一、懸臂式加工機(jī)器人的部分用處

密煉機(jī)轉(zhuǎn)子的毛坯為鑄鋼件，為提高表面硬度整個(gè)外表面堆焊一層耐磨合金。堆焊前需要對其表面進(jìn)行打磨，堆焊后要打磨到表面粗糙度很小。機(jī)車上有的大型鈑焊件的焊口要打磨，不同種類要打磨工件的焊口位置和數(shù)量不同。這類打磨拋光類任務(wù)通常要求配大型變位工裝，要求五軸機(jī)器人能帶動砂帶機(jī)和砂輪工具等工具對工件焊口進(jìn)行打磨和拋光。

在汽車、飛機(jī)和大型軸類件的生產(chǎn)過程中會要求對一些大型零件進(jìn)行鉆孔，銑削擴(kuò)孔，攻絲，銑削加工，倒角和拋光等。加工的對象可能會非常大，加工位置在復(fù)雜曲面的不同方位上。這就要求加工機(jī)器人的控制系統(tǒng)能自動把來自CAD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為加工數(shù)據(jù)，或通過示教方式產(chǎn)生加工程序。機(jī)器人不僅能向關(guān)節(jié)機(jī)器人一樣靈活，又有大型龍門銑的工作空間，剛性和精度。

很多大型軸類件可達(dá)數(shù)十米長，需要激光焊接，激光熔覆和激光淬火等加工處理。類似的應(yīng)用還有大型模具的淬火，熔覆修補(bǔ)和打磨加工等。還有對煤機(jī)等大型設(shè)備的噴砂和噴涂任務(wù)等。針對這些應(yīng)用要求機(jī)器人的有效行程數(shù)十米，要五軸或六軸聯(lián)動，精度要高，剛性要好。

針對上面的應(yīng)用特點(diǎn)和方便被加工工件的上下料我們設(shè)計(jì)制造了懸臂式加工機(jī)器人。根據(jù)不同的任務(wù)需要，開發(fā)了從四軸到七軸懸臂式加工機(jī)器人。

二、關(guān)節(jié)機(jī)器人的不足

   這類打磨，拋光，鉆孔和銑削加工等不僅要求點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動位置精確，還要求能精確按樣條函數(shù)類的空間曲線精確運(yùn)動及定位。目前能完成這類精確空間軌跡插補(bǔ)運(yùn)動，剛性又非常高的機(jī)器人很少，主要是歐洲的機(jī)器人。例如德國Manutec公司的機(jī)器人就采用特殊的，消除間隙的行星減速機(jī)，否則剛性和精度都滿足不了需要。如果工件超過機(jī)器人的工作半徑，例如10米長，關(guān)節(jié)機(jī)器人還要安裝在軌道上，非常占地和不方便。如果帶動大型砂帶機(jī)和大功率動力頭，進(jìn)行打磨和銑削加工，能合適的關(guān)節(jié)機(jī)器人非常少，又非常昂貴。這類合適的關(guān)節(jié)機(jī)器人成本高，絕對定位精度都比較低，但維護(hù)復(fù)雜和維護(hù)成本很高。

圖1：采用關(guān)節(jié)機(jī)器人不僅要有地軌，剛性，精度和效率都低。

三、懸臂式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

   針對前面介紹的加工要求，沈陽萊茵機(jī)器人在趙永瑞教授的指導(dǎo)下，一同開發(fā)了大型懸臂式五軸機(jī)器人。懸臂式加工機(jī)器人綜合了加工中心的高強(qiáng)度，高空間定位精度的特點(diǎn)，和關(guān)節(jié)機(jī)器人的高度靈活性和高動態(tài)特性。下面介紹懸臂式加工機(jī)器人的各個(gè)部分。

1、機(jī)器人的XYZ三個(gè)直線運(yùn)動軸

   懸臂式加工機(jī)器人的X軸，Y軸和Z軸三個(gè)直線運(yùn)動軸采用類似數(shù)控機(jī)床式的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度要求。它們都采用直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，精密滾珠絲桿傳動或精密齒輪齒條傳動和伺服電機(jī)驅(qū)動。對于精度高的機(jī)器人采用光柵尺反饋構(gòu)成閉環(huán)控制。此外所用的機(jī)器人控制系統(tǒng)也具有機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能，如絲桿誤差補(bǔ)償，反向間隙補(bǔ)償?shù)?，可以接光柵尺反饋信息等等提高精度的措施。其結(jié)果是三個(gè)直線運(yùn)動軸的定位精度可以做到數(shù)控銑的精度，重復(fù)定位精度通常高于在?0.002mm。剛性類似數(shù)控加工中心，可以高效，長期，可靠地工作。

  圖2是懸臂式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，其主要特點(diǎn)是X軸的有效行程可以做到數(shù)十米長，Y軸的有效行程可以做到3米或更長，Z軸的行程也能做得2米，這類超大型機(jī)器人特別適合大型工件的去毛刺，拋光，鉆孔，銑削加工，噴砂，噴涂和拋光等任務(wù)。

2、機(jī)器人的轉(zhuǎn)動軸

   通常在Z軸的最下端裝配有A軸和C軸兩個(gè)轉(zhuǎn)動軸，它們由精密諧波減速機(jī)傳動，交流伺服電機(jī)驅(qū)動。在設(shè)計(jì)時(shí)我們盡可能減少A軸和C軸的旋轉(zhuǎn)半徑，其結(jié)果是不僅兩個(gè)轉(zhuǎn)動軸A軸和C軸具有關(guān)節(jié)機(jī)器人末端關(guān)節(jié)的高速高動態(tài)特性，還有遠(yuǎn)高于常見關(guān)節(jié)機(jī)器人的高鋼性和運(yùn)動精度。通常AC兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動半徑為0，其結(jié)果是當(dāng)A軸，或C軸，或AC兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動時(shí)僅僅改變刀尖的方向，但不改變刀尖的XYZ坐標(biāo)值。類似的原理可以還為用戶設(shè)計(jì)制造過三個(gè)傳動軸全部安裝在Z軸下端，刀具不僅可以從上向下銑削，還可以從下向上以近似60度的角度進(jìn)行銑削加工。

 圖2：大軸軸類件的打磨拋光要采用懸臂式五軸機(jī)器人和變位工裝。大行程時(shí)采用齒輪齒條轉(zhuǎn)動。

       圖3：懸臂式機(jī)器人末端三個(gè)轉(zhuǎn)動軸的兩種結(jié)構(gòu)方式。

四、機(jī)器人控制系統(tǒng)簡介

1、系統(tǒng)基本功能

采用德國產(chǎn)八軸聯(lián)動多通道數(shù)控系統(tǒng)Editasc。該系統(tǒng)除了具有西門子840D的全部功能外，還是六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的理想控制系統(tǒng)。例如在德國被用于控制關(guān)節(jié)機(jī)器人抓取眼睛框進(jìn)行精密拋光。Editasc系統(tǒng)具有超強(qiáng)預(yù)讀功能確保打磨拋光高速，平穩(wěn)和精確進(jìn)行。具有CAD圖形編程，示教編程和樣條函數(shù)功能簡化了復(fù)雜軌跡的編程。該系統(tǒng)具有大跨度龍門機(jī)床兩軸同步控制功能，龍門軸下沉傾斜補(bǔ)償功能，3D刀具補(bǔ)償，復(fù)合軸功能，多通道功能和RCTP功能?？梢越邮展鈻懦吆透鞣N編碼器反饋信號，適合高速高精設(shè)備的控制，能以每秒10000次位置環(huán)PID調(diào)節(jié)周期精密控制確保位置精度。

2、手脈操作器輔助示教編程功能

僅僅示教鑰匙處于合閉位置（鑰匙取下），而自動運(yùn)行方式的鑰匙處于斷開位置（狀態(tài)）才可以進(jìn)入示教操作方式。在示教運(yùn)行方式下僅允許如下操作：

1）回零點(diǎn)，

2）用手脈操作各種軸,

3) 進(jìn)入示教編程操作，

4）選擇及打開原來已經(jīng)存在的用戶程序（屬性T）。

5）或新建立一個(gè)程序及命名（程序?qū)傩?span style="font-family:'Times New Roman';">T）。

6）圖示該程序

7）運(yùn)行該程序，可以全部運(yùn)行，可以單段運(yùn)行，可以用選擇部分程序段運(yùn)行。

8）可以在程序中隨時(shí)修改加速度和速度。

9) 仿真運(yùn)行該程序,

10）可以復(fù)制和刪除程序。要有二次確認(rèn)功能，以防誤操作。

11）對剛打開的程序重新命名（另存為）。

12）退出自動運(yùn)行方式到主頁面方式下。

圖4：該數(shù)控系統(tǒng)不僅是五軸機(jī)床的高檔控制系統(tǒng)，也是關(guān)節(jié)機(jī)器人的理想控制系統(tǒng)。

為了簡化示教編程，我們特意請德國專家開發(fā)了專用程序。比例走直線段就用手脈確定開始和結(jié)束兩個(gè)點(diǎn)。走3D圓弧就用手脈確定開始，中間點(diǎn)和結(jié)束三點(diǎn)。走3D圓就用手脈確定圓上的四個(gè)點(diǎn)。這些點(diǎn)的對應(yīng)坐標(biāo)自動進(jìn)入程序中，系統(tǒng)自動生成5軸連動運(yùn)動命令。整個(gè)示教過程就用手脈操作器一個(gè)人獨(dú)立完成，快速高效安全。

3、運(yùn)行來自CAM的程序

很多復(fù)雜的任務(wù)不方便或無法通過人工編程或示教編程產(chǎn)生所要的加工程序，Editasc系統(tǒng)能接收多種CAM軟件產(chǎn)生的G代碼程序。其中G代碼和M代碼的格式與840D系統(tǒng)的相同。如果要特殊的G代碼和M代碼及格式，我們可以修改目前的G代碼定義來滿足這些要求。

4、仿真運(yùn)行及單步運(yùn)行

對應(yīng)復(fù)雜的加工可以先圖示，在圖示時(shí)對任意加工為主進(jìn)行局部放大觀察。還可以仿真運(yùn)行。在仿真運(yùn)行沒有問題的情況下，可以慢速單步運(yùn)行。可以在圖像上選擇一些程序段一起運(yùn)行。關(guān)鍵位置運(yùn)行的精細(xì)些，慢些運(yùn)行。而不重要的部分，絕對安全的部分可以快速運(yùn)行。在運(yùn)行過程中操作者可以拿手動操作器來隨時(shí)停止運(yùn)行，確保安全。

五、多種配置方式

1、選用電動或氣動打磨去毛刺工具

打磨工具可以是電主軸配銑削刀具，也可以是氣動打磨頭。可以是剛性連接的電主軸，這主要對精度高的齒輪，或?qū)ぜ叽缫蟛桓叩蔫T件類。由于齒輪精度很高，采用固定主軸就可以。也有的用戶為了簡化編程采用柔性主軸，靠刀具半徑補(bǔ)償來自適應(yīng)打磨去毛刺。

2、選擇兩個(gè)或三個(gè)動力頭

有的齒輪除了齒的兩端要倒角去毛刺，在齒輪內(nèi)部也有一些部位要倒角去毛刺。為了能使刀具能自動到達(dá)要打磨位置，可以一次裝有兩個(gè)或三個(gè)不同的動力頭來完成不同部分，不同尺寸空間內(nèi)的去毛刺任務(wù)?？繖C(jī)器人的AC軸的運(yùn)動能更好地使用各個(gè)刀具完成去毛刺任務(wù)。有時(shí)再加上B軸帶動刀具自身轉(zhuǎn)動。

3、自動換刀功能

也可以向加工中心一樣選擇帶帶自動換刀的動力頭，來更換不同的倒角工件。比如不同形狀的銑削刀具，多種鋼絲刷和微性砂帶機(jī)等。

圖5：單打磨頭和多個(gè)打磨頭的設(shè)計(jì)方案及照片

六、加工機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)

1、XYZ采用數(shù)控加工中心相同的結(jié)構(gòu)，靠直線導(dǎo)軌導(dǎo)向和精密滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，使其具體類似加工中心的剛性，穩(wěn)定性和精度。工作過程中重復(fù)定位精度可達(dá)?0.004mm，

2、AC兩個(gè)轉(zhuǎn)動軸利用精密諧波減速機(jī)，不但具有關(guān)節(jié)機(jī)器人的高速靈活性，高動態(tài)特性，但轉(zhuǎn)動半徑幾乎為零，其結(jié)果是精度更高，剛性更好。

3、利用RCTP編程功能和AC軸轉(zhuǎn)動半徑幾乎為零，刀具僅僅靠AC兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動就能快速改變刀尖方向，但刀尖位置不變，這樣加工起來速度快，空跑位置少。

4、整個(gè)設(shè)備具有五軸加中心的高強(qiáng)度，高剛性，高精度，又具有關(guān)節(jié)機(jī)器人的高速高動態(tài)特性，是理想的加工型機(jī)器人。

5、 采用最新的數(shù)控系統(tǒng)，編程簡單，友好。

6、 運(yùn)動軌跡中各個(gè)程序段的運(yùn)行速度可以通過試運(yùn)行看刀具效果來確定。

7、 可以通過單段運(yùn)行方式逐步逐端驗(yàn)證及修改程序。

8、 可以設(shè)置修改各個(gè)部分倒角的形狀，如角度和大小等。

9、 可以選配力控制，來自動適應(yīng)不同位置的倒角量及倒角速度。

10、 可以帶自動測量頭，自動識別記錄要倒角的軌跡。

11、 可以選擇自動換刀換工具系統(tǒng)，來完成不同的倒角和拋光等任務(wù)。

12、 倒角量小時(shí)可以以2,5m/min 的速度來完成倒角。

13、 可以選配一個(gè)到兩個(gè)轉(zhuǎn)動軸，來帶動工件轉(zhuǎn)動和擺動，方便倒角及提供倒角效率。

14、 沒有要求特殊的工具，常見的氣動，電動工件就可以用來倒角和拋光

15、 可以示教編程和離線CAM編程，快捷實(shí)用。 

七、應(yīng)用及展望

1、這類六軸聯(lián)動去毛刺機(jī)器人在德國和瑞士主要取代關(guān)節(jié)機(jī)器人完成多種齒輪去毛刺任務(wù)。

2、有多臺設(shè)備多年類在國內(nèi)幾個(gè)著名汽車配件廠和壓鑄件廠對多種復(fù)雜的鑄件去毛刺，高效，一致性好，穩(wěn)定性高，深受用戶稱贊。

3、被用戶用于大型鋼件倒角，焊口打磨等。

4、可以用于大型軸類件的表面拋光去毛刺任務(wù)，帶動砂帶機(jī)，砂輪機(jī)，刷子和銑刀來完成不同部位不同的打磨去毛刺和拋光任務(wù)。

5、這類設(shè)備還可以用于很多工件內(nèi)部交叉孔的去毛刺。

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