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關鍵詞：
機器人應用
五軸連動機器人
六軸連動機器人
激光噴丸
- 摘要：本文介紹了五軸聯(lián)動機器人和六軸聯(lián)動機器人在激光噴丸中的應用，詳細介紹了其控制系統(tǒng)的構成、工作過程、功能及應用效果，可供參考。
一、引言
激光噴丸可以用來增加零件的強度及消除應力，主要用于航空發(fā)動機葉輪等。通常噴丸要對整個物體的龍闊進行，也有對整個面進行噴丸。對單個發(fā)動機葉片類零件的噴丸相當比較簡單。但對整個葉輪的每個葉片都進行噴丸時就比較難，激光的發(fā)射角固定，而要對葉輪進行轉(zhuǎn)動和位移來確保激光能打在葉片表面理想位置。為了對每個葉片的主要部位都能進行噴丸處理，就要求對整體葉輪進行復雜的運動。通常至少是對其進行五軸五聯(lián)動運動，最好是六軸六連動運動，這樣才能實現(xiàn)無遮擋的理想噴丸。為了滿足上面的噴丸要求，沈陽萊茵機器人有限公司開發(fā)了兩臺五軸五聯(lián)動機器人和一系列六自由度混合型機器人。我們采用了高檔，開放式六軸多通道控制系統(tǒng)。幾臺五軸五聯(lián)動機器人系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)可靠運行了三年，六自由度混合型機器人運行也非常平穩(wěn)，可靠。本文簡單介紹五軸連動機器人和六軸連動機器人。
二、五軸連動機器人
根據(jù)用戶對機器人強度高，負載大，運動精度高等要求及人工裝卸零件的方便性和光路要求，我們設計了兩款五軸連動機器人。它們的結構原理上相同，主要由一個龍門式三軸直角坐標機器人和兩個轉(zhuǎn)動軸組成。由于負載重，直角坐標機器人的Z軸采用了如圖2所示的雙Z軸滾珠絲桿同步驅(qū)動。
直角坐標機器人的三個直線運動軸除了采用防塵防水的鋼帶防護，里面的全部零件都不怕水，能保證機器人長期工作。圖3中的機器人是萊茵機電三年前交付給用戶，運回維護保養(yǎng)的五軸聯(lián)動機器人。
圖1是由一個典型的3D懸臂直角坐標機器人和關節(jié)機器人的三個末端關節(jié)組成的混合型六自由度機器人。
圖2是要馬上發(fā)貨的五軸連動機器人。
圖3是無故障工作了三年，回廠保養(yǎng)的五軸聯(lián)動機器人。
五軸聯(lián)動機器人的第四個軸是安裝在Z軸下端，以Z軸為軸心的轉(zhuǎn)動軸，叫A軸。A軸主要由高精度交流伺服和反向間隙小于0.5弧分的緊密減速機組成。A軸帶動轉(zhuǎn)動軸B以水平面為軸轉(zhuǎn)動。B軸也主要由高精度交流伺服和反向間隙小于0.5弧分的緊密減速機組成。
三、五軸聯(lián)動機器人的控制系統(tǒng)及電箱
由于五軸聯(lián)動機器人的Z軸采用雙Z軸滾珠絲桿同步驅(qū)動方式，共計采用了6臺伺服電機。我們采用了沈陽萊茵機器人公司自己開發(fā)的，基于ARM的嵌入式8軸連動控制系統(tǒng)。為了雙Z軸的嚴格同步，在FPGA里面兩路伺服電機位置環(huán)控制信號由同一路控制信號控制。如圖4所示，該嵌入式8軸連動控制系統(tǒng)帶CAN總線,RS485接口和以太網(wǎng)接口，支持Modbus通信協(xié)議。可以鏈接常見的觸摸屏和工控機。所有IO口帶短路保護及擴展，還可以很方便搭建成主從時式分布式控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)是萊茵機器人十多年開發(fā)積累的，已在織布機的電送點卷，包裝機和火焰切割機上批量連續(xù)可靠工作多年的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)有是一個高度開放的控制系統(tǒng)，可以方便修改，增添功能，及用戶自己二次開發(fā)。
四、工作過程
由于激光束的方向是不能改變的，必須控制被噴丸的工件如此精確平穩(wěn)運動，確保激光束在要被噴丸處理的區(qū)域，按要求的軌跡和順序噴丸。為此采用示教方式工作，各個軸間可以同時聯(lián)動和獨立運動。激光系統(tǒng)可以放出一個幾乎沒有任何能量的激光點，我們稱為參照激光點。參照激光點的方位與噴丸的激光束完全一樣。示教時，先手動運動使參照激光點照到要被噴丸處理的軌跡上，然后確認該點為有效點。示教時操作者可以用手動操作器在被噴丸零件邊上邊看看控制運動。但出于安全考慮，操作員也可以借助高分辨率高清晰的視頻監(jiān)控系統(tǒng)來控制參照激光點在零件上的位置。系統(tǒng)自動記錄下這些有效點對應機器人各種軸的位置，然后上位機離線自動生產(chǎn)噴丸運動軌跡，自動優(yōu)化各個軸在各個點的運動分量，使運動過程平穩(wěn)高速。可以對噴丸軌跡進行圖示，局部放大，優(yōu)化噴丸順序，刪減等操作。
如果能得到被噴丸零件的3DCAD數(shù)據(jù)，給出噴丸信息后，借助CAM軟件可以自動生成運動軌跡。但通常出于保密等原因，通常是得不得對應的3DCAD數(shù)據(jù)。
五、六軸連動機器人
對于復雜的整體葉輪等采用六軸聯(lián)動機器人會更方便。圖4是混合型六軸聯(lián)動機器人的結構形式之一，它由三個直線運動軸，兩個轉(zhuǎn)動軸和一個擺動軸組成。其中三個直線運動軸是典型的懸臂型直角坐標機器人，也可以是圖2中所以的龍門式三維直角坐標機器人。在上下運動的Z軸下端帶動一個旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸帶動一個擺動軸，擺動軸末端再帶動一個旋轉(zhuǎn)軸。最末端的旋轉(zhuǎn)軸帶動手爪。由于兩個旋轉(zhuǎn)軸和一個擺動軸其實就是關節(jié)機器人的末端三個運動軸，所以六軸混合機器人就是三軸直角坐標機器人加上關節(jié)機器人的三個最末端運動軸組合而成。根據(jù)實際應用需要，混合型機器人的直線運動軸也可以是二維的XY軸結構或XZ軸結構，也可以是龍門式結構。其各個直線運動軸的行程及承載能力可以按要求去做。而兩個轉(zhuǎn)動軸和一個擺動軸組成也可以按需要僅選擇一個轉(zhuǎn)動軸，如從生產(chǎn)線把箱體碼垛到托盤上，也可以是一個轉(zhuǎn)動軸和一個擺動軸及其他組合。
圖4：混合型六軸聯(lián)動機器人示意圖
六、六軸聯(lián)動機器人的控制系統(tǒng)
六軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)是一個高度開放，功能強大的數(shù)控系統(tǒng)。其控制軸數(shù)最多可以達64軸，它可以是單通道數(shù)控系統(tǒng)，也可以設置為多通道數(shù)控系統(tǒng)。可以以脈沖方式，總線通信方式和模擬量方式控制運動軸和主軸，強大開放的PLC功能可以按用戶要求來配置。其軟件功能非常豐富，包含有幾乎任何常見的G代碼和M功能。操作界面人性化及按用戶要求來定制。系統(tǒng)插補周期短，可視化PID調(diào)節(jié)功能高效簡單。而且還可以擴展增加電子凸輪來實現(xiàn)活塞車等功能特種車銑功能。
主要功能：
1）測量功能
五軸機床含兩個擺動/旋轉(zhuǎn)軸，兩個軸的轉(zhuǎn)動中心點坐標及與三個直線軸間的夾角統(tǒng)必須精確獲取。通過測量自動計算出這些數(shù)據(jù)。
2）刀具中心點控制功能（RCTP）
五軸加工中心所用的程序由CAD/CAM軟件產(chǎn)生，大多數(shù)系統(tǒng)的程序是基于刀具中心點編寫的程序。但當換刀時中心點位置變了，就要重新生成程序，非常不方便。而基于刀尖中心點編程，即物體表面3D位置（X,Y,Z）和該點的刀尖方向（A,B）的編程就僅與被加工的物體幾何尺寸有關，而與刀具長度和機床結構沒有關系。RCTP功能就是把基于物體表面3D位置（X,Y,Z）和該點的刀尖方向（A,B）的程序自動分解成各個軸的運動。
3）該系統(tǒng)可以適合工作臺上帶有兩個旋轉(zhuǎn)軸，或加工刀具上(主軸)帶兩個擺動軸，或工作臺上帶有一個旋轉(zhuǎn)軸，而加工刀具上(主軸)帶一個擺動軸結構形式的五軸機床。4）3D刀具補償功能保證在加工過程中換刀時軟件自動計算補償?shù)毒甙虢?jīng)變化帶來的軌跡位置變化。該功能避免了換不同半徑的刀具時要重新生成加工程序。5）傾斜軸功能保證了機床的X,Y和Z軸間可以是任意角度，而該功能自動換算出編程時相互垂直的X,Y和Z軸。還可以克服X...工作臺上帶有兩個旋轉(zhuǎn)軸，或加工刀具上(主軸)帶兩個擺動軸，或工作臺上帶有一個旋轉(zhuǎn)軸，而加工刀具上(主軸)帶一個擺動軸結構形式的五軸機床。
4）3D刀具補償功能保證在加工過程中換刀時軟件自動計算補償?shù)毒甙虢?jīng)變化帶來的軌跡位置變化。該功能避免了換不同半徑的刀具時要重新生成加工程序。
5）傾斜軸功能保證了機床的X,Y和Z軸間可以是任意角度，而該功能自動換算出編程時相互垂直的X,Y和Z軸。還可以克服X,Y和Z空裝配誤差，起到軟件補償功能。
6）該系統(tǒng)包含有多通道多軸控制系統(tǒng)，可以控制特殊復合機床，實現(xiàn)一次裝夾多工序全自動加工。她能使特種復合加工中心及生產(chǎn)線實現(xiàn)高效高精密加工。
七、結論
這類六軸聯(lián)動混合型機器人本質(zhì)上是來自一些應用需要，綜合了直角坐標機器人的關節(jié)機器人的優(yōu)點，具有下面的主要優(yōu)點：
1、極大擴展了工作空間，X軸的工作行程可以達到100米長，Y軸可以達到10米。
2、承載能力更強，特殊結構可達2400Kg。
3、工作精度更高，直角坐標機器人部分可以采用精密滾珠絲杠傳動，重復定位精度可達0.01mm，甚至更高。
4、結構形式多樣性，直接坐標機器人可以按需要選擇龍門式、懸臂式、壁掛式等。同時可以增減旋轉(zhuǎn)軸和翻轉(zhuǎn)軸，構成五到八自由度機器人。
5、能替代關節(jié)機器人，完成打磨倒角，焊接，上下料額碼垛搬運等任務。
6、成本低，控制簡單，易于維護。
上面是其主要的優(yōu)點，在打磨倒角，機床上下料，大型零件焊接，碼垛搬運等工作中有關節(jié)機器人無法比擬的優(yōu)點。可以在幾乎所有的應用中取代關節(jié)機器人。
