機電一體化數(shù)控技術(shù)研究

1、1 數(shù)控技術(shù)在工業(yè)機器人中的應(yīng)用 1 計算機數(shù)字技術(shù)的簡介。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱， 英文名稱為， 早期是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控， 1970 年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計算機代替稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)。計算機數(shù)控，簡稱系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制。系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序， 執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能， 并配有接口電路和伺服驅(qū)動裝置的專用計算機系統(tǒng)。直接數(shù)控是直接數(shù)控的英文簡稱?？刂坪凸芾恚⑽目s寫。直接數(shù)控又稱群控，控制的機床由幾臺至幾十臺。且直接數(shù)控是在數(shù)控和計算機數(shù)控基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。微機數(shù)控是微型計算機數(shù)控 - 的英文簡稱。它是指用微處理器和半導(dǎo)體

2、存貯器的微型計算機數(shù)控裝置。2 工業(yè)機器人的特點。工業(yè)機器人技術(shù)是把精密機械技術(shù)、檢測傳感技它是用電子計算機對具有數(shù)控裝置的機床群直接進(jìn)行聯(lián)機術(shù)和自動控制技術(shù)等多項技術(shù)于一身的集大成者， 具有運行穩(wěn)定、 操作靈活、自由度多等優(yōu)點，可完成工作強度大、生態(tài)環(huán)境惡劣、精度要求高、危險性大的各項工作。因此，工業(yè)機器人在自動化程度高的領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛， 比如汽車制造、 航天航空和軍事裝備生產(chǎn)等。工業(yè)機器人的應(yīng)用有以下特點用途廣，機器人只要根據(jù)工作任務(wù)要求配備合適的自由度， 就可以勝任大多數(shù)的操作工作。高可靠性、高速度、高精度，有利于提高生產(chǎn)效率，節(jié)省加工時間。靈活、多功能，因操作工具的不同功能也不同

3、，可以實現(xiàn)一機多用?？芍貜?fù)編程，所有的運動均按程序運行，安全可靠。可用從于惡劣、危險的環(huán)境，工作質(zhì)量穩(wěn)定，可提高產(chǎn)品質(zhì)量。長遠(yuǎn)來看，工業(yè)機器人運行成本比較低，單件產(chǎn)品的投入產(chǎn)出比大，具有較好的經(jīng)濟效益。2 運用切削型工業(yè)機器人實現(xiàn)復(fù)雜零件的加工案例使用末端執(zhí)行器為銑刀的機器人加工一個葉輪零件為例，說明復(fù)雜零件數(shù)控加工的流程可以實現(xiàn)。1 機器人切削組件。切削加工組件主要包括有數(shù)控主軸、 主軸變頻器、 主軸轉(zhuǎn)接頭以及輔助加工的工作臺等部件。在切削加工中，最為重要的部分是數(shù)控主軸。常用的數(shù)控主軸有水冷數(shù)控主軸和風(fēng)冷數(shù)控主軸兩種，水冷數(shù)控主軸通過循環(huán)水對主軸進(jìn)行冷卻， 風(fēng)冷數(shù)控主軸通過風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，重

4、量較大。機器人的載荷為 6，本系統(tǒng)選擇水冷數(shù)控主軸進(jìn)行加工。通過變頻器調(diào)整輸出電壓和工作頻率，可以實現(xiàn) 024000無極調(diào)速，具有高速度、 低噪聲、低振動、低溫升的特點。采用主軸變頻器控制轉(zhuǎn)速。將高速數(shù)控主軸通過一個轉(zhuǎn)接頭固定在工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器上， 安裝上相應(yīng)的加工刀具， 再將驅(qū)動 電源和數(shù)控主軸連接起來， 使用一個數(shù)控加工的旋轉(zhuǎn)臺， 方便泡沫的固定以及加工，即構(gòu)成了一套完整的機器人切削加工系統(tǒng)。數(shù)控加工軌跡規(guī)劃。如圖 1 所示，文章研究的葉輪是數(shù)控多軸加工典型的零件， 它是發(fā)動機中的關(guān)鍵零件， 采用普通的三軸加工工藝方法整體性加工難以實現(xiàn)， 特別是對于扭曲葉片， 只能使用多軸機床進(jìn)行加

5、工，才能保證葉片質(zhì)量。目前五軸加工可以實現(xiàn)渦輪葉片的整體性加工，但是加工費極 2017年第 4 期機電技術(shù)為昂貴。工業(yè)機器人具有六個自由度， 在理論上完全可以滿足渦輪葉片的加工。采用專用的代碼轉(zhuǎn)換軟件可以將五軸加工的軌跡轉(zhuǎn)換為機器人識別的代碼，完成渦輪葉片的加工。圖 1 數(shù)控多軸加工零件基于模塊完成渦輪葉片五軸加工的軌跡規(guī)劃，提供了多軸編程的模塊。如圖 2 所示，依照數(shù)控編程的順序，依次建立加工坐標(biāo)系、加工幾何體以及加工刀具等信息。針對葉輪加工，分為粗、精加工兩道加工工序。為了提高加工效率，粗加工利用平刀采用型腔銑去除大量的剩余材料，最后大致加工出葉片的形狀。但在粗加工時需留取足夠的余量，以防

6、止切掉型面。加工完成后將刀具改為 6 的球頭刀進(jìn)行精加工， 依次對葉輪表面和葉片表面進(jìn)行軌跡規(guī)劃。在葉輪表面精加工時， 以流線方式驅(qū)動刀軸， 刀軸方向垂直于驅(qū)動體。如圖 3 所示。而精加工葉片以曲面方式驅(qū)動刀軸，刀軸側(cè)刃垂直于驅(qū)動體。等到加工完成，分別將各個刀軌導(dǎo)出保存，為后續(xù)機器人實際加工做好準(zhǔn)備。圖 2 數(shù)控編程圖 3 葉輪表面精加工 3 基于的機器人加工仿真。通過模塊對加工軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，但是在實際加工中， 由于機器人自身的結(jié)構(gòu)， 必須對加工軌跡進(jìn)行驗證，以防止機器人產(chǎn)生碰撞和關(guān)節(jié)之間的干涉。若在機器上試運行進(jìn)行檢測，會占用大量時間，降低機器人的加工效率。在環(huán)境中直接對機器人加工進(jìn)行運動

7、仿真分析以及對碰撞和干涉進(jìn)行檢測。因此，基于的機器人加工仿真相比傳統(tǒng)檢測具有很大優(yōu)勢。利用的功能能夠賦予各個關(guān)節(jié)一定的運動特性，再在各個關(guān)節(jié)之間設(shè)立一定的驅(qū)動關(guān)系，建立一個運動仿真模型。于可以對機器人進(jìn)行運動合理分析工作， 諸如干涉檢測、軌跡包絡(luò)等，就可以得到相關(guān)的運動參數(shù)。通過對機器人運動仿真模型進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)運動分析就可以驗證加工軌跡的合理性， 并且可以利用圖形輸出各個關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)角、 加速度和力的變化， 不僅可以對機器人加工實時監(jiān)控還可以對加工軌跡進(jìn)行優(yōu)化。確定如下原則，地基是固定不動的。如圖 4 所示，1 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為軸。2 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為軸。3 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類

8、型為 2 軸。4 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為軸。5 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為 2 軸。6 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為 2 軸并且還要在 6 上面要加載主軸頭和刀具。圖 4 機器人三維模型建立機器人三維模型后， 可通過各種約束限制構(gòu)件之間的相對運動， 由于工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)之間主要是旋轉(zhuǎn)副連接， 所以想要減少系統(tǒng)的自由度，可以在系統(tǒng)上加約束。然后在中將六個關(guān)節(jié)設(shè)置為連桿，添加相應(yīng)的性能參數(shù)。對于機器人，對六個關(guān)節(jié)之間分別建立旋轉(zhuǎn)副，連桿之間相互咬合。在添加約束中，需對機器人底座添加一個固定運動副，底座固定。建立約束以后，機器人在約束條件下運動。除了約束以外，還需添加相應(yīng)的驅(qū)動使運動模型運動。而就能提供多種

9、驅(qū)動方式，如恒定、簡諧、函數(shù)和鉸鏈運動驅(qū)動。由于機器人運動軌跡不是規(guī)律的函數(shù)，因此需要將切削加工系統(tǒng)中生成的各個關(guān)節(jié)變量值以表格的形式建立成特定的函數(shù)作為驅(qū)動函數(shù)。所謂驅(qū)動函數(shù)就是對六個關(guān)節(jié)分別建立以時間橫坐標(biāo)，以旋轉(zhuǎn)角度為縱坐標(biāo)的函數(shù)。3 數(shù)字化測量簡述與三坐標(biāo)接觸式測量相比較，非接觸式三維掃描具有掃描速度快、不接觸物體表面、 能對物體多方位視角掃描等優(yōu)點， 主要包括結(jié)構(gòu)光法、激光測量等測量方法。系列三維掃描儀是具有雙光投影功能的光學(xué)三維掃描系統(tǒng)， 可實現(xiàn)光學(xué)燈與曝光時間的控制、 相機拍攝 圖像和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)， 能提供清晰的條紋圖像和白光圖像， 配合數(shù)控轉(zhuǎn)臺， 實現(xiàn)實物的數(shù)據(jù)獲取其測量精度達(dá)到

10、002，該測量系統(tǒng)將可見光光柵條紋圖像投影到待測物體鼠標(biāo)的表面， 然后通過將拍攝到的條紋圖像 輸入計算機， 應(yīng)用三維圖像處理軟件， 可根據(jù)條紋按照曲率變化的形狀再利用相位法和三角法就能精確計算出物體表面每一點的、 、坐標(biāo)，獲得實物表面的三維點云數(shù)據(jù)。最后將掃描得到的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入到程軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化。由于三維掃描儀不能很精確的測量凹槽部位， 就會造成掃描的實體會缺損部分信息，所以還要在逆向工程中需要對這些部位進(jìn)行填充修補。而數(shù)字化測量目的是檢測，所以可以用其對關(guān)鍵位置進(jìn)行分析。這樣就可以實現(xiàn)三維掃描技術(shù)快速的精確檢測模型的加工精度。4 結(jié)語隨著工業(yè)制造業(yè)生產(chǎn)自動化和智能化水平的提高， 機電一體化數(shù)控的應(yīng)用