基于CAM的機(jī)器人拋光軌跡規(guī)劃

1、第36卷 第5期2008年 5月 華 中 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(自然科學(xué)版J.Huazho ng U niv.of Sci.&T ech.(Natur al Science Editio nV ol.36N o.5 M ay 2008收稿日期:2007-04-27.基金項目:中國博士后科學(xué)基金資助項目(200704109330;材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室開放基金資助項目(06-14.基于CAM 的機(jī)器人拋光軌跡規(guī)劃韓光超1a,2b孫 明1b張海鷗2a王桂蘭2b(1中國地質(zhì)大學(xué)a 機(jī)械與電子信息學(xué)院,b 信息工程學(xué)院,湖北武漢430074;2華中科技大學(xué)a 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,b

2、 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室,湖北武漢430074摘要:在快速制造金屬模具工藝中,采用工業(yè)機(jī)器人對具有復(fù)雜形狀的模具型腔進(jìn)行拋光加工,開發(fā)了基于CA M 軟件模塊的機(jī)器人拋光軌跡自動規(guī)劃系統(tǒng).該系統(tǒng)利用U G CA M 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,然后根據(jù)拋光工藝要求調(diào)節(jié)工藝參數(shù),并將多軸數(shù)控加工軌跡轉(zhuǎn)化成機(jī)器人拋光加工軌跡.實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)所生成的拋光軌跡可滿足面向復(fù)雜模具型腔的機(jī)器人拋光加工要求.關(guān) 鍵 詞:計算機(jī)輔助制造;拋光;工業(yè)機(jī)器人;軌跡規(guī)劃;輔助區(qū)域;映射中圖分類號:T P242.2

3、文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-4512(200805-0060-03Polishing path planning for indutrial robots using C AM softwareH an Guangchao1a,2bSun M ing1bZhang H ai c ou 2a Wang G uilan2b(1a Co lleg e of M echatro nics Engineer ing,b F aculty o f Info rmation Eng ineering,China U niv ersit yof Geo siences,W uhan 430074,Ch

4、ina;2a Colleg e of M echanica l Science and Engineer ing,b State K ey L abo rato ry of M ater ial Pr ocessing and Die and M ould T echno log y,H uazhong U niversity o f Science and T echno lo gy ,W uhan 430074,ChinaAbstract :Industrial robots are used to po lish the mold cav ities w ith co mplex sha

5、pes in rapid metal to oling technolog y.An autom atic path planning system based on CAM (com puter -aided manufactur -ing mo dule is developed fo r robotic polishing pr ocess.T he surface inform ation of the cavities w as ob -tained through the mult-i axis m illing mo dule of the UG (unigraphicsCAM

6、so ftw are,and the mult-i ax is numerical co ntro l (NCmilling tr ack w as mapped by the assistant area driving method.The NC milling track w as finally transformed to the robotic po lishing path after the track w as adjusted by the parameter s accor ding to the requirement o f the robotic polishing

7、 technolog y.The experim ent result show s that the robotic polishing path generated by the system can m eet the requests of the robotic po -lishing fo r the co mplex m old cav ities.Key words :CAM;polishing;industrial robot;path planning;assistant ar ea;mapping 在模具表面光整加工工藝中,采用數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)的自動化拋光工

8、藝已成為目前研究和應(yīng)用發(fā)展的一個重要方向.工業(yè)機(jī)器人拋光具有柔性大、加工方式和范圍靈活的特點,因而與數(shù)控機(jī)床拋光相比更具優(yōu)越性.同時由于拋光工藝作用力小,工藝去除量低,精度要求不高,正好避開了工業(yè)機(jī)器人剛性弱、精度差的缺點,這使得工業(yè)機(jī)器人非常適合于大型模具型腔的表面光整加工13.在快速制造金屬模具工藝中,模具型腔的光整加工是影響模具制造速度的重要工藝環(huán)節(jié).華中科技大學(xué)開發(fā)的機(jī)器人噴涂快速制造金屬模具工藝,采用工業(yè)機(jī)器人和軟質(zhì)拋光工具對具有復(fù)雜形狀的模具型腔表面進(jìn)行光整加工4,5.本研究在此拋光工藝的基礎(chǔ)上,開發(fā)基于CAM的機(jī)器人拋光軌跡自動規(guī)劃系統(tǒng).1機(jī)器人拋光加工系統(tǒng)機(jī)器人噴涂快速制造金屬

9、模具工藝是以6軸工業(yè)機(jī)器人成形加工系統(tǒng)為核心,來完成快速制造金屬模具的主要工藝環(huán)節(jié),其中包括機(jī)器人直接成型耐高溫陶瓷原型、機(jī)器人噴涂成形金屬皮膜和機(jī)器人光整加工3大工藝模塊6.在機(jī)器人光整加工中,采用軟質(zhì)拋光工具和游離磨料來對模具表面噴涂成形金屬皮膜進(jìn)行拋光加工.機(jī)器人拋光加工系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、拋光主軸和軟質(zhì)拋光工具組成.工業(yè)機(jī)器人選用的是北京首鋼MOT OM AN公司提供的UP20型6軸多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人,高速鉆銑主軸作為動力源來驅(qū)動拋光工具的旋轉(zhuǎn),拋光工具是由不織布纖維或者羊毛材質(zhì)的軟質(zhì)拋光頭和游離磨料組成.2機(jī)器人拋光軌跡的自動規(guī)劃2.1型腔拋光加工信息的獲取6軸工業(yè)機(jī)器人在拋光

10、加工過程中,每一點的加工坐標(biāo)都由6個坐標(biāo)值來表示,其中3個表示加工工具末端點位置,另外3個表示加工工具的姿態(tài),即加工工具與3個坐標(biāo)軸的夾角.目前,許多CAD/CAM軟件都可以根據(jù)目標(biāo)零件的CAD數(shù)據(jù)直接生成數(shù)控加工文件,在這些加工文件中都包含了零件的表面點的坐標(biāo)及其加工刀具的矢量信息.本文選用UG NX軟件,在其CAM 模塊中,可以通過選擇合適的加工方法和加工工藝參數(shù)來得到數(shù)控銑加工的加工軌跡文件,其加工軸數(shù)在多軸銑加工工藝模塊中最多可達(dá)到5軸.在U G生成的5軸數(shù)控加工文件中,除了有軌跡點的三維坐標(biāo)信息,還包含有加工刀具的姿態(tài)信息,即刀軸在加工點處與被加工表面的夾角.由于銑削刀具與工件表面直

11、接接觸,并可與加工表面保持任意工藝角度,因此數(shù)控銑加工刀具與拋光加工中拋光頭在運動方式上具有很大的相似性.本研究即根據(jù)這個特點,從多軸銑加工軌跡中獲取加工零件的表面信息,并用于生成機(jī)器人拋光工藝的加工軌跡.2.2輔助區(qū)域驅(qū)動拋光軌跡規(guī)劃在UG CAM中,多軸加工一般采用可變軸 曲面輪廓銑的加工工藝,其中最常用的是曲面區(qū)域驅(qū)動方法(surface area drive method7.這種驅(qū)動方法計算精確,適用于復(fù)雜曲面的加工,尤其適用于曲面的精加工.但是,該方法最大的限制在于,所加工曲面的CAD模型必須按行和列有序地排列,相鄰的曲面必須共享同一條邊緣,如圖1所示.圖1可變軸曲面加工中驅(qū)動曲面的

12、排列然而在實際應(yīng)用中,由于模具型腔三維CAD 造型的習(xí)慣和方式因人而異,因此所得到的復(fù)雜曲面CAD模型很難滿足有序排列或者共享一條邊緣這樣嚴(yán)格的條件,造成了多軸加工曲面驅(qū)動幾何體的連續(xù)選擇困難.特別是對表面曲率變化較大的復(fù)雜曲面,如圖2中所示,只能對其中的各個小塊曲面分別進(jìn)行加工軌跡規(guī)劃,從而難以對曲面區(qū)域進(jìn)行連續(xù)選取并形成整體的連續(xù)加工軌跡.圖2復(fù)雜形狀模具型腔(部分為了克服U G CAM中對驅(qū)動幾何體連續(xù)選擇的嚴(yán)格限制,實現(xiàn)對復(fù)雜型面表面加工軌跡的整體連續(xù)規(guī)劃,采用一種輔助區(qū)域驅(qū)動的方法來生成整體的拋光加工軌跡.首先,根據(jù)需要確定多軸加工的區(qū)域范圍,在加工零件表面上選擇或者在加工實體上重新

13、構(gòu)造一個新的輔助表面,例如平面或者曲面,使得該輔助表面在被加工型面上的投影區(qū)域大于或等于需要加工的區(qū)域.然后,將該輔助表面作為映射和驅(qū)動幾何體,并根據(jù)被加工曲面的曲率變化特點,分別采用整體區(qū)域驅(qū)動、局部區(qū)域驅(qū)動和不等間距軌跡驅(qū)動3種方法,在輔助表面上生成具有合理軌跡間距的驅(qū)動軌跡,并將驅(qū)動軌跡映射到被加工曲面上.最后在多軸#61#第5期韓光超等:基于CA M的機(jī)器人拋光軌跡規(guī)劃加工模塊中一次生成連續(xù)多軸數(shù)控加工軌跡.隨著被加工型腔表面的曲率變化,各面片間的不同曲率會使得由輔助驅(qū)動區(qū)域映射到型腔表面的加工軌跡軸向與被加工表面不完全垂直.若曲率變化在允許范圍內(nèi)(如15b ,則可利用軟質(zhì)拋光工具的局

14、部變形來彌補,并不影響到實際的加工過程,此時可以采用整體區(qū)域驅(qū)動的方法來進(jìn)行軌跡規(guī)劃;若曲率波動過大,則需要將被加工區(qū)域進(jìn)行分解,采用局部區(qū)域驅(qū)動和不等間距軌跡驅(qū)動的方法來生成合適的映射軌跡8.2.3 機(jī)器人拋光軌跡的自動生成在采用輔助區(qū)域驅(qū)動法生成多軸連續(xù)數(shù)控加工軌跡文件后,即可通過自行開發(fā)的機(jī)器人拋光軌跡規(guī)劃軟件,根據(jù)多軸銑加工軌跡文件中的加工點和刀具軸的方向矢量信息,以及機(jī)器人游離磨料拋光加工工藝要求對拋光軌跡參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,然后自動生成機(jī)器人的拋光加工軌跡文件9.所設(shè)置和調(diào)整的拋光工藝參數(shù)包括用戶坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、拋光速度、軸向預(yù)壓量、工具補償、工具偏轉(zhuǎn)角度等.3 實驗驗證為了驗證采用

15、上述軌跡規(guī)劃系統(tǒng)所生成機(jī)器人拋光加工的軌跡的有效性,利用上述軌跡規(guī)劃軟件對快速制造的汽車覆蓋件壓邊圈模具進(jìn)行拋光加工試驗.模具的CAD 圖形及其所生成的部分拋光加工軌跡示意圖如圖3所示. 對成型后的圖3 機(jī)器人拋光加工數(shù)模原形與拋光軌跡(部分示意圖模具型腔表面進(jìn)行機(jī)器人自動拋光加工試驗,加工參數(shù)如下:拋光工具采用直徑303m m 的不織mm,硬度約為H RC 50,材質(zhì)為鎳基不銹鋼.根據(jù)自動規(guī)劃的機(jī)器人加工軌跡,實現(xiàn)了模具的表面拋光加工,拋光加工后的壓邊圈模具型腔如圖4所示.實驗結(jié)果表明,所開發(fā)的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)可滿足面向復(fù)雜模具型腔的機(jī)器人拋光加工要求 .圖4 機(jī)器人拋光加工后的壓邊圈型腔參考文

16、獻(xiàn)1H e Z ho ng yun,L u Bing heng ,H ong Jun,et al.A no -vel arc-spr aying ro bo t for rapid to olingJ.Interna -tio nal Journal o f A dvanced M anufacturing T echnolo -g y,2007,31(9-10:1012-1020.2Ry uh B S,Par k S M ,P ennock G R.A n auto mat icto ol changer and integ rated so ftwa re fo r a robot ic die polishing statio nJ.M echanism and M achine T heo -r y,2006(41:415-432.3趙學(xué)堂,張永俊.模具光整加工技術(shù)新進(jìn)展J.中國機(jī)械工程,2002,13(22:1977-1980.4韓光超,張海鷗,王桂蘭.基于游離磨料的機(jī)器人拋光工藝試驗研究J.中國機(jī)械工程,2007,18(18:2152-2155.5張海鷗,崔同魁,韓光超,等.面向快速制造車身模具的機(jī)器人軟質(zhì)工具研磨工藝研究J.電加工與模具,2006(6:37-41.6韓光超,張海鷗,王桂蘭.面向金屬模