0 引 言

　　工業(yè)機器人作為一種集多種先進(jìn)技術(shù)于一體的自動化裝備,體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的高效益、軟硬件結(jié)合等特點,成為柔性制造系統(tǒng)、自動化工廠、計算機集成制造系統(tǒng)等現(xiàn)代化制造系統(tǒng)的重要組成部分。目前,工業(yè)機器人具有柔性好、自動化程度高、可編程性、通用性等特點,已經(jīng)廣泛運用到工業(yè)加工制造的各個方面。

　　1 工業(yè)機器人發(fā)展及應(yīng)用

　　20 世紀(jì) 60 年代,美國第 1 臺示教再現(xiàn)型機器人Unimate 問世,其控制方式與數(shù)控機床類似,但在外形上由類似于人的手和臂組成。經(jīng)過 50 多年的發(fā)展,隨著機器人、計算機、控制、機械等技術(shù)的提高,在工業(yè)發(fā)達(dá)國家,工業(yè)機器人在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用,尤其是在汽車行業(yè)和制造加工行業(yè),提高了加工效率與產(chǎn)品的一致性。

　　作為先進(jìn)制造業(yè)中典型的機電一體化數(shù)字化裝備,工業(yè)機器人已經(jīng)成為衡量一個國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。我國工業(yè)機器人的研究從 20世紀(jì) 80 年代開始起步,至今也有了較大的發(fā)展,已基本上掌握了工業(yè)機器人的設(shè)計制造技術(shù)、機器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計等,一些產(chǎn)品的技術(shù)水平已達(dá)到國際先進(jìn)水平,也開發(fā)了一些不同類型的機器人。

　　隨著我國勞動力成本的逐年增加,老齡化社會的到來,伴隨著我國經(jīng)濟的高速增長,以汽車等行業(yè)需求為牽引,我國對工業(yè)機器人需求量急劇增加[1]。

　　根據(jù) IFR 統(tǒng)計資料,2014 年工業(yè)需求量增長高于15%,預(yù)計 2015 ~2017 年平均年需求量增長 12% 左右。 其中亞洲對于工業(yè)機器人的需求相對較大,特別是中國、韓國等。 海關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,2014 年上半年中國工業(yè)機器人進(jìn)口數(shù)量規(guī)模達(dá)到 34714 ,同比增長 92%。 可見,工業(yè)機器人將是自動化發(fā)展的重要組成力量。

　　近些年中國制造業(yè)的迅速發(fā)展,工業(yè)機器人已廣泛應(yīng)用于焊接、噴涂、組裝、采集和搬運、產(chǎn)品檢測試等行業(yè)。 就機械加工行業(yè)來說,使用工業(yè)機器人可以降低廢品率和產(chǎn)品成本,提高設(shè)備的利用率,減少人工用量,加快技術(shù)創(chuàng)新速度,提高企業(yè)競爭力等。

　　2 機械加工中的應(yīng)用

　　工業(yè)機器人可滿足當(dāng)今工業(yè)成本與時間高效性的需求,以及對材料加工的柔性需求,以其高效性、低成本、柔性好等優(yōu)勢,可作為替換傳統(tǒng)機械加工單元的自動化加工設(shè)備。 近年來,與數(shù)控加工中心、FMC等其它加工設(shè)備相比,工業(yè)機器人應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點,可適應(yīng)多品種、小批量、現(xiàn)場加工的現(xiàn)代生產(chǎn)要求,可以滿足自由曲面、復(fù)雜型腔等復(fù)雜加工要求。

　　2. 1 軌跡規(guī)劃

　　機械加工生產(chǎn)過程中,工業(yè)機器人要完成多種運動軌跡以符合生產(chǎn)過程。 機器人生成的運動軌跡直接影響零件加工精度及形狀等,為了得到更好的加工質(zhì)量,機器人軌跡規(guī)劃研究有著不可替代的作用。為此,研究人員針對機器人機械加工軌跡規(guī)劃進(jìn)行了相關(guān)的研究。 李琳等人[2]提出了一種面向復(fù)雜曲面加工的工業(yè)機器人軌跡生成算法,借助 CAD/CAM 技術(shù)完成復(fù)雜曲面的建模,根據(jù)三角面片各點坐標(biāo)在切片方向上投影的最大和最小值反求與此三角面片相交的切平面,并對三角面片分組,然后推導(dǎo)出三角面片邊上相鄰交點的增量公式,最后通過機器人編程得到復(fù)雜曲面的加工運動軌跡。 該算法實現(xiàn)了任意復(fù)雜曲面加工軌跡的生成。 陳浣等人[3]采用累加弦長的三次參數(shù) B 樣條處理 CAM 加工表面信息,優(yōu)化工藝參數(shù),將 CNC 軌跡轉(zhuǎn)化為機器人運動軌跡,實驗證明可滿足面向復(fù)雜輪廓的現(xiàn)代高速高精度的機械加工要求。 韓光超等人[4]開發(fā)了基于 CAM軟件模塊的機器人拋光軌跡自動規(guī)劃系統(tǒng),利用 UGCAM 軟件中的多軸銑加工功能模塊獲得型腔的表面信息,然后采用輔助區(qū)域驅(qū)動法在復(fù)雜型腔表面映射生成連續(xù)的多軸數(shù)控加工軌跡,調(diào)節(jié)工藝參數(shù),并將多軸數(shù)控加工軌跡轉(zhuǎn)化成機器人拋光加工軌跡。Luis Gracia 等人[5]提出了一種相比雅可比矩陣更為簡單的零空間矩陣計算方法,限制奇異點位置關(guān)節(jié)速度,實現(xiàn)軌跡控制。 E. Abele 等人[6]提出了一種基于激光掃描工件信息和 CAD 機械加工 STL 表面信息相比較的方法,采用 DEXEL 離散化方法比較數(shù)據(jù),使用后處理過的機器人路徑,可提高機械加工質(zhì)量。Jung Chang-wook 等人[7]提出一種工業(yè)機器人三維曲面加工方法,采用激光位移傳感器采集信息進(jìn)行路徑補償,計算特定點進(jìn)行自動路徑生成,減少示教點的數(shù)量及時間,測試不同工具轉(zhuǎn)速、切削深度、工具移動速度條件下加工過程,得到更為合適的加工條件。Wang H 等人[8]提出一種基于單目視覺的機器人協(xié)調(diào)磨削表面方法,利用單目視覺獲得三維加工表面信息,采用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合圖像信息,提出了一種三次 B 樣條算法,生成光滑連續(xù)曲線。 由線到面,構(gòu)建三維表面,進(jìn)行機器人運動軌跡規(guī)劃。

　　機械加工往往有著不同的機械結(jié)構(gòu),復(fù)雜性程度高,因工業(yè)機器人的自動化程度高,以成熟的 CAD/CAM 技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ),結(jié)合計算機技術(shù)及精密設(shè)備的發(fā)展,從而進(jìn)行軌跡規(guī)劃和優(yōu)化,將是提高機械加工質(zhì)量的一個重要方面。

　　2. 2 離線編程

　　工業(yè)機器人是一個可編程的機械裝置,其功能的靈活性和智能性很大程度取決于機器人的編程能力[9]。 在機械加工中,應(yīng)用范圍持續(xù)擴大的同時,工作復(fù)雜程度也不斷增加,可以代替數(shù)控機床加工復(fù)雜曲面等。 示教編程過程繁瑣、效率低,難以完成對復(fù)雜路徑的規(guī)劃,而離線編程無需機器人本身及其控制系統(tǒng)參與,可根據(jù)不同的工件加工信息進(jìn)行外部程序編制。

　　Neto Pedro[10]提出了一種基于 CAD 圖形的離線編程和仿真方法,用于機器人輔助金屬板彎曲,借助CAD 信息輔助機器人單元設(shè)計,更好的用于生產(chǎn)系統(tǒng)。 Zhan JM 等人[11]通過分析標(biāo)準(zhǔn) NC 代碼和機器人編程準(zhǔn)則,開發(fā)了一種基于工業(yè)機器人的自由曲面拋光自動化編程系統(tǒng)。 Javier Andres 等人[12]開發(fā)了以 UG NX 為 CAM 基礎(chǔ)的工業(yè)機器人加工系統(tǒng),利用NX 數(shù)控加工功能產(chǎn)生相應(yīng)的切削加工軌跡及 G 代碼,應(yīng)用 C++及后置處理 POST 將加工 G 代碼轉(zhuǎn)換成機器人能夠識別并加工的代碼(TCL)。 肖文磊等人[13]以 REIS RV16 工業(yè)機器人為仿真加工平臺,建立切削加工機器人的原型系統(tǒng),對其后置處理過程的坐標(biāo)系變換、運動學(xué)求解、冗余自由度和奇異點回避問題進(jìn)行推導(dǎo)和論述。 建立切削加工機器人的仿真和后置處理系統(tǒng)平臺,并完成 2D 和 3D 樣件的加工。宋鵬飛等人[14]開發(fā)了基于 Solidworks 的工業(yè)機器人離線編程系統(tǒng),在 Solidworks 環(huán)境下建立機器人及其工作環(huán)境仿真模型,利用 Solidworks API 二次開發(fā)函數(shù)及 VC++編程語言,在 Solidworks 環(huán)境下實現(xiàn)了工業(yè)機器人離線編程仿真系統(tǒng)的設(shè)計。 系統(tǒng)實現(xiàn)了工業(yè)機器人位姿坐標(biāo)的精確計算,機器人逆運算及作業(yè)程序自動生成三大功能的系統(tǒng)集成,并對計算結(jié)果進(jìn)行了運動仿真。

　　隨著計算機技術(shù)的逐步完善,強大的圖形處理能力和計算能力為機器人機械加工離線編程技術(shù)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展平臺。

　　2. 3 加工精度與誤差補償

　　精度不僅是衡量機械加工系統(tǒng)整體性能的一個重要標(biāo)準(zhǔn),而且將直接影響到工件的加工質(zhì)量。 如何提高機器人的加工精度,關(guān)系到整個機器人加工系統(tǒng)的應(yīng)用,不再局限于低精度要求的加工任務(wù)。

　　畢運波等人[15]研發(fā)了一種機器人自動化制孔系統(tǒng),孔位法向向量可以根據(jù)產(chǎn)品模型直接獲取,提出一種基于 4 個激光位移傳感器的法向偏差修正技術(shù)。通過標(biāo)定獲得激光位移傳感器的零點位置和激光方向,繼而根據(jù)傳感器的測量值計算得到加工表面的實際法矢方向,通過調(diào)整機器人姿態(tài)實現(xiàn)孔位法向偏差的修正。 Slavkovic Nikola R 等人[16]提出一種機加工切削力誤差離線補償方法,借助 G 代碼路徑信息,依據(jù)工具點位置和機械模型切削力計算值,實現(xiàn)一種路徑離線補償方式,降低加工誤差。 Roesch Oli鄄ver[17]提出了一種基于模型的在線補償策略,以提高加工精度。 借助 3D 激光多普勒振動掃描儀測量數(shù)據(jù),反饋齒輪、軸承和結(jié)構(gòu)組件的剛度,將參數(shù)應(yīng)用到實時仿真模型中,計算加工過程中力所引起的工具點路徑偏差,將計算偏差傳遞到機器人控制系統(tǒng)中做反向補償。

　　加工精度的改善和誤差補償機制可大幅度提高加工效率和質(zhì)量,降低產(chǎn)品開發(fā)周期,對于提升我國機械加工技術(shù)水平具有重要意義。

　　2. 4  剛 度

　　剛度是機器人性能優(yōu)化極為重要的方面,對機器人加工質(zhì)量與加工穩(wěn)定性具有重要影響。 雖然機器人可替代傳統(tǒng) CNC 設(shè)備進(jìn)行機械加工,對于一些高精度、剛度要求的生產(chǎn)過程,其應(yīng)用仍有一定的局限性。為解決這類問題,對此進(jìn)行了相關(guān)的研究。曲巍崴等人[18]提出一種機器人加工系統(tǒng)剛度性能優(yōu)化方法,基于傳統(tǒng)剛度映射模型,通過辨識實驗獲得機器人關(guān)節(jié)剛度;約束機器人加工位姿、關(guān)節(jié)角度,以機器人末端剛度橢球沿待加工曲面主法矢方向的半軸長度為優(yōu)化指標(biāo),采用遺傳算法進(jìn)行機器人姿態(tài)優(yōu)化。 Claire Dumas 等人[19]建立一種穩(wěn)定的剛度數(shù)學(xué)模型,確定剛度參數(shù),通過給予末端執(zhí)行器力與力矩,實驗驗證了模型的正確性。 Dumas Claire 等人[20]提出一種基于工業(yè)機器人零件精加工過程的優(yōu)化方法,建立機器人剛度模型,檢測合成零件信息,綜合末端執(zhí)行器的切削力,判斷最優(yōu)切削方式,確定機器人最佳加工位置。

　　3 展望與總結(jié)

　　隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)工業(yè)機器人安裝數(shù)量急劇增長,其在機械加工領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。 工業(yè)機器人具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點,可加工機械零部件、大型型材、復(fù)雜模型以及雕刻加工等等,同時利用數(shù)控領(lǐng)域的相對較成熟的 CAD-CAM 技術(shù),機器人機械加工將成為工業(yè)機器人加工的一個簡便和必然的選擇,在軟件編程、加工應(yīng)用等方面亦得到了一定的發(fā)展。

　　與傳統(tǒng)數(shù)控機床相比,工業(yè)機器人在機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用受到信息化程度、軌跡規(guī)劃、離線編程、加工精度和剛度等因素的制約,還有一些技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。而且機器人機械加工過程工藝優(yōu)化、誤差補償控制等相關(guān)技術(shù)相對不成熟,如基于 CAD-CAM-Ro鄄bot 數(shù)據(jù)鏈的機器人加工自動化系統(tǒng)還沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),需要做進(jìn)一步研究開發(fā)。

　　工業(yè)機器人技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表,是工業(yè)自動化發(fā)展的必然趨勢。隨著國內(nèi)外研究的進(jìn)步,工業(yè)機器人正往高精度、智能化方向發(fā)展,以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)需求。