基于CAM的机器人抛光轨迹规划

1、第36卷 第5期2008年 5月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版J.Huazho ng U niv.of Sci.&T ech.(Natur al Science Editio nV ol.36N o.5 M ay 2008收稿日期:2007-04-27.基金项目:中国博士后科学基金资助项目(200704109330;材料成形与模具技术国家重点实验室开放基金资助项目(06-14.基于CAM 的机器人抛光轨迹规划韩光超1a,2b孙 明1b张海鸥2a王桂兰2b(1中国地质大学a 机械与电子信息学院,b 信息工程学院,湖北武汉430074;2华中科技大学a 机械科学与工程学院,b

2、 材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074摘要:在快速制造金属模具工艺中,采用工业机器人对具有复杂形状的模具型腔进行抛光加工,开发了基于CA M 软件模块的机器人抛光轨迹自动规划系统.该系统利用U G CA M 软件中的多轴铣加工功能模块获得型腔的表面信息,然后采用辅助区域驱动法在复杂型腔表面映射生成连续的多轴数控加工轨迹,然后根据抛光工艺要求调节工艺参数,并将多轴数控加工轨迹转化成机器人抛光加工轨迹.实验结果表明,该系统所生成的抛光轨迹可满足面向复杂模具型腔的机器人抛光加工要求.关 键 词:计算机辅助制造;抛光;工业机器人;轨迹规划;辅助区域;映射中图分类号:T P242.2

3、文献标识码:A 文章编号:1671-4512(200805-0060-03Polishing path planning for indutrial robots using C AM softwareH an Guangchao1a,2bSun M ing1bZhang H ai c ou 2a Wang G uilan2b(1a Co lleg e of M echatro nics Engineer ing,b F aculty o f Info rmation Eng ineering,China U niv ersit yof Geo siences,W uhan 430074,Ch

4、ina;2a Colleg e of M echanica l Science and Engineer ing,b State K ey L abo rato ry of M ater ial Pr ocessing and Die and M ould T echno log y,H uazhong U niversity o f Science and T echno lo gy ,W uhan 430074,ChinaAbstract :Industrial robots are used to po lish the mold cav ities w ith co mplex sha

5、pes in rapid metal to oling technolog y.An autom atic path planning system based on CAM (com puter -aided manufactur -ing mo dule is developed fo r robotic polishing pr ocess.T he surface inform ation of the cavities w as ob -tained through the mult-i axis m illing mo dule of the UG (unigraphicsCAM

6、so ftw are,and the mult-i ax is numerical co ntro l (NCmilling tr ack w as mapped by the assistant area driving method.The NC milling track w as finally transformed to the robotic po lishing path after the track w as adjusted by the parameter s accor ding to the requirement o f the robotic polishing

7、 technolog y.The experim ent result show s that the robotic polishing path generated by the system can m eet the requests of the robotic po -lishing fo r the co mplex m old cav ities.Key words :CAM;polishing;industrial robot;path planning;assistant ar ea;mapping 在模具表面光整加工工艺中,采用数控机床、工业机器人及相关技术的自动化抛光工

8、艺已成为目前研究和应用发展的一个重要方向.工业机器人抛光具有柔性大、加工方式和范围灵活的特点,因而与数控机床抛光相比更具优越性.同时由于抛光工艺作用力小,工艺去除量低,精度要求不高,正好避开了工业机器人刚性弱、精度差的缺点,这使得工业机器人非常适合于大型模具型腔的表面光整加工13.在快速制造金属模具工艺中,模具型腔的光整加工是影响模具制造速度的重要工艺环节.华中科技大学开发的机器人喷涂快速制造金属模具工艺,采用工业机器人和软质抛光工具对具有复杂形状的模具型腔表面进行光整加工4,5.本研究在此抛光工艺的基础上,开发基于CAM的机器人抛光轨迹自动规划系统.1机器人抛光加工系统机器人喷涂快速制造金属

9、模具工艺是以6轴工业机器人成形加工系统为核心,来完成快速制造金属模具的主要工艺环节,其中包括机器人直接成型耐高温陶瓷原型、机器人喷涂成形金属皮膜和机器人光整加工3大工艺模块6.在机器人光整加工中,采用软质抛光工具和游离磨料来对模具表面喷涂成形金属皮膜进行抛光加工.机器人抛光加工系统由工业机器人、数控转台、抛光主轴和软质抛光工具组成.工业机器人选用的是北京首钢MOT OM AN公司提供的UP20型6轴多关节工业机器人,高速钻铣主轴作为动力源来驱动抛光工具的旋转,抛光工具是由不织布纤维或者羊毛材质的软质抛光头和游离磨料组成.2机器人抛光轨迹的自动规划2.1型腔抛光加工信息的获取6轴工业机器人在抛光

10、加工过程中,每一点的加工坐标都由6个坐标值来表示,其中3个表示加工工具末端点位置,另外3个表示加工工具的姿态,即加工工具与3个坐标轴的夹角.目前,许多CAD/CAM软件都可以根据目标零件的CAD数据直接生成数控加工文件,在这些加工文件中都包含了零件的表面点的坐标及其加工刀具的矢量信息.本文选用UG NX软件,在其CAM 模块中,可以通过选择合适的加工方法和加工工艺参数来得到数控铣加工的加工轨迹文件,其加工轴数在多轴铣加工工艺模块中最多可达到5轴.在U G生成的5轴数控加工文件中,除了有轨迹点的三维坐标信息,还包含有加工刀具的姿态信息,即刀轴在加工点处与被加工表面的夹角.由于铣削刀具与工件表面直

11、接接触,并可与加工表面保持任意工艺角度,因此数控铣加工刀具与抛光加工中抛光头在运动方式上具有很大的相似性.本研究即根据这个特点,从多轴铣加工轨迹中获取加工零件的表面信息,并用于生成机器人抛光工艺的加工轨迹.2.2辅助区域驱动抛光轨迹规划在UG CAM中,多轴加工一般采用可变轴 曲面轮廓铣的加工工艺,其中最常用的是曲面区域驱动方法(surface area drive method7.这种驱动方法计算精确,适用于复杂曲面的加工,尤其适用于曲面的精加工.但是,该方法最大的限制在于,所加工曲面的CAD模型必须按行和列有序地排列,相邻的曲面必须共享同一条边缘,如图1所示.图1可变轴曲面加工中驱动曲面的

12、排列然而在实际应用中,由于模具型腔三维CAD 造型的习惯和方式因人而异,因此所得到的复杂曲面CAD模型很难满足有序排列或者共享一条边缘这样严格的条件,造成了多轴加工曲面驱动几何体的连续选择困难.特别是对表面曲率变化较大的复杂曲面,如图2中所示,只能对其中的各个小块曲面分别进行加工轨迹规划,从而难以对曲面区域进行连续选取并形成整体的连续加工轨迹.图2复杂形状模具型腔(部分为了克服U G CAM中对驱动几何体连续选择的严格限制,实现对复杂型面表面加工轨迹的整体连续规划,采用一种辅助区域驱动的方法来生成整体的抛光加工轨迹.首先,根据需要确定多轴加工的区域范围,在加工零件表面上选择或者在加工实体上重新

13、构造一个新的辅助表面,例如平面或者曲面,使得该辅助表面在被加工型面上的投影区域大于或等于需要加工的区域.然后,将该辅助表面作为映射和驱动几何体,并根据被加工曲面的曲率变化特点,分别采用整体区域驱动、局部区域驱动和不等间距轨迹驱动3种方法,在辅助表面上生成具有合理轨迹间距的驱动轨迹,并将驱动轨迹映射到被加工曲面上.最后在多轴#61#第5期韩光超等:基于CA M的机器人抛光轨迹规划加工模块中一次生成连续多轴数控加工轨迹.随着被加工型腔表面的曲率变化,各面片间的不同曲率会使得由辅助驱动区域映射到型腔表面的加工轨迹轴向与被加工表面不完全垂直.若曲率变化在允许范围内(如15b ,则可利用软质抛光工具的局

14、部变形来弥补,并不影响到实际的加工过程,此时可以采用整体区域驱动的方法来进行轨迹规划;若曲率波动过大,则需要将被加工区域进行分解,采用局部区域驱动和不等间距轨迹驱动的方法来生成合适的映射轨迹8.2.3 机器人抛光轨迹的自动生成在采用辅助区域驱动法生成多轴连续数控加工轨迹文件后,即可通过自行开发的机器人抛光轨迹规划软件,根据多轴铣加工轨迹文件中的加工点和刀具轴的方向矢量信息,以及机器人游离磨料抛光加工工艺要求对抛光轨迹参数进行设置,然后自动生成机器人的抛光加工轨迹文件9.所设置和调整的抛光工艺参数包括用户坐标系、工具坐标系、抛光速度、轴向预压量、工具补偿、工具偏转角度等.3 实验验证为了验证采用

15、上述轨迹规划系统所生成机器人抛光加工的轨迹的有效性,利用上述轨迹规划软件对快速制造的汽车覆盖件压边圈模具进行抛光加工试验.模具的CAD 图形及其所生成的部分抛光加工轨迹示意图如图3所示. 对成型后的图3 机器人抛光加工数模原形与抛光轨迹(部分示意图模具型腔表面进行机器人自动抛光加工试验,加工参数如下:抛光工具采用直径303m m 的不织mm,硬度约为H RC 50,材质为镍基不锈钢.根据自动规划的机器人加工轨迹,实现了模具的表面抛光加工,抛光加工后的压边圈模具型腔如图4所示.实验结果表明,所开发的轨迹规划系统可满足面向复杂模具型腔的机器人抛光加工要求 .图4 机器人抛光加工后的压边圈型腔参考文

16、献1H e Z ho ng yun,L u Bing heng ,H ong Jun,et al.A no -vel arc-spr aying ro bo t for rapid to olingJ.Interna -tio nal Journal o f A dvanced M anufacturing T echnolo -g y,2007,31(9-10:1012-1020.2Ry uh B S,Par k S M ,P ennock G R.A n auto mat icto ol changer and integ rated so ftwa re fo r a robot ic die polishing statio nJ.M echanism and M achine T heo -r y,2006(41:415-432.3赵学堂,张永俊.模具光整加工技术新进展J.中国机械工程,2002,13(22:1977-1980.4韩光超,张海鸥,王桂兰.基于游离磨料的机器人抛光工艺试验研究J.中国机械工程,2007,18(18:2152-2155.5张海鸥,崔同魁,韩光超,等.面向快速制造车身模具的机器人软质工具研磨工艺研究J.电加工与模具,2006(6:37-41.6韩光超,张海鸥,王桂兰.面向金属模