（材料加工工程专业论文）机器人原型制造技术基础研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i 摘 要 近 20 年来,制造业市场环境发生了重大的变化, 用户需求趋向多样化与个性化。 因此，制造业不断探求快速响应市场的生产模式和技术策略。华中科技大学开发的 dpst（direct prototype spray tooling）技术，将机器人与熔射制模技术相结合，可 快速制造出具有优良耐磨耐腐蚀性能的不锈钢、耐磨合金等表面的注塑模和金属薄 板冲压模的优点而格外受到关注。 在 dpst 技术中，被熔射陶瓷原型是利用工业机器人直接铣削陶瓷毛坯的技术 得到的。但陶瓷材料由于硬脆特性，可加工性比金属材料困难得多，因此，目前广 泛采用的主要是磨削加工方法，其去除机理是刀具刃口附近的被切材料产生脆性破 坏，而不是像金属材料那样产生剪切滑移变形。由于陶瓷脆性大，其加工参数、机 器人运行速度不能过大，导致加工周期长。所以在保证具有较高尺寸精度和表面质 量的陶瓷基模的前提下如何保证快速加工被熔射陶瓷原型是dpst的关键技术之一。 故本文对工业机器人加工原型的技术进行了研究。 粘土具有较好的可塑性，其加工参数、机器人运行速度相比陶瓷加工可大提高， 成型特性优良。本文分别以粘土原型与陶瓷原型为例对机器人原型制造技术进行了 基础研究。 论文以六轴机器人为基础建立机器人数字化原型加工系统。研究了原型材料的 成型特性，提出了原型加工刀轨设计原则。进行了机器人原型加工路径规划，使用 间接法生成了加工路径，并进一步研究了机器人粘土原型与陶瓷原型的加工。 最后，以汽车覆盖件模具为例，采用间接法生成原型加工路径，进行机器人加 工实验，成功获得了陶瓷原型与粘土原型。粘土原型精度及表面质量均满足后续精 加工的要求。 关键词：机器人; 原型制造; 粘土; cam 华中科技大学硕士学位论文 i i abstract in the recent 20 years, the market environment of manufacturing industry has greatly changed, and the requests of customers are made for products diversification and characterization. thereby manufacturing industry keep seeking new production mode and technique strategy which rapidly response to the changeable market. the dpst (direct prototype spray tooling)which is developed by huazhong university of science it can manufacture injection mold and metal sheet punching mold, which have the stainless steel or nickel- chrome- iron alloy shell with good abilities of corrosion- proof and wear resisting. in dpst, the previously method of fabricating ceramic prototype is directly milling ceramic blank by robot. the ceramic is typical brittle material, which is hard to be fabricated. and only when wetness it can be fabricated, after completely dried i t can hardly be fabricated. so the main limitations of this method are the long period of actually producing the ceramic prototype, and the limited fabricating size scale of the ceramic prototype. clay has good plasticity, it can be easily shaped rapidly, and the maximum scrape depth can increase up to 100mm. when fabricating the clay, the maching parameter and robot scanning speed can be setted at a higher level than that of the ceramic. the maching parameter and the scanning speed of robot can also be set higher than fabricating the solid ceramic blank. the utilization of it in place of previously method can save significant fabrication effort, especially when the geometry of the product is big. in this paper, a digital prototype manufacture system has been built on a 6- axis robot. the principle of robotic path planning of prototype forming is presented，and robotic finish milling ceramics prototype path planning is researched further. finally, the paper issues an example of automobile panel mold adopted indirect robot path system, the required soft prototype with good accuracy and surface quality has been fabricated. the above result verifies that the system is feasible and stable. keywords: robot; prototype manufacture; clay; cam 华中科技大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 课题的来源和意义 1.1.1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目。 1.1.2 课题的目的和意义 近 20 年来,制造业市场环境发生了重大的变化,用户需求的多样化与个性化及国际 市场的一体化,使得制造商面临更为激烈的竞争。 为此,制造业在不断探求能够快速响应 市场的生产模式和技术策略,如并行工程、敏捷制造、高速切削和快速成形（rapid prototyping）等1,2。以为技术支撑的快速模具制造(rapid tooling)也正是为了加快 新产品开发周期,早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品 而发展起来的新型制造技术。rp切削试件拐角处时，因切入角 ? 和铣削 长度的增加(见图 4.9)，逆铣的摩擦效应也会引起切削振动,并在拐角处产生振纹。而顺 铣时则正好相反，虽然顺铣时切削力稍大于逆铣,但顺铣时切屑厚度是由厚变薄，刀具 后刀面与试件之间摩擦效应较小，在拐角处不易引起切削振动58,59。故本文选择顺铣 的铣削方式。 图 4.9 切入角和切出角 综合分析以上四种加工方案可以看出： （1）方案一，遇到的台阶最少，加工时间为42分钟，加工效率最高。但是此加工 路径在两突肋的曲面上会产生残余材料，影响加工表面的精度。 （2）方案二，精度较高，但遇到台阶较多，加工时间为82分钟，效率不高。 （3）方案三，跟随周边型沿各斜面和陡峭面加工，避免产生残留材料，加工精度 比方案一高，但行走过程遇到台阶较多，效率没有方案一高，加工时间为 63 分钟。 （4）方案四，沿径向线加工刀轨呈放射形，中心点附近轨迹线加工精度高，周边 华中科技大学硕士学位论文 3 8 轨迹线加工精度越低。其加工精度要比方案一高，但由于中心轨迹过密，加工中遇到 的台阶和转折点最多，加工时间为 116 分钟。另外，在斜面处会产生残留材料，影响 加工精度。 对于汽车覆盖件原型（图 4.2） ，其特征比较复杂，特别是两突肋和中间凸台以及 其两侧的狭窄凹槽，为难加工区域（图 4.10） ，使用 ? 2mm球头铣刀，步距 1mm，铣 削方式为沿 y 轴的平行线 zig_zag走刀，避免产生相邻两刀之间未切削材料，保证加 工精度。易加工区域（图 4.11）使用 ? 6mm 球头铣刀，3mm 步距，铣削方式为沿 x 轴的平行线 zig_zag走刀，提高加工效率。 图 4.10 难加工区域 图 4.11 易加工区域 4.3 本章小结 生成了四种陶瓷原型的加工路径方案，并就加工效率与加工精度对这四种方案进 行了评估。加工时可以根据工件具体形状特征，对工件分块使用不同的路径加工，达 到最优加工效果。 华中科技大学硕士学位论文 3 9 5 机器人原型加工实例研究 本章介绍了机器人高速加工系统的硬件组成和若干加工实例。这些实例验证机器 人加工软、硬件系统的可行性与稳定性。 5.1 机器人加工设备 机器人加工的硬件部分由机器人系统、高速加工系统和数控转台等组成。 机器人系统包括机器人本体及控制柜。控制柜除了控制机器人的运行外，还能与 pc 机之间进行通讯联系，接收 pc 机上的轨迹文件，并具有一定的存储功能，能存储 多达 5000 点的轨迹。 5.2 轨迹生成实例 5.2.1 设计实体模型 随着计算机技术的发展，设计人员可使用 cad/cam 软件设计产品模型。目前， 常用的国外的 cad 软件有 unigraphics(ug), solidedge, autocad, mdt, solidworks, cimatron, pro/engineer。常用的国内的 cad 软件有 caxa 电子图板和 caxa- me制 造工程师、gs- cad98,金银花系统、开目 cad 等等。本文使用 ug nx3.0 软件进行 cad 模型设计。 5.2.2 生成 nc 代码 ug cam是 ug 的计算机辅助制造模块60。其功能强大，可以实现对极其复杂零 件和特别零件的加工。ug cam 可以实现的主要铣加工方式及特点如下： （1） 平面铣（planar mill） ：实现对平面零件（由平面和垂直面构成的零件）的粗 加工和精加工。 （2） 型腔铣（cavity mill） ：型腔铣是三轴加工，主要用于对各种零件的粗加工， 特别是平面铣不能解决的曲面零件的粗加工。 （3） 固定轴曲面轮廓铣（fixed contour） ：主要用于以三轴方式对零件曲面做半精 加工和粗加工。 （4） 可变轴曲面轮廓铣（variable contour） ：可变轴曲面轮廓铣是以五轴方式针对 比固定轴曲面轮廓铣所加工的零件更为复杂的零件表明做半精加工和精加工。 华中科技大学硕士学位论文 4 0 产品 cad 模型设计完成后，根据工艺条件，加工质量的要求选择合适的加工路 径。进入 ug cam模块，打开 cad 模型文件（如图 5.1） 。使用操作导航工具设置加 工刀具、加工几何、加工方法等各项参数 61。参数设置完毕后，即可生成如图 5.2 所 示加工刀轨。 图 5.1 汽车覆盖件 cad 模型文件 图 5.2 汽车覆盖件加工刀轨 5.2.3 生成机器人代码 得到 nc 代码后，利用机器人轨迹生成软件生成适合机器人加工用的轨迹代码文 件。 图 5.3 为软件的人机交互界面。各项设置参数说明如下： 图 5.3 软件界面 华中科技大学硕士学位论文 4 1 源文件名：输入的 nc 数据文件名 输出文件名：输出的 jbi 文件名 x,y,z：机器人的初始点坐标 rx,ry,rz：机器人的初始姿态 user：机器人用户坐标系 tool：机器人工具坐标系 v：加工时行走速度 pl：机器人插补方式 空走速度：机器人空走速度 单击 浏览 按钮，弹出打开文件对话框（如图 5.4） 。选择要打开的 nc 文件。然后 选择输出文件。全部设置完毕后，单击“ 确定” 按钮。转换结束后，弹出如图 5.5 窗口， 提示文件转换完成。 图 5.4 打开文件对话框 图 5.5 转换结束界面 5.2.4 加工轨迹仿真 (1)rotsy仿真软件 rotsy(robot off- line teaching system of yasukawa)是基于微机应用的机器人仿 真软件，是日本安川公司专门针对 motoman 机器人开发的，能实现机器人末端执 行器的运行仿真，具有友好的人机界面和强大的功能。它具有机器人模型数据库，可 以直接调用不同型号的 motoman 机器人本体模型。并具有简单的 cad 造型功能， 能绘制工作台和简单的工件，进而建立仿真环境（图 5.6） 。对于复杂形状的工件，尤 其是有自由曲面的工件，在 rotsy中无法构建，只能在普通三维 cad 造型软件中进 华中科技大学硕士学位论文 4 2 行设计，然后转成 autocad 的 dxf 格式文件62,63。再通过 rotsy convet转换 模块将其转换成 rwx 格式，就可以在 rotsy中调用。 在仿真运行过程中，三维的仿真图像具有旋转、放大、移动等显示功能，能从不 同的方位观测仿真时工件、刀具和机器人的位置关系，以便于操作者观察。能实时地 显示刀具的运行轨迹，仿真结束后还能保留其痕迹。能够观察机器人实时运动情况， 以及末端执行器在机器人各坐标系中的坐标和转动角度，各个关节的脉冲数，同时显 示关节是否超限 64。 图 5.6 rotsy 仿真环境 (2)加工轨迹仿真实例 首先调用同实际应用一致的 motoman 机器人本体模型，并根据真实的工作台 尺寸绘制简易工作台，构建高速加工装置，然后将待加工工件的 cad 图形导入 rotsy，建立仿真环境。最后输入生成的加工轨迹文件进行仿真。 以图 5.1 所示汽车覆盖件模型为例，得到加工轨迹如图 5.7 所示。 华中科技大学硕士学位论文 4 3 图 5.7 轨迹仿真 5.3 加工实验及结果分析 5.3.1 陶瓷原型加工实验 选取如图 5.1 汽车覆盖件进行加工实验。刀具为 f 6 硬质合金铣刀，顺铣，工 件材料为陶瓷软性体。加工参数如表 5.1。加工路径的生成按难易加工区域分类，综合 了沿 x- y 轴与跟随周边的加工路径方法。图 5.8 为最后成形件。 表 5.1 加工参数 参数 方式 刀具 进给量 f 切削深度ap 进给速度 v 主轴 转速 粗铣 f 6 端铣 2mm 1mm 40cm/min 4800rpm 半精铣 f 6 端铣 0.5mm 0.5mm 40cm/min 4800rpm 精铣 f 6 球头 0.5mm 0.5mm 40cm/min 4800rpm 华中科技大学硕士学位论文 4 4 图 5.8 加工实例 5.3.2 粘土原型加工实验 选取如图 5.10 cad 件进行加工实验，其最大尺寸为 370mm325mm70mm。该 零件形状较复杂，具有斜面，圆角，圆弧沟槽，圆弧凸起等特征。加工过程分粗刮加 工和精刮加工两种。加工刀具为自制粗刮刀与精刮刀。 加工参数如表 5.1。图 5.10 为机器人粗刮加工路径。图5.11 为机器人精刮路径。 图 5.12 为最后成形件。 图 5 . 1 0 粗刮加工轨迹图 表 5.2 加工参数 参数 方式 刀具 进给量 f 切削深度ap 进给速度 v 粗刮加工 大刮刀 20mm 30mm 120 mm/s 精刮加工 小刮刀 6mm 10mm 80 mm/s 华中科技大学硕士学位论文 4 5 图 5.10 粗刮加工轨迹图 图 5.11 精刮加工轨迹图 图 5.12 加工实例 图 5.11 为粗加工后的粘土原型。可看出原型形貌基本加工到位，无过切现象，尺 寸付合进一步精加工的要求。由于加工过程中有少量泥屑留残在原型表面，一定程度 上影响了外观，并不影响后续精加工。 5.4 本章小结 本章进行机器人加工原型加工的实验。分别加工了粘土原型与陶瓷原型。根据实 验结果可知，对于粘土原型的加工，选取合适的加工参数和刀具，采用间接法生成的 加工路径，可以加工具有复杂特征的零件，加工精度满足后续精加工要求。对于陶瓷 原型的加工，根据实验结果可知，选取合适的加工参数和刀具，可以加工具有复杂特 征的零件，加工精度达到现有的商用快速成形系统的精度。 华中科技大学硕士学位论文 4 6 6 总结与展望 6.1 工作总结 本学位论文对机器人加工原型技术进行了研究。建立机器人原型制造加工系统， 设计了机器人原型加工刀具，并对分别对粘土原型材和陶瓷原型机器人加工路径进行 了规划，使用间接法生成机器人原型加工轨迹。对原型制造所需的粘土材料进行了研 究，研究了粘土材料的稠度、可塑性，并测量了粘土材料的收缩率。根据机器人原型 加工方法，设计了相应的加工刀具，进行了机器人加工路径规划。以间接法生成机器 人加工路径，并以 vc+为平台，完善了原有的从 nc2robot 加工轨迹转化软件。将生 成的轨迹文件在仿真软件中进行仿真后传到机器人的控制柜；最终实现了机器人陶瓷 原型与粘土原型的制造，论文主要研究成果如下： 1 以 motoman up- 20 型机器人为基础建立数字化机器人原型制造加工系统， 设计了针对不同原型材料加工的刀具，实现了对粘土原型的近成型加工，粗加工精度 达到2mm，不仅提高了原型加工效率而且降低了加工成本。 2 分别对粘土原型材和陶瓷原型机器人加工进行了路径规划。 结合原型材料与加 工刀具设定了机器人加工参数，使用间接法生成机器人原型加工轨迹。 3 研究了粘土原型材料的特性，研究了影响粘土原型成型的因素。测量了三种粘 土原型材料的收缩率，并实际比较了三种粘土原型材料的可加工性，得到不同粘土原 型的机器人加工参数。 4 对机器人加工陶瓷原型路径进行了研究， 得出了机器人精加工陶瓷型原型的路 径规划原则。研究结果表明按难易加工区域分类，综合四种加工方案的路径规划方法， 加工时间减少至 55 分种，从而验证了该加工路径方案的可行性。 5 用轨迹生成软件生成若干零件的加工轨迹，并进行仿真和加工。通过实际加工 获得陶瓷原型与粘土原型。加工后陶瓷原型精度及表面质量均满足要求，粘土原型满 足后续精加工要求，从而了验证机器人原型加工方法的可行性。 6.2 工作展望 对于粘土原型而言，粘土的加工参数越大，其加工时间越短且加工效率越高，但 同时成型精度会有所下降。为了进一步提粘土原型的加工效率和成型质量，需开展以 下研究： （1） 进一步对原型材料加工成型工艺进行研究，确立原型材料成型评定参数 华中科技大学硕士学位论文 4 7 （稠度、塑性指标、收缩率）与机器人加工参数（机器人进给速度、进给量、切削深 度）的关系。 （2） 原型材料加工设备与方法的完善。根据原型材料的加工特性，改进加工刀 具。研究机器人原型材料加工过程中刀具的受力情况，以及加工排屑问题。 （3） 机器人原型加工路径规划的研究，对原型按不同形貌进行分块进行机器加 工路径规划，提高机器人原型加工效率。 华中科技大学硕士学位论文 4 8 致 谢 本文的研究工作是在导师张海鸥和王桂兰两位教授的悉心指导下完成的，导师渊 博的知识、敏锐的洞察力、严谨的治学态度、不断开拓进取的精神以及对学生的严格 要求使我获益匪浅。导师对科学、对事业的追求进取精神时时激励着学生不畏艰难， 奋力拼博。在论文完成之际，特向张老师、王老师表示衷心的感谢，并致以崇高的敬 意！ 在课题研究过程中，博士生韩光超、孔繁荣，提供了非常大的帮助，在此表示真 诚的感谢。感谢锻压实验室陈茂全、黄汉明技师在实验中所给予的协作和帮助。感谢 博士生艾辉、胡帮友、杨云珍、夏卫生、蒋疆、邹海平、吴圣川、熊新红以及硕士生 赵涛等在课题研究期间和科研上给予的支持、合作和帮助！ 在攻读学位期间，得到师兄吴红军、易善军、任俊、姜从伟、胡勇、李廷中的帮 助，在此表示感谢。与同窗好友王琨、伍炜、吴昊、李艳丽、孙德文、刘权、张艳东、 杨国志、李海波、李飞、柳新来、余智明等互相帮助、彼此促进，共同度过快乐、难 忘的求学生活，在此一并致谢。 特别感激我的父母及家人，感谢他们学业上不遗余力的支持和鼓励，生活上无微 不至的关怀和照顾，以及对我的理解和包容，使我度过三年愉快的时光，顺利完成学 业。 感谢所有帮助和关心我的朋友、同学和老师们！ 华中科技大学硕士学位论文 4 9 参考文献 1 张海鸥, 徐继彭. 金属零件和模具的快速制造技术发展动向. 航空制造技术, 2002(4)：69 2 张海鸥, 韩光超, 王桂兰.快速制造模具技术. 中国机械工程, 2002(11)：4246 3 卢秉恒, 唐一平, 王平. 基于 rp 的快速制造技术. 全国 rp tung, pi- cheng. application of a rule self- regulating fuzzy controller for robotic deburring on unknown contours. fuzzy sets and systems, 2000，110（3） ：167174 34 郑文虎, 张玉林, 詹明荣. 难切削材料加工技术问答. 北京出版社, 2001年08月 第1版 35 于思远, 林滨, 林彬. 国内外先进陶瓷材料加工技术的进展. 金刚石与磨料磨 具工程, 2001（4）:2632 36 詹捷, 陈小安, 王永刚等. 工程陶瓷材料精密加工技术. 机械工艺师, 1998 （6）:1215 37 施进发, 孙建华, 胡中艳等. 基于机器人的软材料测量加工一体化技术. 通用 制造技术, 1999(4): 3940. 38 施进发. 基于机器人的软材料加工技术讨论. 机械制造, 1999(1)：2022. 39 r.f. hamade, f. zeineddine, b. akle, et al. modelangelo: a subtractive 5- axis robotic arm for rapid prototyping. 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