机器人模具抛光系统中抛光工具位姿研究

苏将兵，廖宏谊，成 军

（桂林电子科技大学 材料科学与工程学院，广西 桂林 541004）

抛光是模具制造过程中必不可少的工序之一。传统的模具抛光主要依赖于手工，劳动强度大，耗时长，抛光效率低，抛光效果也难以把握。具有广泛适用性的六轴关节机器人的出现，为实现模具的智能化、自动化抛光提供了可能。因而，基于工业机器人平台，开发适应模具自由曲面抛光的实用系统，已成为国内外致力研究的课题[1~4]。

抛光工具的位姿，受机器人抛光工艺中多个参数的影响，如抛光力、抛光倾角、抛光路径和机器人本身结构等，决定了抛光后能否达到预期的模具表面粗糙度的要求。本研究就抛光点的提取、抛光点和轨迹点的位姿计算，展开分析和讨论。

1 模具加工表面抛光点的生成和提取

为了生成用于机器人抛光用的轨迹点数据，首先通过CAD/CAM软件，生成模具加工表面的刀轨和数控点位数据[5]，然后通过本研究编制的点位数据，生成系统提取点位数据。通过合理配置数控点位数据的产生，可以使这些点位数据中含有足够的信息，用来生成工业机器人用的点位数据。

2 工业机器人抛光过程中抛光工具位姿计算

关节机器人在抛光模具表面或型腔时，抛光工具沿着抛光轨迹行走，其微观行为是连续地在轨迹上相邻两点之间直线或圆弧插补移动。通常在抛光工具的球头的球心处，建立一个坐标系，用于表示抛光工具的位姿。球心的运动轨迹，即为抛光工具的运动轨迹。轨迹点与抛光点是不同的，轨迹点在球心的运动轨迹上，而抛光点为抛光工具与模具加工表面的实际接触点。

2.1 模具加工表面抛光点的位姿计算

抛光点的位姿计算，依赖于抛光方向和加工表面的法线方向。抛光点位姿的计算方法为：首先通过六轴机器人模具抛光路径规划系统中的点位数据提取功能，提取模具加工表面中抛光点的坐标和法向矢量，以法线矢量作为抛光点的坐标的z轴，则x轴的方向为

y轴的方向，由右手旋转法则得出

模具加工表面抛光点位姿见图1。

图1 模具加工表面抛光点位姿

2.2 抛光工具运动轨迹中轨迹点位姿的计算

抛光工具的轨迹点的位姿计算，依赖于抛光工具的球头半径、抛光工具的下压量和相应抛光点的位姿。设抛光工具的球头球心所位置为oi，球头半径为r，抛光工艺要求的下压量为Δh，抛光倾角为α。计算抛光工具轨迹点位姿时，保证抛光点和抛光工具轨迹点的x轴同向，如图2所示，其中{S}为全局坐标系。

图2 抛光工具轨迹点位姿与抛光点位姿

从而可得在全局坐标系{S}下，模具加工表面抛光点Pi处抛光工具的位姿的齐次矩阵为SToi：

其中，STPi为抛光点位姿{Pi}相对于{S}的齐次变换矩阵。

3 抛光工具的位姿和路径生成

本研究选用UGNX7.5软件作为初始点位数据生成软件，生成的模具加工表面的路径的刀位源数据保存在CLSF文件中，使用Visual C++2008开发平台，通过MFC和正则表达式技术，从CLSF文件中提取模具表面的点的坐标和法向矢量（图2），然后通过位姿算法，计算适用于IRB2400L型机器人轨迹点的位姿，然后通过自编的路径规划软件，生成相应的轨迹。

图3 从CLSF文件中提取抛光点

CLSF文件中刀具移动指令为GOTO指令，具有如下固定格式：

GOTO/-84.7990，-240.8450，93.4380，0.1749487，0.0900292，0.9804528

其中，

-84.7990，-240.8450，93.4380 为刀具的刀位点；

0.1749487，0.0900292，0.9804528 为刀具轴的矢量方向，可设置为刀位点处的法线方向。

而ABB六关节臂机器人的非线性移动指令为MoveJ，具有如下指令格式：

MoveJ Target_10，v100，z100，My NewToolWobj=wobj0；

其中，

My NewTool变量，定义了相对于机器人第六轴坐标系的抛光工具的TCP（工具中心点位姿）；

Target_10变量，包含了轨迹点的位姿等其他数据；

ν100变量，定义了移动速度；

z100变量，定义了抛光工具以任何方式在两个轨迹点间移动。

点位数据生成系统首先提取GOTO中的刀位点的坐标和刀轴矢量，然后通过抛光工具位姿算法变换为轨迹点位姿，并通过相应算法生成ABB机器人MoveJ指令。

4 结束语

由于商业化的工业机器人的封闭控制结构，而抛光工具位姿须预先给定，在抛光过程中也不能微调，因此抛光过程中轨迹点的间隔，应当随模具加工表面曲率的变化而进行调整。曲率变化剧烈的表面，轨迹点密集，变化缓慢的表面，轨迹点稀疏一些，这样才可以保证抛光表面的粗糙度要求。

抛光机器人的各关节角，均在一定的角度范围之内，如ABB IRB2400L机器人第三个关节轴的可动范围为（-87.03°～37.97°），而第六关节轴的关节角的可动范围为（-400°～+400°），因此抛光工具的可达位置为三维空间的一个子域，并且还存在一些奇异点位姿。因此这需要通过Robot Studio仿真验证，修正一些不可达的点位姿。

[1]J J Márquez，et al.Process Modeling for Robotic Polishing[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2005,(159)：69–82.

[2]Luis Basanez，Jan Rosell.Robotic Polishing Systems[J].IEEE Robotics&Automation Magazine,2005，(9)：35-43.

[3]Fusaomi Nagata，et al.CAD/CAM-based Position/Force Controller for a Mold Polishing Robot[J].Mechatronics，2007，(17)：207–216.

[4]韩光超，张海鸥，王桂兰.面向金属模具快速制造的机器人成型加工系统[J].机器人，2006，28(5)：515-518.

[5]温 正，魏建中.精通UG NX 6.0中文版数控加工[M].北京：科学出版社，2009.

[6]蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.