鈑材切割的機器人系統(tǒng)

1引 言

　　用等離子割矩進行鈑材的切割尤其是鈑金展開料的切割是一件困難的作業(yè)。首先得作出展開圖的樣板，再依樣板進行切割。手工作業(yè)往往難以達到零件的準確廓形且造成材料的巨大浪費。建立鈑金零件的信息模型，從而進行自動化切割是一個具有重要工程意義的研究課題。

　　國內(nèi)外對鈑金切割技術的研究大都集中于應用CAD和CAPP技術。TRUMPF公司的拼料軟件用APT語言編程輸入，速度較慢，還需專門的技術人員操作。鄧建春等人建立了鈑金零件信息模型[1]。他們把鈑金零件的特征分為結構特征、材料特征和管理特征。而這些特征又可下屬另一些子特征，從而形成一個樹狀的特征信息模型。孔永明等人建立了基于微機的鈑料自動排料與下料系統(tǒng)[2]。用戶輸入鈑料的幾何參數(shù)。微機完成鈑料的排樣。黃健等人建立了集CAD／CAM／CNC于一體的鈑材下料系統(tǒng)[3]。這個系統(tǒng)要求用戶在AUTOCAD環(huán)境下輸入數(shù)據(jù)。利用DXF文件提取工件廓形數(shù)據(jù)，由工控機386控制機械系統(tǒng)完成切割。

　　該平面多關節(jié)機器人可以用來完成鈑料的自動化切割。計算機的實時多任務操作系統(tǒng)把管理作業(yè)分為前臺和后臺。此系統(tǒng)依人機對話方式從用戶得到立體形狀的幾何參數(shù)，可以自動完成表面展開料的排料。當用戶下達命令后，機器人即可自動進行切割。

2系統(tǒng)設備

2.1機器人操作機

　　此操作機為一吊掛式平面多關節(jié)機器人操作機。其基本構形，如圖1所示。操作機的主柱吊掛于梁上。大臂可繞立柱軸線回轉，運動范圍為±180°。小臂位于大臂下端且可相對于大臂作回轉運動，運動范圍為±130°。小臂前端有一滾動花鍵和滾動絲桿復合軸，在軸端固定割矩。復合軸可以相對于小臂作回轉運動和升降運動�；剞D運動范圍±180°，而升降運動范圍為0～150mm。

圖1機器人操作機外形示意圖

　　　所有關節(jié)的運動都由交流伺服電動機驅(qū)動，由光電編碼器進行位置反饋。第一、二關節(jié)的運動傳遞是由電動機通過同步齒形帶帶動中空RV減速器的輸入軸，RV減速器的輸出軸帶動相應的臂作回轉運動。采用中空的RV減速器是為了實現(xiàn)動力線和信號線的內(nèi)部布置，防止運動時的纏繞。第三、四關節(jié)的運動由兩個電動機分別通過同步齒形帶帶動螺母和花鍵套回轉。

　　除第一關節(jié)只有軟件限位以外，其他關節(jié)都采用層套式限位機制。最內(nèi)層為軟件限位，再向外依次是光電限位和機械限位。

2.2計算機管理和控制系統(tǒng)

　　計算機管理和控制系統(tǒng)主機使用1臺工控機486。用戶可以通過鍵盤或鼠標與計算機進行人機對話，輸入立體的幾何參數(shù)和鈑材參數(shù)。

　　機器人控制系統(tǒng)是由工控機486及2個位置伺服卡PCL-832組成，每個PCL-832卡具有控制3個軸的能力。在這里一個卡控制Jθ1和Jθ2，另一個卡控制Z軸和W軸。Jθ1軸和Jθ2軸可以聯(lián)動作插補運動。由于第三、四關節(jié)為復合軸，Z軸可以單獨作升降運動。而W軸作回轉運動時，Z軸應作協(xié)調(diào)運動，以保持Z坐標值,如圖2所示。
 
圖2一個軸的控制框圖

2.3軟件設計

　　為了實現(xiàn)多線程采用實時多任務操作系統(tǒng)。用戶在前臺進行人機對話的同時，機器人控制軟件仍可在后臺運行，進行切割作業(yè)。監(jiān)視器顯示基于Windows的界面。主菜單可以彈出下拉式菜單或有模式對話框。

　　主菜單選項有文件、模式、參數(shù)、排樣、校準和切割。

　　文件的下拉式菜單選項有新建、打開、保存、打印、刪除等選項。其含義和工作情況與一般Windows菜單中的文件選項基本相同，用于建立排樣結果的數(shù)據(jù)文檔。

　　模式的下拉式菜單選項為初始化、離線(off-line)、在線(on-line)。初始化用于確定機器人切割時的初始位置。選擇離線時，不進行實際切割，計算機只是顯示機器人切割運動的仿真圖用于預覽。選擇在線時，顯示的機器人運動軌跡圖形是根據(jù)位置反饋信息通過機器人位置正解得到的。

　　參數(shù)的下拉式菜單選項是由立體表面展開特性來分類的。如第一級子菜單為平面立體，可展曲面立體和不可展曲面立體。第一級子菜單又可分為其下屬的子菜單等。

　　排樣的下拉式菜單又分為編輯排樣和自動排樣。編輯排樣是人工參與的手工排樣。其操作與字處理系統(tǒng)編輯的操作類似。自動排樣是計算機自動進行。

　　校準菜單可以彈出一個對話框。由用戶根據(jù)鈑材的定位情況輸入適當參數(shù)。鈑材的尺度不同，可以將其放置于機器人工作空間的不同區(qū)域。

　　切割菜單也可以彈出一個對話框。由用戶輸入鈑材材料、鈑材厚度、切割速度和從點火到吹掃之間的延時時間等。

　　3鈑金展開料樣本的自動生成

　　鈑金制造的立體表面可由平面和曲面組成。而曲面又可分為可展曲面和不可展曲面。

對于可展曲面，采用解析畫法幾何方法來求出其展開圖廓形。以兩相貫曲面立體的展開圖解法為例，說明算法步驟。

首先，分別為兩個曲面建立局部坐標系O1-X1Y1Z1和O2-X2Y2Z2。并在這兩個局部坐標系中分別建立這兩個曲面的參數(shù)方程。
第二步，推導出兩個坐標系之間的坐標變換。從而得出某曲面在另一個坐標系中的表達式。
第三步，由在同一坐標系兩個曲面的聯(lián)立方程可以得出相貫線的數(shù)學表達式。這條相貫線在兩個局部坐標系中的表達式一般是不相同的。
第四步，用側滾法得到兩曲面在各自局部坐標系的展平曲線方程。
第五步，計算出當展開參數(shù)取一系列離散值時所對應的展開圖廓線坐標值，并存儲這個數(shù)據(jù)文件。

　　對于不可展曲面，則根據(jù)曲面總曲率的值進行分類，當曲面總曲率的值較小時，用測地線法作近似展開。當總曲率趨近于零值時，曲面的展開性能較好，采用整體展開法。這樣可以充分利用鈑材。當總曲率稍大時，整體法不能使用，則把曲面劃分成多個小片。每一小片作近似展開，制作時則把小片拼裝成整體。它們的接縫在拼合過程中有不同程度的間隙，這些間隙部分地補償了曲面加工的工藝收縮量。本文中以分段法截線模擬測地線。

　　對于傳統(tǒng)上應用較好的一些不可展曲面的近似方法可以直接套用，如球面，螺旋面等。對于不便用測地線法的用三角形剖分法。

　　由于實際應用的鈑金制品型式繁多，表面方程也較為復雜。本文基本上采用枚舉法。在計算機里存入了20余種常見鈑金件和相貫立體表面的展開圖算法。用戶只需輸入幾何參數(shù)。

　　系統(tǒng)是開放的。用戶可以自己建立某種立體表面的展開算法，只要采樣點的數(shù)據(jù)存儲格式滿足要求，機器人系統(tǒng)就能實現(xiàn)切割。對于用CAD設計的其他鈑金件廓形圖，得需建立采樣點算法，并把采樣點數(shù)據(jù)依格式存儲，就能實現(xiàn)切割。

4機器人坐標變換和切割軌跡

　　為了實現(xiàn)切割，必須實現(xiàn)鈑材坐標系到機器人外部坐標系和從機器人外部坐標到關節(jié)坐標系之間的兩個變換。板材坐標系到機器人外部坐標之間的變換為簡單的平移變換，與板材的定位有關。而從機器人外部坐標系到關節(jié)坐標系之間的變換需要求解機器人運動學逆問題。對SCARA型平面多關節(jié)機器人有兩種構型:左手型和右手型。如圖3示，實線為右手型。虛線為左手型。一般位置逆問題有兩組解，分別對應于兩種構型。為了避免機器人位姿的突然跳變，應從運動連續(xù)性準則從兩個解中選取一個。
 
圖3機器人運動學位置示意圖

　　鈑金展開圖采樣點坐標值集合提供了鈑材坐標中的切割軌跡插補點。經(jīng)兩次坐標變換后，將其變換到關節(jié)坐標系。關節(jié)運動控制的二次插補功能利用PCL-832內(nèi)部提供的線性插補功能來實現(xiàn)。廓形插補點關節(jié)脈沖值和功能標志填寫框圖，如圖4示。位置反解計算公式僅以第一象限右手構型為例。
 
圖4 廓形插補點關節(jié)脈沖值和功能標志填寫框圖

5結論

　　鈑金展開料切割的機器人系統(tǒng)與直角坐標機器人相比，操作機重量減輕約三分之一，占地空間大為減小，而工作空間大、動作靈活。開放式的計算機管理系統(tǒng)為用戶提供了便利。內(nèi)插PCL-832伺服位置卡的工業(yè)控制機增加了系統(tǒng)可靠性。本機器人用于不銹鋼鈑材展開料的等離子切割，提高了廓形精度，節(jié)省了大量的貴重材料。