碳纤维机器人打磨系统的研发

葛云迪

上海电气自动化集团有限公司 上海 200233

1 研发背景

碳纤维复合材料具有低密度、高比强度、高比模量等优良性能,在工业上得到广泛应用。由于现有碳纤维复合材料成型工艺的不足,成品外观差,产生波纹和孔洞在所难免。对此,应采取打磨措施处理碳纤维复合材料的表面质量,这对扩大应用领域能起到不可或缺的作用。传统打磨流程往往以人工操作为主,工作环境恶劣,效率低,费时费力,产品均一性差,在尘埃环境中工人长时间工作,对健康有害。由此,智能机器人操作将是未来取代人工操作的大趋势。

自1959年第一台工业机器人诞生以来,工业机器人一直被广泛应用于代替人工进行高强度作业或高危场所作业。目前关于机器人的研究也广泛应用于打磨领域,在大多数高危有害工作场所中,机器人可以保质保量地完成烦琐操作。机器人打磨系统控制技术的不断发展,提高了行业生产效率,在确保产品质量的同时,为传统工业带来新的生机。

目前国内采用工业机器人进行自动化作业的企业还较少,在自动化打磨加工设备和操作方法普遍缺乏的情况下,工件表面的不规则性使打磨加工设备与被加工表面的相对运动较为复杂,工业机器人的动作程序难以编写,高精度打磨面临着诸多问题。一方面,大多数打磨工作依靠人工示教,编写的打磨路径过于复杂,使打磨路径难以保证所需求的高精度。另一方面,由于打磨设备磨损等因素,大多数工具坐标系难以进行高精度标定。出现这一问题的主要原因是现有的工业机器人控制程序有欠缺,工业机器人采用开环控制,整个控制系统中没有反馈机制,使工业机器人无法得知工作结果如何,只是按照预设系统指令工作,控制系统没有反馈。

笔者研发碳纤维机器人打磨系统,针对精度的提高,从三个方面进行研究,分别是打磨器具、打磨对象标定、打磨方式。在完成打磨系统研究后,使用机器人仿真软件生成打磨程序,并实际测试机器人打磨系统的成效,检验系统的可靠性。

2 碳纤维机器人打磨系统结构

碳纤维机器人打磨系统主要包括工业机器人、主动力位执行器、磨具、除尘模块、转台、实时通信系统、过程模块控制器,结构如图1所示。

图1 碳纤维机器人打磨系统结构

碳纤维机器人打磨系统中采用发那科M-800iA/60高精度机器人作为打磨任务的主体,有效负载为600 N,重复定位精度为±0.015 mm,操作半径为2 040 mm。为满足打磨任务末端稳定的需求,使用主动力位执行器和打磨头,作为力控制系统的末端执行器集成,如图2所示。末端执行器集成包含力的传感机构,确保设备开环控制快速响应。压力保持的执行机构能够跟随工件表面变化而自动弹性伸缩,保持恒定力。

图2 末端执行器集成

3 工具标定

当工业机器人在末端安装不同的工具用于完成各种任务,或者末端工具与工件接触时,需要标定工具坐标系。工具坐标系是末端工具在机器人基坐标系中的对应位置,坐标系的精度关系到作业时的轨迹精度。工具坐标系标定时,要解析工具坐标系与机器人末端坐标系之间的对应关系。目前,对于工具坐标系的标定在国内外都有研究,主要都是求解机器人基坐标系与工具坐标系之间的变换。

工具坐标系的变换分为工具中心位置标定和工具坐标姿势标定两部分。工具中心位置标定是将机器人原本的手腕中心点位置变换为多个标定点中心重合的位置,也就是新零点。工具坐标姿势标定是改变多个标定点对应的姿态,从而求解工具坐标系和机器人默认工具坐标系的对应姿态。

(1)

用分块矩阵的形式表示,可得:

(2)

令式(2)等号两边对应列相等,得:

(3)

工具中心位置在机器人基坐标系{B}下的位置BPtcp不变,得到:

(4)

EPtcp为未知量。对式(4)变换,得:

(5)

使用发那科机器人自带的四点法进行标定,取各自之间相差90°且不在同一平面上的四个点,计算出工具中心的位置。其中,不共线的三个点可解得工具中心点,最后一点用于计算误差。

为了提高产品表面的均匀程度,打磨工具需时刻保持与打磨曲面的截面垂直。对于工具坐标系的方向,有三种标定方法,分别为机器人默认方向、使用X轴和Z轴上各标定一点的XZ方向、在X轴与Y轴上标定一点的XY方向。为保证机器人打磨过程中姿势的稳定,选用默认坐标系,即使用机器人基坐标系{B}的工具坐标姿势的标定,工具坐标系姿态从而确定。

4 工件打磨轨迹计算

当前国内所使用的工业机器人通常执行重复操作以完成相同的过程,即按照预设的程序重复。工业机器人在预设程序的驱使下,对打磨过程中需要经过的所有点进行打磨,并且重复动作,产品均一性高。但是,面对外观曲面多变的工件时,因为打磨运动路径复杂,机器人打磨工件情况难以反馈,容易引起加工精度低等现象。

为了保证打磨过程中打磨头对接触区域均匀打磨,需要通过在工业机器人末端加装力传感器采集工件表面信息,完成对工件的精确定位,从而计算出贴合待加工表面运动的复杂轨迹。为了提高测量精度,设计了用于采集数据的测量工装,如图3所示。工件测量点如图4所示。

设测量点Pi的坐标为Pi(Xi,Yi,Zi),通过旋转底座在工件表面为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置分别测量八个测量点的坐标,以获取工件表面大致曲线。取0°时的八个测量点进行计算,上表面斜率θ1通过P1到P4的坐标进行计算:

(6)

通过圆弧起点坐标P4(0,Y4,Z4)、圆弧上一点坐标P5(0,Y5,Z5)、圆弧终点坐标P6(0,Y6,Z6)共三点,可以计算确认圆弧上的轨迹。设圆弧圆心坐标为P0(0,Y0,Z0),半径为r,因为三个点到圆心的距离相等,可得:

(7)

化简可得:

(Y1-Y2)Y0+(Z1-Z2)Z0

(8)

(Y1-Y3)Y0+(Z1-Z3)Z0

(9)

(10)

将式(10)代入式(7),得到圆弧所在的圆方程,从而得到圆弧上任意一点的位置信息。为了保证接触力的方向垂直于打磨面,还需要确认圆弧上任意一点的截面,以充分确定打磨时工具的姿态。对此,选取圆弧上任意一点Pe(0,Ye,Ze),求此点在圆弧上的切线,计算出此点相对于工具坐标系的斜率θ2。设圆半径P0Pe所在的直线和过点Pe的切线斜率分别为K1、K,可得:

(11)

(12)

得到θ2为arctanK。

最后通过P6、P7、P8点求解工件侧面相较于工具坐标系的斜率θ3,为:

(13)

按照上述计算方法,分别在角度为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°时计算工件在机器人基坐标系的对应点,计算出工件的准确位置,至此完成工件的精准定位。

5 应用实例

通过以上计算和标定后,生成打磨路径数据,运用发那科机器人仿真程序ROBOGUIDE进行仿真。设置机器人运动参数,主轴转速为3 000 r/min,进给速度为5 mm/s,打磨正压力为50 N。利用仿真程序进行测试,设计合理的机器人运动轨迹。最终生成打磨程序,完成实际打磨任务。

打磨完成之后,通过人工测量和机器人辅助测量,对打磨结果进行评定。打磨测量结果见表1。

表1 打磨测量结果 mm

由表1可以看出,最大误差为0.09 mm,最小误差为0.01 mm,平均误差在0.06 mm以内。工件厚度均匀,满足工件的加工需求。

6 结束语

笔者采用发那科M-800iA/60机器人构建碳纤维机器人打磨系统,重点研究机器人自动打磨的可行性,通过对打磨工具和工具标定算法研究,提出简单可靠的标定算法和打磨形式,从而实现高精度自动打磨。在实现打磨功能的前提下,有效改善打磨碳纤维复合材料导致的粉尘危害,降低工人的劳动强度,而且大大提高打磨效率,满足行业大批量生产的自动化需求。通过实例验证了碳纤维机器人打磨系统的智能性和实用性。