企業(yè)生產(chǎn)的需求。

筆者提供了一種球形輪轂法蘭盤工件坐標(biāo)系標(biāo)定方法,用于擴展機器人離線編程的應(yīng)用,使復(fù)雜軌跡的編程效率得到提高。經(jīng)驗證,這一方法可行有效,為復(fù)雜曲面的精確打磨提供了范例。