導(dǎo)語(yǔ)：機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1數(shù)控技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

（1）計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的簡(jiǎn)介。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱，英文名稱為NumericalControlSystem，早期是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控（HardNC），1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計(jì)算機(jī)代替稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computerizednumericalcontrol，簡(jiǎn)稱CNC）系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制。CNC系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)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(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。直接數(shù)控（DNC）是直接數(shù)控（DirectNumericalControl）的英文簡(jiǎn)稱。它是用電子計(jì)算機(jī)對(duì)具有數(shù)控裝置的機(jī)床群直接進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制和管理，英文縮寫(xiě)DNC。直接數(shù)控又稱群控，控制的機(jī)床由幾臺(tái)至幾十臺(tái)。且直接數(shù)控是在數(shù)控（NC）和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。微機(jī)數(shù)控（MNC）是微型計(jì)算機(jī)數(shù)控（Micro-computerNu-mericalControl）的英文簡(jiǎn)稱。它是指用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置。（2）工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是把精密機(jī)械技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)于一身的集大成者，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作靈活、自由度多等優(yōu)點(diǎn)，可完成工作強(qiáng)度大、生態(tài)環(huán)境惡劣、精度要求高、危險(xiǎn)性大的各項(xiàng)工作。因此，工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化程度高的領(lǐng)域應(yīng)用的越來(lái)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(jī)器人的應(yīng)用有以下特點(diǎn)：①用途廣，機(jī)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。②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(shí)間。③靈活、多功能，因操作工具的不同功能也不同，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。④可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行，安全可靠。⑤可用于惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境，工作質(zhì)量穩(wěn)定，可提高產(chǎn)品質(zhì)量。⑥從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)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(jì)效益。

2運(yùn)用切削型工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工案例

使用末端執(zhí)行器為銑刀的KUKA機(jī)器人加工一個(gè)葉輪零件為例，說(shuō)明復(fù)雜零件數(shù)控加工的流程可以實(shí)現(xiàn)。（1）機(jī)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(tái)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(guò)循環(huán)水對(duì)主軸進(jìn)行冷卻，風(fēng)冷數(shù)控主軸通過(guò)風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，重量較大。機(jī)器人的載荷為6kg，本系統(tǒng)選擇水冷數(shù)控主軸進(jìn)行加工。通過(guò)變頻器調(diào)整輸出電壓和工作頻率，可以實(shí)現(xiàn)0~24000rpm無(wú)極調(diào)速，具有高速度、低噪聲、低振動(dòng)、低溫升的特點(diǎn)。采用主軸變頻器控制轉(zhuǎn)速。將高速數(shù)控主軸通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)接頭固定在工業(yè)機(jī)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(dòng)電源和數(shù)控主軸連接起來(lái)，使用一個(gè)數(shù)控加工的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，方便泡沫的固定以及加工，即構(gòu)成了一套完整的機(jī)器人切削加工系統(tǒng)。（2）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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)，特別是對(duì)于扭曲葉片，只能使用多軸機(jī)床進(jìn)行加工，才能保證葉片質(zhì)量。目前五軸加工可以實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的整體性加工，但是加工費(fèi)極2017年第4期機(jī)電技術(shù)為昂貴。工業(yè)機(jī)器人具有六個(gè)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(jī)器人識(shí)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UG/CAM模塊完成渦輪葉片五軸加工的軌跡規(guī)劃，UG提供了多軸編程的模塊。如圖2所示，依照UG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(duì)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(shí)需留取足夠的余量，以防止切掉型面。加工完成后將刀具改為6mm的球頭刀進(jìn)行精加工，依次對(duì)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(shí)，以流線方式驅(qū)動(dòng)刀軸，刀軸方向垂直于驅(qū)動(dòng)體。如圖3所示。而精加工葉片以曲面方式驅(qū)動(dòng)刀軸，刀軸側(cè)刃垂直于驅(qū)動(dòng)體。等到加工完成，分別將各個(gè)刀軌導(dǎo)出保存，為后續(xù)機(jī)器人實(shí)際加工做好準(zhǔn)備。圖2UG數(shù)控編程圖3葉輪表面精加工（3）基于UG/Motion的機(jī)器人加工仿真。通過(guò)UG/CAM模塊對(duì)加工軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，但是在實(shí)際加工中，由于機(jī)器人自身的結(jié)構(gòu)，必須對(duì)加工軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，以防止機(jī)器人產(chǎn)生碰撞和關(guān)節(jié)之間的干涉。若在機(jī)器上試運(yùn)行進(jìn)行檢測(cè)，會(huì)占用大量時(shí)間，降低機(jī)器人的加工效率。而在UG/Motion環(huán)境中直接對(duì)機(jī)器人加工進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析以及對(duì)碰撞和干涉進(jìn)行檢測(cè)。因此，基于UG/Motion的機(jī)器人加工仿真相比傳統(tǒng)檢測(cè)具有很大優(yōu)勢(shì)。利用UG/Motion的功能能夠賦予各個(gè)關(guān)節(jié)一定的運(yùn)動(dòng)特性，再在各個(gè)關(guān)節(jié)之間設(shè)立一定的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型。由于UG/Motion可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合理分析工作，諸如干涉檢測(cè)、軌跡包絡(luò)等，就可以得到相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過(guò)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)分析就可以驗(yàn)證加工軌跡的合理性，并且可以利用圖形輸出各個(gè)關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)角、加速度和力的變化，不僅可以對(duì)機(jī)器人加工實(shí)時(shí)監(jiān)控還可以對(duì)加工軌跡進(jìn)行優(yōu)化。確定如下原則，地基是固定不動(dòng)的。如圖4所示，A1是繞Z軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為C軸。A2是繞X軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為A軸。A3是繞X軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為A2軸。A4是繞Y軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為B軸。A5是繞X軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為C2軸。A6是繞Y軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為B2軸并且還要在A6上面要加載主軸頭和刀具。圖4機(jī)器人三維模型建立機(jī)器人三維模型后，可通過(guò)各種約束限制構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于工業(yè)機(jī)器人各個(gè)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UG/Motion中將六個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)置為連桿，添加相應(yīng)的性能參數(shù)。對(duì)于KUKA機(jī)器人，對(duì)六個(gè)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(duì)機(jī)器人底座添加一個(gè)固定運(yùn)動(dòng)副，底座固定。建立約束以后，機(jī)器人在約束條件下運(yùn)動(dòng)。除了約束以外，還需添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)使運(yùn)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)。而UG就能提供多種驅(qū)動(dòng)方式，如：恒定、簡(jiǎn)諧、函數(shù)和鉸鏈運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡不是規(guī)律的函數(shù)，因此需要將KUKA切削加工系統(tǒng)中生成的各個(gè)關(guān)節(jié)變量值以表格的形式建立成特定的XY函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)。所謂驅(qū)動(dòng)函數(shù)就是對(duì)六個(gè)關(guān)節(jié)分別建立以時(shí)間橫坐標(biāo)，以旋轉(zhuǎn)角度為縱坐標(biāo)的XY函數(shù)。

3數(shù)字化測(cè)量簡(jiǎn)述

與三坐標(biāo)接觸式測(cè)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(duì)物體多方位視角掃描等優(yōu)點(diǎn)，主要包括：結(jié)構(gòu)光法、激光測(cè)量等測(cè)量方法。CREAFORM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(shí)現(xiàn)光學(xué)LED燈與曝光時(shí)間的控制、相機(jī)拍攝圖像和轉(zhuǎn)臺(tái)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(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)物的數(shù)據(jù)獲取.其測(cè)量精度達(dá)到0.02mm，該測(cè)量系統(tǒng)將可見(jiàn)光光柵條紋圖像投影到待測(cè)物體（鼠標(biāo)）的表面，然后通過(guò)CCD將拍攝到的條紋圖像輸入計(jì)算機(jī)，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(jì)算出物體表面每一點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，獲得實(shí)物表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后將掃描得到的數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入到GEOMAJIC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(cè)量凹槽部位，就會(huì)造成掃描的實(shí)體會(huì)缺損部分信息，所以還要在逆向工程中需要對(duì)這些部位進(jìn)行填充修補(bǔ)。而數(shù)字化測(cè)量目的是檢測(cè)，所以可以用其對(duì)關(guān)鍵位置進(jìn)行分析。這樣就可以實(shí)現(xiàn)三維掃描技術(shù)快速的精確檢測(cè)模型的加工精度。

4結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化水平的提高，機(jī)電一體化數(shù)控的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地在擴(kuò)大?；跈C(jī)器人離線編程技術(shù)的發(fā)展，多軸數(shù)控機(jī)器人在切削加工領(lǐng)域在未來(lái)發(fā)展中有很大的應(yīng)用前景。它們的最大優(yōu)點(diǎn)就是使其原本復(fù)雜的零件經(jīng)加工后會(huì)變得容易許多，而且縮短了加工周期，提高了表面的加工質(zhì)量。

作者:滑雪燕 單位:阜陽(yáng)技師學(xué)院

參考文獻(xiàn)

［1］陳輝，王磊.機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.機(jī)械，2008，（7）：1-4.