钣材切割的机器人系统

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1引 言
; H  i2 A& v% W8 \9 h0 Q　　用等离子割矩进行钣材的切割尤其是钣金展开料的切割是一件困难的作业。首先得作出展开图的样板，再依样板进行切割。手工作业往往难以达到零件的准确廓形且造成材料的巨大浪费。建立钣金零件的信息模型，从而进行自动化切割是一个具有重要工程意义的研究课题。
6 n, Q' q9 M4 I6 |; H$ Q  t$ W　　国内外对钣金切割技术的研究大都集中于应用CAD和CAPP技术。TRUMPF公司的拼料软件用APT语言编程输入，速度较慢，还需专门的技术人员操作。邓建春等人建立了钣金零件信息模型[1]。他们把钣金零件的特征分为结构特征、材料特征和管理特征。而这些特征又可下属另一些子特征，从而形成一个树状的特征信息模型。孔永明等人建立了基于微机的钣料自动排料与下料系统[2]。用户输入钣料的几何参数。微机完成钣料的排样。黄健等人建立了集CAD／CAM／CNC于一体的钣材下料系统[3]。这个系统要求用户在AUTOCAD环境下输入数据。利用DXF文件提取工件廓形数据，由工控机386控制机械系统完成切割。
　　该平面多关节机器人可以用来完成钣料的自动化切割。计算机的实时多任务操作系统把管理作业分为前台和后台。此系统依人机对话方式从用户得到立体形状的几何参数，可以自动完成表面展开料的排料。当用户下达命令后，机器人即可自动进行切割。
; `( w, b3 ]9 X5 C1 O: n9 @' G2 F; k6 [　　　2系统设备
. x  \  S% D9 R& W( E7 k4 _8 X　　2.1机器人操作机
　　此操作机为一吊挂式平面多关节机器人操作机。其基本构形，如图1所示。操作机的主柱吊挂于梁上。大臂可绕立柱轴线回转，运动范围为±180°。小臂位于大臂下端且可相对于大臂作回转运动，运动范围为±130°。小臂前端有一滚动花键和滚动丝杆复合轴，在轴端固定割矩。复合轴可以相对于小臂作回转运动和升降运动。回转运动范围±180°，而升降运动范围为0～150mm。

- E9 ~6 {. m$ v1 {图1机器人操作机外形示意图
9 x" T$ S) W! h　　所有关节的运动都由交流伺服电动机驱动，由光电编码器进行位置反馈。第一、二关节的运动传递是由电动机通过同步齿形带带动中空RV减速器的输入轴，RV减速器的输出轴带动相应的臂作回转运动。采用中空的RV减速器是为了实现动力线和信号线的内部布置，防止运动时的缠绕。第三、四关节的运动由两个电动机分别通过同步齿形带带动螺母和花键套回转。
1 ^! `( m3 R- R; [- q　　除第一关节只有软件限位以外，其他关节都采用层套式限位机制。最内层为软件限位，再向外依次是光电限位和机械限位。
　　2.2计算机管理和控制系统
! p2 O4 r& X( B+ `　　计算机管理和控制系统主机使用1台工控机486。用户可以通过键盘或鼠标与计算机进行人机对话，输入立体的几何参数和钣材参数。
: a. O" t) v( t: _　　机器人控制系统是由工控机486及2个位置伺服卡PCL-832组成，每个PCL-832卡具有控制3个轴的能力。在这里一个卡控制Jθ1和Jθ2，另一个卡控制Z轴和W轴。Jθ1轴和Jθ2轴可以联动作插补运动。由于第三、四关节为复合轴，Z轴可以单独作升降运动。而W轴作回转运动时，Z轴应作协调运动，以保持Z坐标值,如图2所示。
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- n7 [' e$ v! s2 j1 p! N图2一个轴的控制框图
　　2.3软件设计
　　为了实现多线程采用实时多任务操作系统。用户在前台进行人机对话的同时，机器人控制软件仍可在后台运行，进行切割作业。监视器显示基于Windows的界面。主菜单可以弹出下拉式菜单或有模式对话框。
　　主菜单选项有文件、模式、参数、排样、校准和切割。
' s( Q5 t0 a& F7 ~　　文件的下拉式菜单选项有新建、打开、保存、打印、删除等选项。其含义和工作情况与一般Windows菜单中的文件选项基本相同，用于建立排样结果的数据文档。
　　模式的下拉式菜单选项为初始化、离线(off-line)、在线(on-line)。初始化用于确定机器人切割时的初始位置。选择离线时，不进行实际切割，计算机只是显示机器人切割运动的仿真图用于预览。选择在线时，显示的机器人运动轨迹图形是根据位置反馈信息通过机器人位置正解得到的。
　　参数的下拉式菜单选项是由立体表面展开特性来分类的。如第一级子菜单为平面立体，可展曲面立体和不可展曲面立体。第一级子菜单又可分为其下属的子菜单等。
# r4 X- x" R+ _  ^) \! \. m5 \　　排样的下拉式菜单又分为编辑排样和自动排样。编辑排样是人工参与的手工排样。其操作与字处理系统编辑的操作类似。自动排样是计算机自动进行。
. u1 t4 {! L% l　　校准菜单可以弹出一个对话框。由用户根据钣材的定位情况输入适当参数。钣材的尺度不同，可以将其放置于机器人工作空间的不同区域。
$ B6 T) Z/ n+ ]' c　　切割菜单也可以弹出一个对话框。由用户输入钣材材料、钣材厚度、切割速度和从点火到吹扫之间的延时时间等。
　　3钣金展开料样本的自动生成
　　钣金制造的立体表面可由平面和曲面组成。而曲面又可分为可展曲面和不可展曲面。
0 y5 Z  C; s8 Q& f　　对于可展曲面，采用解析画法几何方法来求出其展开图廓形。以两相贯曲面立体的展开图解法为例，说明算法步骤。
　　首先，分别为两个曲面建立局部坐标系O1-X1Y1Z1和O2-X2Y2Z2。并在这两个局部坐标系中分别建立这两个曲面的参数方程。
( {$ H. A& Q  h) U8 ]. @; R0 A　　第二步，推导出两个坐标系之间的坐标变换。从而得出某曲面在另一个坐标系中的表达式。
- @% N! ^) c7 X　　第三步，由在同一坐标系两个曲面的联立方程可以得出相贯线的数学表达式。这条相贯线在两个局部坐标系中的表达式一般是不相同的。
' P9 i* e1 _; B  P8 c  _$ U　　第四步，用侧滚法得到两曲面在各自局部坐标系的展平曲线方程。
　　第五步，计算出当展开参数取一系列离散值时所对应的展开图廓线坐标值，并存储这个数据文件。
　　对于不可展曲面，则根据曲面总曲率的值进行分类，当曲面总曲率的值较小时，用测地线法作近似展开。当总曲率趋近于零值时，曲面的展开性能较好，采用整体展开法。这样可以充分利用钣材。当总曲率稍大时，整体法不能使用，则把曲面划分成多个小片。每一小片作近似展开，制作时则把小片拼装成整体。它们的接缝在拼合过程中有不同程度的间隙，这些间隙部分地补偿了曲面加工的工艺收缩量。本文中以分段法截线模拟测地线。
　　对于传统上应用较好的一些不可展曲面的近似方法可以直接套用，如球面，螺旋面等。对于不便用测地线法的用三角形剖分法。
# n0 e! @6 g- |! k) ?6 l0 M　　由于实际应用的钣金制品型式繁多，表面方程也较为复杂。本文基本上采用枚举法。在计算机里存入了20余种常见钣金件和相贯立体表面的展开图算法。用户只需输入几何参数。
　　系统是开放的。用户可以自己建立某种立体表面的展开算法，只要采样点的数据存储格式满足要求，机器人系统就能实现切割。对于用CAD设计的其他钣金件廓形图，得需建立采样点算法，并把采样点数据依格式存储，就能实现切割。
- |1 y- C* n# X8 B8 }% \　　4机器人坐标变换和切割轨迹
　　为了实现切割，必须实现钣材坐标系到机器人外部坐标系和从机器人外部坐标到关节坐标系之间的两个变换。板材坐标系到机器人外部坐标之间的变换为简单的平移变换，与板材的定位有关。而从机器人外部坐标系到关节坐标系之间的变换需要求解机器人运动学逆问题。对SCARA型平面多关节机器人有两种构型:左手型和右手型。如图3示，实线为右手型。虚线为左手型。一般位置逆问题有两组解，分别对应于两种构型。为了避免机器人位姿的突然跳变，应从运动连续性准则从两个解中选取一个。
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图3机器人运动学位置示意图
　　钣金展开图采样点坐标值集合提供了钣材坐标中的切割轨迹插补点。经两次坐标变换后，将其变换到关节坐标系。关节运动控制的二次插补功能利用PCL-832内部提供的线性插补功能来实现。廓形插补点关节脉冲值和功能标志填写框图，如图4示。位置反解计算公式仅以第一象限右手构型为例。
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图4 廓形插补点关节脉冲值和功能标志填写框图
　　5结论
　　钣金展开料切割的机器人系统与直角坐标机器人相比，操作机重量减轻约三分之一，占地空间大为减小，而工作空间大、动作灵活。开放式的计算机管理系统为用户提供了便利。内插PCL-832伺服位置卡的工业控制机增加了系统可靠性。本机器人用于不锈钢钣材展开料的等离子切割，提高了廓形精度，节省了大量的贵重材料。
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