切削机器人的设计方法

1. 切削机器人的运动功能

该方法的核心: 以加工表面和刀具为输入信息，基于解析方法的切削加工机器人的运动功能方案设计方法。要系统地进行加工设备的研制，首先要解决的问题是其运动功能方案的设计，再以运动功能方案为基础进行结构方案的设计，最后才能获得最佳的设计效果，切削加工机器人的研制也不例外。

切削加工机器人的运动功能设计方法不是建立在传统的先验知识基础上，而是依据被加工对象 (工件表面) 信息和刀具信息，通过建立刀具的位置模型来确定出满足加工需要的所有可能的运动功能方案，供结构布局方案设计时选用，这种方法可以突破传统设计模式的约束，为结构设计提供更多的选择方案。现给出一个应用立铣刀加工圆柱面时运动功能设计的例子，如图4-5所示为立铣刀切削面坐标系。

图4-5 立铣刀切削面坐标系

设计切削加工机器人的目的是通过其实现刀具和工件之间的相对运动，在相对运动过程中，刀具 (执行器) 要相对工件表面保持一定的位置和姿态要求，以达到切削目的，可以用刀具的位置矩阵来描述这种关系。为了研究方便，首先定义刀具切削面的概念，即加工过程中刀具与加工表面相接触的表面称为刀具切削面，它可以是点、线或面 (这与刀具类型有关)。例如，圆柱铣刀的切削面为圆柱面，球头铣刀的切削面为球面，端铣刀的切削面为圆线等。如图4-5所示的立铣刀，其切削面是圆线。建立刀具切削面坐标系XpOpYp，ZcOcYc为切削面上一点处的坐标系，Xc指向刀具的实体材料方向，采用齐次函数矩阵来描述刀具的切削面如下

式中，{xc}p为切削面上点在XpOpYp坐标系中的坐标列阵; {xc}c为切削面上点在XcOcYc坐标系中的坐标列阵; γp为刀具的回转切削运动角; ［Tpc］为刀具切削面的描述矩阵。对于其他类型的刀具如圆柱铣刀、球头铣刀、片铣刀、端铣刀、镗刀等，同理可以求得其切削面的描述矩阵。

图4-6 工件加工表面描述坐标系

对于工作的加工表面，我们仍然采用齐次函数矩阵的形式进行描述。如图4-6所示为工件加工表面描述坐标系。

建立工件坐标系XwOwYw，XsOsYs为加工表面上一点处的坐标系，其中，Zs沿加工表面的外法线方向，Ys、Xs沿加工表面的切线方向。这样就可以得到加工表面的数学描述

式中，{xs}s为加工表面上一点在XsOsYs坐标系下的坐标列阵; {xs}w为加工表面上一点在XwOwYw坐标系下的坐标列阵; ［wTs］为加工表面的描述矩阵。

由于刀具在接触点处不可以发生干涉，因此刀具的干涉主要检查非切削刃与工件加工表面是否干涉，若不发生干涉，则表明该刀具位置矩阵成立。本文给出一种刀具干涉检查的方法，如图4-7所示为干涉计算示意图。

由于接触时XsOsZs和XcOcZc坐标系重合，因此在Os坐标系中不发生干涉的条件是

式中，表示当前接触点之外的切削面上点c'在Oc中的坐标; 表示当前接触点之外的工件加工表面上点s'在Os中的坐标。

有了刀具相对工件的位置条件，下面要解决的问题是如何确定出刀具和工件之间的运动单元。一般来讲，最基本的运动单元是直线运动单元和回转运动单元，由于本文主要研究串联型的切削加工机器人，因此可以用运动级联矩阵［Twp］来表示刀具切削面Op和工件Oc之间所必需的相对运动，因此有

图4-7 干涉计算示意图

［Twp］=［wTp］ (4-56)

上述运动级联矩阵［Twp］中的第一种运动单元排列代表一种运动方案，满足式 (4-56) 的运动方案有多个，因此这是一个多解的逆运动学问题，直接通过式 (4-56) 求解出所有可能的运动功能方案是非常困难的。依据刀具创成加工母线，母线再沿导线运动，从而创成被加工表面的思想，提出一种分层式的解析方法，其主要步骤如下:

①确定被加工表面的母线和导线，求出刀具的位置矩阵。

②创成加工母线的运动解析:

a.根据①确定出刀具创成加工母线时的刀具位置矩阵［wTp］u;

b.根据［wTp］u的性质特征，设定相应的运动级联矩阵［Twp］u，且使

［Twp］u=［wTp］u(4-57)

c. 求解式 (4-57)，若求得所设定的运动单元为加工母线参变量u的函数，表明该运动单元是创成母线时所必需的运动单元，否则，所设定的运动单元是多余的，这样就可以确定出所有可能的创成母线所必需的运动单元组合式。

③创成加工导线的运动解析: 方法同上述②，可以确定出所有可能的创成导线所必需的运动单元组合式。

④将创成母线和创成导线时的运动组合式进行综合，即形成创成加工表面时的运动组合式。

⑤对上述所得到的创成加工表面时的运动组合式中的运动单元进行排列，即可得到所有可能的创成加工表面时的切削加工机器人的运动功能方案。

2. 离线编程

Robotmaster是一款计算机软件包，它可为机器人提供以CAD/CAM为基础的脱机编程，是在数控机床的MastercamCAM软件中运行的，是一款广泛使用的CAM产品。

(1) 创建刀具路径

它以一个CAD几何文件开始，可创建2～5轴的刀具路径，用于相应工件的加工。从本质上来说，机器人编程是从使用Mastercam软件的功能性开始的，并利用这个功能操控刀具的切削运动和方向，自动为数控加工创建一个普通的刀具路径。然后将这个加工刀具的路径转换成机器人的工作方式，并将其位置和方向结合在一起。

(2) 提取机器人数据

一旦在刀具轨迹被创建之后，Robotmaster软件模块让编程员从预先配置的机器人数据库中提取能代表伸缩式机械手各种制作和模型的数据。一般来说，Mastercam软件采用“机床组群”中的定义来确定为特定机床编程的刀具路径输出。然而在这种情况下，机器人编程模块能够使CAM软件处理预先配置的机器人，并将其作为机床结构专业化类型的定义。这就能够让它利用机器人独特的结构体系，而不是一般CNC机床的结构体系。用户必须确定其他的一些项目，例如机器人的臂端工具。

(3) 转化机器人工作轨迹

在Mastercam软件框架中工作的Robotmaster软件参数屏幕，可以让用户微调机器人运作参数。该系统自动地将数控刀具路径转换成6轴机器人工作轨迹，从而生成机器人特定的运动轨迹作为其切削轨迹，以及包括用于“空程”运作的联合扫描运动。当为一台数控机床编程时，为机器人编程的其他模块将为编程人员提供一般所需要遵循的其余步骤。通过模拟装置，让用户验证和优化机器人程序，然后检查其发生碰撞的可能性等。模拟装置可演示机器人和工件或整个工作单元的模型，包括多台机床和工装夹具，最后以特定机器人所要求的格式，由一特殊的后处理器来编辑程序文件来决定采用什么类型的机器人。

马丁路德采用的这个软件，广泛支持马丁路德的战略合作伙伴Motoman公司、Fanuc公司、ABB公司、KUKA公司和Staubli公司提供的机器人集成。马丁路德根据客户的实际需要设计集成，用于铣削、钻削、打磨、抛光加工机器人。实践证明，采用机器人铣削加工，对模具、图样和其他工件的生产是非常实用的，具有良好的经济效益。