机器人在模具加工中的应用研究

张永超

驻马店技师学院

机器人在模具加工中的应用研究

张永超

驻马店技师学院

自工业革命以来，人与机器的关系就一直受到关注，新机器的出现总会伴随着对大量失业的担忧。但是，工业化的历史中并没有出现因机器造成的长期的、大规模的失业，技术进步总能创造出新的适合人类劳动者的工作岗位。机器人出现之后，人机关系有了新的内容，机器和人类劳动者在岗位上再次调整分配结构，同时，人与机器的关系也由原来的操作者与操作对象向合作伙伴发生转变。目前，机器人具有柔性好、自动化程度高、可编程性、通用性等特点，已经广泛运用到工业加工制造的各个方面。本文就对机器人在模具加工中的应用进行分析和探讨。

机器人；模具加工；应用

1 机器人发展趋势和特点

机器人的发展趋势是向“高速，高精，重载，轻量化和智能化”方向发展。JSME2008年度日本机械学会从技术重要性不断增强的机器人领域的角度，对机器人的平均功率比密度、精度、智能化水平等关键参数进行了分析与预测(－2030年)。在对绝对准确有要求的机器人设计中，经过不断改进，绝对精度可能会接近重复定位精度。通过材料技术的进步，减轻驱动器质量，提高刚度，提高伺服电机和驱动器的平均功率比密度。因此，机器人技术有如下特点:

1)机器人集精密化、柔性化、智能化、软件应用开发等先进制造技术于一体，通过对过程实施检测、控制、优化、调度、管理和决策，实现增加产量、提高品质、降低成本、减少资源消耗和环境污染，是工业自动化水平的最高体现。

2)机器人与自动化成套装备具备精细制造、精细加工以及柔性生产等技术特点，是继动力机械、计算机之后，出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具，是实现生产数字化、自动化、网络化以及智能化的重要手段。

3)机器人与自动化成套装备是生产过程的关键设备，可用于制造、安装、检测、物流等生产环节，并广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业，应用领域非常广泛。

4)机器人与自动化成套技术，融合了多项学科，涉及多项技术领域，包括机器人控制技术、机器人构建有限元分析、激光加工技术、智能测量、建模加工一体化、工厂自动化以及精细物流等先进制造技术，技术综合性强。

2 机器人在模具加工中的应用

2.1 轨迹规划

模具加工生产过程中，机器人要完成多种运动轨迹以符合生产过程。机器人生成的运动轨迹直接影响零件加工精度及形状等，为了得到更好的加工质量，机器人轨迹规划研究有着不可替代的作用。为此，研究人员针对机器人模具加工轨迹规划进行了相关的研究，提出了一种面向复杂曲面加工的机器人轨迹生成算法，借助CAD/ CAM技术完成复杂曲面的建模，根据三角面片各点坐标在切片方向上投影的最大和最小值反求与此三角面片相交的切平面，并对三角面片分组，然后推导出三角面片边上相邻交点的增量公式，最后通过机器人编程得到复杂曲面的加工运动轨迹。该算法实现了任意复杂曲面加工轨迹的生成。模具加工往往有着不同的机械结构，复杂性程度高，因机器人的自动化程度高，以成熟的CAD/CAM技术应用为基础，结合计算机技术及精密设备的发展，从而进行轨迹规划和优化，将是提高模具加工质量的一个重要方面。

2.2 离线编程

机器人是一个可编程的机械装置，其功能的灵活性和智能性很大程度取决于机器人的编程能力。在模具加工中，应用范围持续扩大的同时，工作复杂程度也不断增加，可以代替数控机床加工复杂曲面等。示教编程过程繁琐、效率低，难以完成对复杂路径的规划，而离线编程无需机器人本身及其控制系统参与，可根据不同的工件加工信息进行外部程序编制。例如，以UGNX为CAM基础的机器人加工系统，利用NX数控加工功能产生相应的切削加工轨迹及G代码，应用C++及后置处理POST将加工G代码转换成机器人能够识别并加工的代码(TCL)。还有以R EIS R V16机器人为仿真加工平台，建立切削加工机器人的原型系统，对其后置处理过程的坐标系变换、运动学求解、冗余自由度和奇异点回避问题进行推导和论述。建立切削加工机器人的仿真和后置处理系统平台，并完成2D和3D样件的加工。随着计算机技术的逐步完善，强大的图形处理能力和计算能力为机器人模具加工离线编程技术的发展提供了良好的发展平台。

2.3 加工精度与误差补偿

精度不仅是衡量模具加工系统整体性能的一个重要标准，而且将直接影响到工件的加工质量。如何提高机器人的加工精度，关系到整个机器人加工系统的应用，不再局限于低精度要求的加工任务。加工精度的改善和误差补偿机制可大幅度提高加工效率和质量，降低产品开发周期，对于提升我国模具加工技术水平具有重要意义。

2.4 刚度

刚度是机器人性能优化极为重要的方面，对机器人加工质量与加工稳定性具有重要影响。虽然机器人可替代传统CNC设备进行模具加工，对于一些高精度、刚度要求的生产过程，其应用仍有一定的局限性。为解决这类问题，对此进行了相关的研究。例如，基于一种机器人加工系统刚度性能优化方法，基于传统刚度映射模型，通过辨识实验获得机器人关节刚度;约束机器人加工位姿、关节角度，以机器人末端刚度椭球沿待加工曲面主法矢方向的半轴长度为优化指标，采用遗传算法进行机器人姿态优化。

结语

目前，已有大量的中国企业投身机器人技术的研发和机器人的制造。以美国为代表的发达国家，也着力加强机器人在传统制造业中的应用，希望通过原有工业基础优势，加速形成生产自动化竞争优势，彻底解决劳动力障碍，重新夺回制造业特别是长期已经放弃的日常用品制造业的霸主地位，促使外移产业回迁。应该引起重视的是，在机器人关键技术，特别是关键零部件技术方面，发达国家仍处于技术垄断地位，中国机器人技术的发展，仍面临欧美日等发达国家的重大挑战。

[1]赵春光.微小研抛机器人运动与加工系统研究[D].吉林大学,2009.

[2]滕冠.数控加工技术在模具制造中的应用[J].科技传播,2011,12: 185+192.