編織機(jī)器人的直觀編程

　　碳纖維復(fù)合材料是一種新型的非金屬材料，具有高比強(qiáng)、高比模、耐疲勞、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤(rùn)滑和吸能抗振等一系列優(yōu)異性能。碳纖維復(fù)合材料的另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是鋁的1/2、鋼的1/5。碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度很高，有很高的“比強(qiáng)度”（比強(qiáng)度＝材料的強(qiáng)度極限/材料的單位重），它的比強(qiáng)度是鋼的5倍，剛性非常好。

　　由于碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)材料特性，在負(fù)荷極高的情況下，已經(jīng)有越來(lái)越多的構(gòu)件都是使用纖維復(fù)合材料制作而成。如飛機(jī)的龍骨、管道和車輛的框架型材。制造的方法是，引導(dǎo)一個(gè)核心，也就是構(gòu)件的正極，穿過一臺(tái)裝有干碳纖維帶的徑向編織機(jī)，然后將產(chǎn)生的預(yù)成型件（預(yù)制件）在后面的工序中用樹脂浸潤(rùn)滲透。
                        
圖1 機(jī)器人和滾動(dòng)擾流片的芯棒（左）、機(jī)器人和制成的構(gòu)件（右）

　　為了將整套的核心穿過編織機(jī)，可以使用工業(yè)機(jī)器人，如圖1和圖2所示。采用工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是，由于工業(yè)機(jī)器人可以拉著預(yù)成型件穿過編織機(jī)，從而可以使工件的質(zhì)量得到大幅提升，并能夠降低加工的成本。

　　不過由于成本的原因，只有在大批量生產(chǎn)時(shí)，使用工業(yè)機(jī)器人才更為合算；不過即便是在大批量生產(chǎn)的情況下，機(jī)器人的編程也僅僅只占整個(gè)批量總加工時(shí)間的一小部分。還有另外一個(gè)需要注意的問題是，機(jī)器人編程并不容易，需要編程人員具備很高的資質(zhì)，只有具備非常熟悉復(fù)雜編程環(huán)境的技術(shù)工程人員才能使工業(yè)機(jī)器人得到充分的發(fā)揮。

　　為了能夠使小批量生產(chǎn)的中小型企業(yè)也能分享到使用工業(yè)機(jī)器人帶來(lái)節(jié)約的好處，F(xiàn)raunhofer IPA研究所開發(fā)了通過示范案例來(lái)達(dá)到快速和直觀的編程環(huán)境。

　　人工移動(dòng)機(jī)器人很簡(jiǎn)單，我們只需要最簡(jiǎn)單的接觸動(dòng)作，也就是拉或者推，就可以移動(dòng)機(jī)器人的位置。我們把這個(gè)過程和它走過的軌跡拍攝下來(lái)，然后進(jìn)行重放分析，再加上用傳感器采集到的工人的力和力矩進(jìn)行換算，就可以模仿工人的動(dòng)作，然后再通過生產(chǎn)廠家專用的接口傳輸?shù)焦�業(yè)機(jī)器人上。
                           
圖2 斯圖加特大學(xué)IFB飛機(jī)制造研究所采用操作機(jī)器人的徑向編織機(jī)

　　如圖3所示，在基于模塊式結(jié)構(gòu)的部件集成在編程環(huán)境里，除了力與力矩傳感器外，引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人最重要的互動(dòng)部件是一個(gè)圖形顯示的用戶界面。操作人員可以通過這個(gè)用戶界面指揮機(jī)器人，也可以在位置、方向和輸出端的開關(guān)狀態(tài)方面對(duì)軌道加以調(diào)整，還可以通過這個(gè)用戶界面對(duì)速度圖形給出定義。附加的組件有手持控制器，手持控制器通過無(wú)線網(wǎng)可以集成到系統(tǒng)里，或者也可以是一個(gè)語(yǔ)音控制器，用來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的狀態(tài)和速度。
                    
圖3 開發(fā)成功的編程環(huán)境的組成部分

　　由于用手動(dòng)不可能百分之百精確地控制需要運(yùn)行的軌道，因而軌道必須能夠在事后再進(jìn)行加工，這也要用到圖形界面，工人可以用這個(gè)界面進(jìn)行各種類型的再加工工作。通過壓縮和轉(zhuǎn)換成直線或齒形曲線對(duì)軌道進(jìn)行平整；對(duì)軌道點(diǎn)的位置和方向進(jìn)行調(diào)整；根據(jù)軌道位置設(shè)置輸出端。

　　經(jīng)過簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)之后，所有的功能都可以用鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)。用圖形表示的仿真可以對(duì)所做的修改進(jìn)行檢查。

　　同粘貼技術(shù)和焊接技術(shù)中的用途相反，編織核軌道編程不需要所有維度（自由度）都運(yùn)動(dòng)。為了得到最佳的位置結(jié)構(gòu)，我們希望編織點(diǎn)上只有一個(gè)與編織機(jī)成軸向的動(dòng)作，因此編織核必須一直處于中心位置。圖4是專門按這些特性調(diào)整好的運(yùn)動(dòng)方案。
                    
圖4 簡(jiǎn)化的動(dòng)作控制：兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，兩個(gè)校正方向

　　程序員通過力-轉(zhuǎn)矩-傳感器來(lái)控制Rx和Rz的旋轉(zhuǎn)，Ty的運(yùn)行動(dòng)作是自動(dòng)進(jìn)行的，通過觸摸屏可以對(duì)Tx和Tz的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行校正。

　　斯圖加特大學(xué)飛機(jī)制造研究所IFB和Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)的自動(dòng)化研究所IPA進(jìn)行了合作，對(duì)In-Teach編程環(huán)境做了日常適用性的實(shí)際測(cè)試。IFB接受的小批量生產(chǎn)為節(jié)省時(shí)間的使用編程環(huán)境提供了最佳條件。在制作復(fù)雜的彎曲組件時(shí)，通過示范為機(jī)器人編程實(shí)現(xiàn)了明顯的節(jié)省時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)新的組件大約需要30~90min就可以完成編程，而不是像從前那樣需要長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)才可以完成。通過力傳感器、語(yǔ)音以及3D圖像組成的直觀操作接口界面，可以很快地熟悉工作過程。最后，在批量較小時(shí)，In-Teach編程環(huán)境也可以經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。