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• 關鍵詞： 機器人應用 五軸連動機器人 六軸連動機器人 激光噴丸
• 摘要：本文介紹了五軸聯動機器人和六軸聯動機器人在激光噴丸中的應用，詳細介紹了其控制系統的構成、工作過程、功能及應用效果，可供參考。

　　一、引言

　　激光噴丸可以用來增加零件的強度及消除應力，主要用于航空發動機葉輪等。通常噴丸要對整個物體的龍闊進行，也有對整個面進行噴丸。對單個發動機葉片類零件的噴丸相當比較簡單。但對整個葉輪的每個葉片都進行噴丸時就比較難，激光的發射角固定，而要對葉輪進行轉動和位移來確保激光能打在葉片表面理想位置。為了對每個葉片的主要部位都能進行噴丸處理，就要求對整體葉輪進行復雜的運動。通常至少是對其進行五軸五聯動運動，最好是六軸六連動運動，這樣才能實現無遮擋的理想噴丸。為了滿足上面的噴丸要求，沈陽萊茵機器人有限公司開發了兩臺五軸五聯動機器人和一系列六自由度混合型機器人。我們采用了高檔，開放式六軸多通道控制系統。幾臺五軸五聯動機器人系統已經連續可靠運行了三年，六自由度混合型機器人運行也非常平穩，可靠。本文簡單介紹五軸連動機器人和六軸連動機器人。

　　二、五軸連動機器人

　　根據用戶對機器人強度高，負載大，運動精度高等要求及人工裝卸零件的方便性和光路要求，我們設計了兩款五軸連動機器人。它們的結構原理上相同，主要由一個龍門式三軸直角坐標機器人和兩個轉動軸組成。由于負載重，直角坐標機器人的Z軸采用了如圖2所示的雙Z軸滾珠絲桿同步驅動。

　　直角坐標機器人的三個直線運動軸除了采用防塵防水的鋼帶防護，里面的全部零件都不怕水，能保證機器人長期工作。圖3中的機器人是萊茵機電三年前交付給用戶，運回維護保養的五軸聯動機器人。

圖1是由一個典型的3D懸臂直角坐標機器人和關節機器人的三個末端關節組成的混合型六自由度機器人。

　　圖2是要馬上發貨的五軸連動機器人。

　　圖3是無故障工作了三年，回廠保養的五軸聯動機器人。

　　五軸聯動機器人的第四個軸是安裝在Z軸下端，以Z軸為軸心的轉動軸，叫A軸。A軸主要由高精度交流伺服和反向間隙小于0.5弧分的緊密減速機組成。A軸帶動轉動軸B以水平面為軸轉動。B軸也主要由高精度交流伺服和反向間隙小于0.5弧分的緊密減速機組成。

　　三、五軸聯動機器人的控制系統及電箱

　　由于五軸聯動機器人的Z軸采用雙Z軸滾珠絲桿同步驅動方式，共計采用了6臺伺服電機。我們采用了沈陽萊茵機器人公司自己開發的，基于ARM的嵌入式8軸連動控制系統。為了雙Z軸的嚴格同步，在FPGA里面兩路伺服電機位置環控制信號由同一路控制信號控制。如圖4所示，該嵌入式8軸連動控制系統帶CAN總線,RS485接口和以太網接口，支持Modbus通信協議。可以鏈接常見的觸摸屏和工控機。所有IO口帶短路保護及擴展，還可以很方便搭建成主從時式分布式控制系統。該控制系統是萊茵機器人十多年開發積累的，已在織布機的電送點卷，包裝機和火焰切割機上批量連續可靠工作多年的嵌入式系統。該系統有是一個高度開放的控制系統，可以方便修改，增添功能，及用戶自己二次開發。

　　四、工作過程

　　由于激光束的方向是不能改變的，必須控制被噴丸的工件如此精確平穩運動，確保激光束在要被噴丸處理的區域，按要求的軌跡和順序噴丸。為此采用示教方式工作，各個軸間可以同時聯動和獨立運動。激光系統可以放出一個幾乎沒有任何能量的激光點，我們稱為參照激光點。參照激光點的方位與噴丸的激光束完全一樣。示教時，先手動運動使參照激光點照到要被噴丸處理的軌跡上，然后確認該點為有效點。示教時操作者可以用手動操作器在被噴丸零件邊上邊看看控制運動。但出于安全考慮，操作員也可以借助高分辨率高清晰的視頻監控系統來控制參照激光點在零件上的位置。系統自動記錄下這些有效點對應機器人各種軸的位置，然后上位機離線自動生產噴丸運動軌跡，自動優化各個軸在各個點的運動分量，使運動過程平穩高速。可以對噴丸軌跡進行圖示，局部放大，優化噴丸順序，刪減等操作。

　　如果能得到被噴丸零件的3DCAD數據，給出噴丸信息后，借助CAM軟件可以自動生成運動軌跡。但通常出于保密等原因，通常是得不得對應的3DCAD數據。

　　五、六軸連動機器人

　　對于復雜的整體葉輪等采用六軸聯動機器人會更方便。圖4是混合型六軸聯動機器人的結構形式之一，它由三個直線運動軸，兩個轉動軸和一個擺動軸組成。其中三個直線運動軸是典型的懸臂型直角坐標機器人，也可以是圖2中所以的龍門式三維直角坐標機器人。在上下運動的Z軸下端帶動一個旋轉軸，旋轉軸帶動一個擺動軸，擺動軸末端再帶動一個旋轉軸。最末端的旋轉軸帶動手爪。由于兩個旋轉軸和一個擺動軸其實就是關節機器人的末端三個運動軸，所以六軸混合機器人就是三軸直角坐標機器人加上關節機器人的三個最末端運動軸組合而成。根據實際應用需要，混合型機器人的直線運動軸也可以是二維的XY軸結構或XZ軸結構，也可以是龍門式結構。其各個直線運動軸的行程及承載能力可以按要求去做。而兩個轉動軸和一個擺動軸組成也可以按需要僅選擇一個轉動軸，如從生產線把箱體碼垛到托盤上，也可以是一個轉動軸和一個擺動軸及其他組合。

　　圖4：混合型六軸聯動機器人示意圖

　　六、六軸聯動機器人的控制系統

　　六軸聯動數控系統是一個高度開放，功能強大的數控系統。其控制軸數最多可以達64軸，它可以是單通道數控系統，也可以設置為多通道數控系統。可以以脈沖方式，總線通信方式和模擬量方式控制運動軸和主軸，強大開放的PLC功能可以按用戶要求來配置。其軟件功能非常豐富，包含有幾乎任何常見的G代碼和M功能。操作界面人性化及按用戶要求來定制。系統插補周期短，可視化PID調節功能高效簡單。而且還可以擴展增加電子凸輪來實現活塞車等功能特種車銑功能。

　　主要功能：

　　1）測量功能

　　五軸機床含兩個擺動/旋轉軸，兩個軸的轉動中心點坐標及與三個直線軸間的夾角統必須精確獲取。通過測量自動計算出這些數據。

　　2）刀具中心點控制功能（RCTP）

　　五軸加工中心所用的程序由CAD/CAM軟件產生，大多數系統的程序是基于刀具中心點編寫的程序。但當換刀時中心點位置變了，就要重新生成程序，非常不方便。而基于刀尖中心點編程，即物體表面3D位置（X,Y,Z）和該點的刀尖方向（A,B）的編程就僅與被加工的物體幾何尺寸有關，而與刀具長度和機床結構沒有關系。RCTP功能就是把基于物體表面3D位置（X,Y,Z）和該點的刀尖方向（A,B）的程序自動分解成各個軸的運動。

　　3）該系統可以適合工作臺上帶有兩個旋轉軸，或加工刀具上(主軸)帶兩個擺動軸，或工作臺上帶有一個旋轉軸，而加工刀具上(主軸)帶一個擺動軸結構形式的五軸機床。4）3D刀具補償功能保證在加工過程中換刀時軟件自動計算補償刀具半經變化帶來的軌跡位置變化。該功能避免了換不同半徑的刀具時要重新生成加工程序。5）傾斜軸功能保證了機床的X,Y和Z軸間可以是任意角度，而該功能自動換算出編程時相互垂直的X,Y和Z軸。還可以克服X...工作臺上帶有兩個旋轉軸，或加工刀具上(主軸)帶兩個擺動軸，或工作臺上帶有一個旋轉軸，而加工刀具上(主軸)帶一個擺動軸結構形式的五軸機床。

　　4）3D刀具補償功能保證在加工過程中換刀時軟件自動計算補償刀具半經變化帶來的軌跡位置變化。該功能避免了換不同半徑的刀具時要重新生成加工程序。

　　5）傾斜軸功能保證了機床的X,Y和Z軸間可以是任意角度，而該功能自動換算出編程時相互垂直的X,Y和Z軸。還可以克服X,Y和Z空裝配誤差，起到軟件補償功能。

　　6）該系統包含有多通道多軸控制系統，可以控制特殊復合機床，實現一次裝夾多工序全自動加工。她能使特種復合加工中心及生產線實現高效高精密加工。

　　七、結論

　　這類六軸聯動混合型機器人本質上是來自一些應用需要，綜合了直角坐標機器人的關節機器人的優點，具有下面的主要優點：

　　1、極大擴展了工作空間，X軸的工作行程可以達到100米長，Y軸可以達到10米。

　　2、承載能力更強，特殊結構可達2400Kg。

　　3、工作精度更高，直角坐標機器人部分可以采用精密滾珠絲杠傳動，重復定位精度可達0.01mm，甚至更高。

　　4、結構形式多樣性，直接坐標機器人可以按需要選擇龍門式、懸臂式、壁掛式等。同時可以增減旋轉軸和翻轉軸，構成五到八自由度機器人。

　　5、能替代關節機器人，完成打磨倒角，焊接，上下料額碼垛搬運等任務。

　　6、成本低，控制簡單，易于維護。

　　上面是其主要的優點，在打磨倒角，機床上下料，大型零件焊接，碼垛搬運等工作中有關節機器人無法比擬的優點。可以在幾乎所有的應用中取代關節機器人。