基于智能制造技術的碼垛機器人在數控多軸加工中的提升與改造

賴 嘯 劉 勇 郭 晟

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644000）

隨著信息技術和生產技術的不斷融合，工業機器人已超越傳統機械設備的概念，成為一個集大數據、人工智能、云計算為一體的產品，擔當起工業互聯體系的核心載體。隨著自動化程度的逐步提高，智能物流領域得到迅速發展，倉庫、工廠車間、港口、碼頭等許多場所的貨物裝卸工作越來越多。傳統的人工進行拆垛、碼垛作業效率過低。碼垛機器人在現代物流行業運用十分廣泛，碼垛機器人的機械手不但運動靈活，而且軌跡精準，工作效率高。

用于智能制造領域的碼垛機器人的機械手可以很好地模仿人類的手腕和臂部的某一些動作，通過事先編好的程序來完成貨物的碼垛、抓取、運輸和其他動作。如果進行合理改造，碼垛機器人也可以用于一定程度的數控編程和生產制造。

1 本項目研究現狀

近幾年，有專家學者研究出把工業機器人和多軸數控加工機床結合起來，代替機床操作工，更好地提高了生產中的智能化程度和自動化程度。本項目將對碼垛機器人初始功能進行改造與提升，利用多軸數控機床的加工優勢，在碼垛機器人的機械手安裝新的編碼器設備、傳動裝置和可以安裝刀具的主軸，構建碼垛機器人能夠識別的專用后置處理器，能夠實現對復雜零件的數控加工，并調整五軸數控機床在加工中可能出現的C 軸轉動問題，可以大大節省數控設備的資源，提高碼垛機器人的使用率，最大程度發揮碼垛機器人功能運用。本項目的設計思路是把原有碼垛機器人機械手和多軸數控加工相融合，滿足無人化加工的需求，實現智能數字化工廠全自動機加工。

2 碼垛機器人機械手的數控加工升級改造

五軸數控機床的軸數較多，運動關系較復雜，適用于加工船舶螺旋槳、飛機機身模具、汽車覆蓋件模具等大型零件或復雜曲面。本項目提出的方案是在原有碼垛機器人機械手的末端執行器安裝上可以多軸數控加工的動力裝置、傳動裝置和可以安裝刀具的主軸，結構如圖1 所示。

圖1 安裝新的主軸頭后的機械手示意圖

由于碼垛機器人機械手以前的安裝主軸的位置有限，沒有足夠的空間傳遞動力，本項目是把主軸部件與機床的整體結構分離，選用新的主軸用來裝夾刀具以實現復雜零件的加工。我們改造的方法是將原先主軸拆除，安裝新的主軸頭。本項目研究的碼垛機器人機械手的主軸拆除之后，為了給新的主軸頭定位并安裝好，需要保留原有的主軸軸承座。升級改造以后，碼垛機器人機械手的新主軸具有能夠提供加工功能和傳動功能的完整部件，包含了內置脈沖編碼器、高頻主軸單元、高速軸承、高速電機、自動換刀裝置、潤滑系統、電主軸本身和冷卻系統。電動機的轉子安裝在新主軸上面，采用電動機機座直接作為新主軸頭的外部零件，使機械手電動機與機床主軸合并起來，跟機械手的其他零部件一起工作。

碼垛機器人的外部設置有機械本體固定機構、伺服電機元件、機械手手臂、抓手元件、末端執行器位移調節元件以及位置反饋檢測機構等構成。機械本體固定機構包括槽輪固定塊、軸承座、彈簧卡盤。適當的改造方法是：采用位置檢測和抓取裝置是采用彈簧卡盤與槽輪固定塊的一側相連，讓彈簧卡盤的外壁與槽輪固定塊內側保持連接。安裝完成以后，升級改造以后的碼垛機器人機械手實用性很強，可以用于航空航天、軍事裝備、精密儀表儀器方面的數控加工。讓碼垛機器人機械手達到多軸數控機床的加工特點，安裝新主軸以后工藝性能得到了提升。機械手的刀具是在Z 軸上做旋轉運動提供主運動，A、C 軸為X 軸和Z 軸的旋轉軸。現在假設A 軸不轉動，C 軸圍繞Z 軸旋轉運動的情況下，構建由機床原點到工件原點的運動學逆解。研究機械手運動學關系是為碼垛機器人機械手數控加工程序后處理奠定基礎。

由圖1 知，從工件原點到機床參考點（機床原點）要經過兩次移動和旋轉的數學處理。構建的方程是：

式中[T]、[R]是對工件坐標系齊次矩陣處理。

式中，DCxDCyDCz表示工件坐標系原點與C 轉軸的中心點距離，DAxDAyDAz表示C 轉軸中心到A 轉軸中心的距離。

3 在多軸數控加工遇到的奇異問題

五軸數控機床C 軸轉角坐標值解出來不唯一，也有可能是角度值不唯一，這種現象形成了多軸數控加工C軸奇異位置區。奇異問題常見于帶有C 轉軸的五軸機床，由于C 軸轉角與刀軸矢量有關。而矢量在空間中可以旋轉，所以可以定義刀軸矢量的奇異錐體區域。設一個角度誤差允差ε(ε=0.01°)0＜θ(A)≤ε。如圖2 所示，在某自由曲面上一個點的法矢為(0，0，1)，這個刀位點的刀軸矢量與Z 軸平行，在這個法矢附近以允差ε形成一個奇異錐體區域，在圓錐面上選取3 個刀軸矢量，其數值如表1 中所示。根據運動學逆解，得出C 軸轉角從矢量1 到矢量2、矢量3 分別變化了90°和180°。

圖2 多軸數控加工奇異點位與奇異錐

在復雜曲面或自由曲面的數控編程模塊中，五軸機床帶有C 軸時，如果軟件產生的刀路軌跡通過轉軸的奇異區域，則C 軸通常會發生一個很大的角度快速回轉，經常遇到的是180°轉動(刀路軌跡一般是要求連續的)。這樣C 軸運動較平動軸滯后，而刀具仍舊旋轉切削，進而在曲面的表面產生過切等缺陷，甚至導致碰撞或刀具報廢。

4 碼垛機器人機械手數控加工奇異點解決方法

由于多軸數控加工有可能產生奇異點，我們要考慮借用機器人機械手來解決這一問題，以便減少電機的加速沖擊。本項目提出解決的辦法是對奇異區位的刀位點進行插值，和銑刀刀位軌跡避讓，用來調整刀位點避開奇異位置。奇異點位插值法就是對銑刀刀位軌跡的切觸點進行加密和參數化處理，一般使用線性插值計算，插補器計算出合適的速度，進而實現機械手C 轉軸的平滑轉動。刀位避讓法就是調整刀觸點及其刀軸矢量以求避開奇異區域，但有時對于復雜曲面，切削路徑可能是唯一的。本項目研究的碼垛機器人機械手應用這兩種方法來完成測試。刀位點的線性插值與誤差原理如圖3 所示，數控程序和CAM 軟件均使用G1 的微小直線段來離散曲線和曲面，完成數控加工。理論路徑為一段直線，實際運動路徑為一段空間弧線，這是由非線性誤差導致的，對刀位點進行插補，可以明顯減小這類誤差，并使得刀路軌跡平滑。

圖3 刀位點的線性插值與誤差

5 機械手刀路軌跡進行UG、VERICUT 刀路運動仿真

本項目借助UG 軟件和VERICUT 軟件，用UG NX10. 0 產生了機械手實際加工的刀軌，并在VERICUT中進行了仿真驗證。

在本項目研究的碼垛機器人機械手借助了UG NX軟件，模擬生成數控刀軌，選用復雜零件離心式葉輪，對其加工過程進行模擬仿真和加工驗證。復雜零件離心式葉輪的UG 建模和加工生成刀路如圖4 所示。本項目利用UG 軟件完成所選典型零件離心式葉輪的三維建模，利用UG 加工模塊，通過切削參數的設置，生成零件的粗加工和精加工走刀軌跡。然后構建本項目研究的碼垛機器人機械手能識別的多軸數控加工專用后處理器，使用構建好的后處理器對走刀軌跡進行后處理，生成優化以后的數控加工代碼。為后一步利用VERICUT 軟件驗證碼垛機器人機械手對離心式葉輪的模擬加工做好準備。

圖4 離心式葉輪的UG 加工模型和生成刀路

UG10.0 常見加工的兩種后處理器，是圖形后處理器Graphics Postprocessor Modul 和NX Post。GPM 后處理方法是一種傳統的方法，用GPM 進行后置處理時，需要使用機床數據文件(MDF)，機床數據文件包含對刀具路徑進行后置處理時所需的機床數據。NX POST 通過建立與機床控制系統相匹配的兩個文件一一事件處理文件和定義文件，可以輕松完成從簡單到任意復雜機床控制系統的后處理，用戶甚至可以直接修改這兩個文件實現用戶特定的信息處理。多軸加工的后處理器比較麻煩，本項目中使用UG/Post 工具與TCL （Tool command language）相結合來設計出碼垛機器人進行多軸加工的后處理器。VERICUT 軟件是一款優秀的針對多軸數控機床加工仿真和機械創新優化設計的軟件。

本項目所選用的復雜零件離心式葉輪，利用VERICUT 軟件，建立機床運動仿真、刀具參數、選用匹配的優化路徑，對上一步用UG 軟件生成的數控程序進行機床仿真和程序校驗。復雜零件離心式葉輪的VERICUT模擬仿真結果如圖5 所示。仿真驗證的結果說明加工過程無碰撞和過切, 證明了刀路軌跡及運動學方程是合理推正確的。

圖5 復雜零件離心式葉輪的VERICUT 模擬仿真