工业机器人在数控多轴加工中核心技术研究
常德职业技术学院机电系 孙梅
工业机器人的设计和研发中，新技术、新工艺越来越多，水平越来越高，极大地提升了工业机器人技术的发展水平。作为有着较强稳定性和灵活性的工业机器人，其可以替代人工完成劳动强度较大、较为危险的工作任务，如物体焊接、货物搬运等。而且，工业机器人在数控多轴加工中的应用，还可以代替人工完成精密度较高的复杂工件的加工工作。例如，动力机械中常见的离心叶轮，其外形尺寸较为复杂，加工难度较大，需要在多轴数控机床上加工。总之，工业机器人在数控多轴加工中应用，可完成复杂的零件加工，提高加工质量、加工效率，降低企业成本。鉴于此，本文对工业机器人在数控多轴加工中核心技术展开研究，具有重要的现实意义。
1.1 工业机器人特点
工业领域中应用的机器人，便称为工业机器人。工业机器人可模拟人体动作，从而取代人工完成某些特定工作[1]。工业机器人的特点主要包括：第一，模拟人。从机器人的总体结构上看，工业机器人与人类相似，拥有手臂、手腕、腰转、行走部分，且均是计算机控制。而且，为了提高机器人的操作性，还安装了类似人类的“生物传感器”，常见的包括负载传感器、皮肤型传感器、视觉传感器等。第二，工业机器人可以进行程序编写。这是由于工业机器人的所有行为均是计算机控制，在实际应用中，可通过程序编写，将机器人运用在各种环境当中。换言之，工业机器人具有高效率、多品种的作用。第三，通用性。通用性指的是机器人可以在多种作业中使用，具体表现在，在执行不同业务或操作时，只需要更换手部操作器即可[2]。
1.2 工业机器人的结构组成
机器人的结构组成大致相同，基本均由执行系统、驱动系统、控制系统组成。其中，执行系统是机器人的主体，包括手臂、手腕等，在部分特殊场景中，工业机器人还具有行走能力。驱动系统的组成分两部分，即传统机构、动力装置。驱动系统属于一种外部设备，是专门为机器人作业而配置的。控制系统的组成包括两部分，即控制系统、监测系统，其功能是基于制定系统和驱动发出的信号，输入有关程序，从而对驱动单元进行有效控制。
2.1 工业机器人
目前，工业机器人在工业领域中的应用，一般均是由微软windows系统对PCBASED控制系统进行控制，这也是工业机器人应用的最常见特点之一。PCBASED控制系统运行的整个过程中，利用标准化个人电脑硬件和规划设置，可以使机器人的连续工作时间超过7.5w小时，且机器人的平均使用寿命也可以达到10～15年之间[3]。借助工业机器人进行包装作业的时间相对较长，新型库卡机器人的制作材料主要是聚碳纤维材料，所以机器人质量更轻，且使用性能更高，特别是高负载的情况下，工业机器人的作业优势更加突出。库卡公司在研发工业机器人的过程中，采用了FEM最优操作方式及四轴倾斜式设计，其生产的机器人不仅性能更好，而且维修保养的成本相对较低。
本文以KR360-2型工业机器人为例，对工业机器人在多轴加工过程中的应用展开研究。KR360-2型工业机器人属于重负载机器人，最高可承受360kg的载荷，其主轴头可以更换不同作用的机械手。在实际应用中，加工作业完成之后，可通过将主轴头换成抓手更换工件，即实现自动化控制。而且，KR360-2型工业机器人是6个自由度机器人，符合离心式叶轮零件的多轴加工需求。此外，KR360-2型工业机器人的运动范围也相对较大，实际应用中便于增加工位，从而提升加工效率[4]。
2.2 多轴机械手运转模型
KR360-2型工业机器人是6个自由度机器人，具有广泛的活动角度，且机器人的主轴头可根据不同执行任务来更换，也可以根据要求，进行零件加工作业。基于UG后置处理数控程序构建中，可以对6轴机械手运动模型展开深入分析，并构建相应的坐标系，以掌握不同机械臂的运动相关性。
KR360-2型工业机器人中1、2、3、4、5、6，均是机械手臂的旋转点。其运作过程中的主要结构，即滑动平台、底座、机械臂、旋转点。其中，旋转点的角度和机械臂长度，对机械臂运动范围具有直接影响[5]。过程中，要构建运动模型，对6个自由度复杂运动进行简化，处理成两个向量参数变化，这样不仅可以减少计算量，提高计算效率，而且也可以为后续仿真实验工作提供支撑。
2.3 基于UG的加工模块
UG是UnigraphicsNX的简称，而UnigraphicsNX是CAD、CAM领域中比较典型的一种软件，功能非常强大，在家电、军工业、船舶业、航空航天等领域均有广泛应用。具体而言，UG能够为虚拟产品设计和工业设计提供实践验证方案，凭借其强大的实体造型、曲面造型、生成工程图、虚拟装配等功能，为设计人员的模块设计工作提供了巨大便利，便于设计人员通过有限元分析、机构运动分析等，验证设计方案的可行性和可靠性。
设计数控多轴加工体系的过程中，可直接利用数控代码在软件中构建三维模型，再生成产品加工方案。而且，UG自带的后处理器，还可以实现对数控机床的仿真模拟，对那些需要特殊处理的机床进行定制化开发，以更好地满足产品的个性化需求[6]。在利用UG进行基础模块设计时，可以为设计人员提供全面且便捷的操作空间，而且可以生成数控刀轨。在模块内部，还能够对整个加工过程进行仿真实验，从而提高简单到复杂的数控零件加工刀轨的生成速度。此外，利用该软件还可以准确计算刀轨的参数化差值，从而有效降低系统和数控系统间的传输负载。另外还可以有效避免代码段及刀轨的不连续性问题，以此来提高规划的整体水平。
2.4 编程步骤
设计数控多轴加工体系的过程中，还应在软件NXCAM10.0中加强编程。在正式进行编程之前，应先进行创建工作，并对刀具轨迹进行处理，生成机床可以识别的代码。具体设计内容如下。
首先，借助CAM获取CAD模块。在获得CAD数据模型之后，应在模块上构建主模型结构，并同时在CAM环境中直接构建CAD模型，或者对CAD模型进行优化。
其次，利用NX/Manufacturing进行加工环境初始化处理，CAM模型构建完成之后，为了确保模型便于加工，还可以对其进行一定调整和优化。在此过程中，加工坐标系（MCS）为工件生成加工导轨的主要基准之一，在实际加工时，需要保障MCS和CAM的加工坐标系的一致性。由于模型的形状多种多样，所以其作用也各不相同，部分适合应用于铣削工业，部分适合应用于线切割加工等。其中，在铣削加工中，必须要找好固定轴线和可变轴线，为此必须要对几何形状展开深入分析，并将不会对加工结果产生的面和曲线隐藏起来，以此来获取更加合理的加工方案。
第三，制定加工方案。在制定加工方案之前，必须要先明确加工对象和加工区域，而在加工对象的选择上，要以加工类型的差异为依据。例如，在平面铣削、型腔铣削中，应准确定义部件几何体和毛坯几何体，且在固定和多轴铣削过程中，还应准确定义加工轮廓曲面定义。之后，对加工工艺进行规划，为确保加工效率，在加工时通常都是按照粗加工——半精加工——精加工的顺序。粗加工是去除大量余量的加工步骤，但对工件表面的加工精度和加工质量的要求不高。后续可利用精加工对零件表面的加工质量、精度进行优化，但精加工的效率相对较低。
第四，完成加工参数设置。参数设置是指切削参数和非切削参数的设置。切削参数是指各项操作进行指定的参数，如切削方向、切削顺序、步距、加工余量、切削模式、磨刀深度等。而非切削参数指的是进刀参数和退刀参数、快速进给参数等。设置时，应结合加工类型的差异，合理掌控加工参数。
最后，生成刀具轨迹文件。设置参数之后，便可生成正确的刀具轨迹文件，并通过处理器生成NC程序，从而获得刀具路径代码。值得关注的是，获取的路径代码难以在数控机床加工过程中直接应用，必须要通过专用后处理器对生成的NC代码进行处理，以确保其可以在特定的机床上得以应用。而且，在NC程序验证时，必须要正式投入使用前完成验证，这样才可以在第一时间发现隐藏错误。相比于试切数控仿真系统，这种方法更加便捷、有效，而且在仿真环境配置完成之后，还能够进行加工仿真验证，优势非常明显。
2.5 加工类型
数控多轴加工中工业机器人的应用，必须要全面掌握其设计要点，及加工类型，NXCAM能够提供点位加工、铣削加工、线切割加工等多种类型功能。在实际应用中，一般以铣削加工为主。按照主轴是否需要固定，铣削加工包括固定轴线加工与变轴线加工两种。其中，固定轴铣削加工即刀轴方向不变，加工刀具以球刀为主。而且，在固定轴铣削时，要驱动几何体沿着投影方向，在零件表面生成刀位轨迹点，同时还要避免出现过切或超差问题，刀具依次经过刀位轨迹点进行加工，刀位轨迹便形成。而变轴铣削顾名思义，就是刀轴方向是变化状态，刀具的加工角度可以随时变化，以最合适的角度进行加工，不仅加工质量比较高，而且刀轴的灵活度也比较强，具有加工复杂工件的能力。而且，变轴铣削的驱动方式也相对灵活，如流线、曲面、曲线等。在应用过程中，应结合实际情况，科学选择驱动方式和驱动几何体。
与其他加工方式相比，数控多轴加工拥有很多优势，例如有利于提高加工精确度，减少基准转换。这是因为数控多轴加工的坐标轴，能够控制多个集成化作业。可缩减占地面积、缩减生产链长度，对生产管理过程进行简化。缩短新产品的研发周期等。在多轴加工完成之后，各个工序之间可以实现无缝隙配合，以缩短生产实践，提高生产效率。工业机器人在数控多轴加工中应用的流程如下：先由工业机器人通过2D扫描，对上料辊道线上存在的箱体进行抓取操作。同时，利用工业机器人的传感器查看上料辊道线上的检测点，查看是否还存在工件，若没有工件，就可以发送上料指令。之后，当机器人接收到该指令之后，就会借助3D视觉系统发出指令，再将其搬运到指定机床上。在此之后，机床便可以按照指令展开加工、测量等操作。当完成加工后，机器人还应按照指令对半成品进行下料处理，过后再将其运送到其他加工机床上。最后，加工出成品。在储层品加工完成之后，机器人会按照指令，将成品运送到下料辊道线上运出。
在数控多轴加工中，需要有加工中心予以支撑，通常情况下加工中心分为立式加工中心、卧式加工中心，而若以回转轴的类型来区分，则可以分为工作台回转轴和立式主轴头回转。其中，工作台回转轴在运行时，主轴结构较为简单，但刚性比较强，成本较低。但是，这类工作台的缺点也比较明显，即设计规模较小，难以承载过重工件，特别是当回转角度大于90度时，工件切削会增加工作台的承载力矩，从而导致载重过大。而对立式主轴头回转而言，比较适用于较大的工作台，能够为球面切割的整个质量提供重要保障。但是，其在实际应用中也存在很多问题，如机械手臂长度有限、叶轮碰撞等。鉴于此，应合理调整机械手臂的角度，若机械手臂无法达到工作台，则要考虑机械手臂的角度是否合理，及机械台本身的高度是否合理，并进行合理调整。在调整过程中，需要以原有设计图纸为依据进行优化，必须要避免出现盲目更换和替换的问题。除此之外，若机械手臂的长度不够，也要考虑是否是因为机器之间的碰撞摩擦而导致。所以，实际上，还要进行深入分析，找到根本原因，采取针对性措施，最大限度满足生产需求。
工业机器人应用到数控多轴加工中，不仅提高了产品质量，和企业生产效率，而且还可以在满足不同工序的加工要求的基础上，最大限度节约人工成本，从而增加企业收益，提高企业综合实力及市场竞争力。现阶段，数控化多轴加工技术，正在向着更加高效、高速的方向发展。不仅如此，在精度、柔性和多功能上，也是不断在更新换代、推陈出新。但是，以国内实际情况来看，该技术在我国起步相对较晚，发展时间尚短，很多零件还需要依靠进口，不仅成本偏高，而且由于缺乏核心技术，还会出现很多难以解决的情况。因此，未来必须要以发展工业机器人的核心技术为主要方向。
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