機(jī)電一體化數(shù)控技術(shù)研究

1、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， 早期是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控， 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，簡(jiǎn)稱系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)控制加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制。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)控是直接數(shù)控的英文簡(jiǎn)稱?？刂坪凸芾?，英文縮寫。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)控和計(jì)算機(jī)數(shù)控基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。微機(jī)數(shù)控是微型計(jì)算機(jī)數(shù)控 - 的英文簡(jiǎn)稱。它是指用微處理器和半導(dǎo)體

2、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)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)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。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。靈活、多功能，因操作工具的不同功能也不同

3、，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用?？芍貜?fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行，安全可靠?？捎脧挠趷毫?、危險(xiǎn)的環(huán)境，工作質(zhì)量穩(wěn)定，可提高產(chǎn)品質(zhì)量。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，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)行器為銑刀的機(jī)器人加工一個(gè)葉輪零件為例，說明復(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)控主軸通過循環(huán)水對(duì)主軸進(jìn)行冷卻， 風(fēng)冷數(shù)控主軸通過風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，重

4、量較大。機(jī)器人的載荷為 6，本系統(tǒng)選擇水冷數(shù)控主軸進(jìn)行加工。通過變頻器調(diào)整輸出電壓和工作頻率，可以實(shí)現(xiàn) 024000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， 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)。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

5、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模塊完成渦輪葉片五軸加工的軌跡規(guī)劃，提供了多軸編程的模塊。如圖 2 所示，依照數(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

6、止切掉型面。加工完成后將刀具改為 6 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 2 數(shù)控編程圖 3 葉輪表面精加工 3 基于的機(jī)器人加工仿真。通過模塊對(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。在環(huán)境中直接對(duì)機(jī)器人加工進(jìn)行運(yùn)動(dòng)

7、仿真分析以及對(duì)碰撞和干涉進(jìn)行檢測(cè)。因此，基于的機(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。于可以對(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，1 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為軸。2 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為軸。3 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類

8、型為 2 軸。4 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為軸。5 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為 2 軸。6 是繞軸旋轉(zhuǎn)，組件類型為 2 軸并且還要在 6 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)。而就能提供多種

9、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。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)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

10、002，該測(cè)量系統(tǒng)將可見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、 、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