摘 要：根據(jù)機械加工的要求，提出了切削加工機器人的結(jié)構(gòu)方案，對切削加工機器人的加工運動進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：切削加工　機器人　結(jié)構(gòu)方案　運動分析 1 引言 一提到工業(yè)機器人，人們就會聯(lián)想到工廠里能搬運材料、工件或夾持工具的操作機。但是，目前這一概念已發(fā)生了變化。如日本將現(xiàn)有工業(yè)機器人用來完成研磨、刮研、磨削、去毛刺等機械加工作業(yè)〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕，由于是采用了傳統(tǒng)的機器人結(jié)構(gòu)，致其剛性差，精度低。最近作者開發(fā)了一種SCR6-1切削加工機器人，具有柔性高、加工范圍大、剛度和精度高等特點。本文在介紹SCR6-1切削加工機器人的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分析研究了切削加工機器人的加工運動。 2 切削加工機器人的結(jié)構(gòu)分析 切削加工機器人與一般的工業(yè)機器人搬運、抓取不同，其基本功能是提供金屬切削加工所必須的運動和動力。基本工作原理是：通過刀具與工件之間的相對運動，由刀具切除工件表面多余的金屬材料，形成工件加工表面的幾何形狀、尺寸、并達(dá)到其精度要求。 一般工業(yè)機器人主要要求靈活性高（要象人的手臂那樣靈活），對剛度及精度要求不高，因此大部分機器人的運動全部由機器人的操作機（主機）完成，作業(yè)對象一側(cè)僅完成一些定向、轉(zhuǎn)位等輔助運動。切削加工機器人的功能與普通機器人不同，是用來進(jìn)行切削加工的，其運動分配的原則應(yīng)同時考慮剛性、精度及靈活性等要求，因此本研究所開發(fā)的切削加工機器人采用了運動功能由刀具側(cè)和工件側(cè)雙方承擔(dān)的運動功能分配方案，避免因手臂過長引起剛度下降。 根據(jù)切削加工機器人的運動功能分配方案，開發(fā)了SCR6-1切削加工機器人，如圖1所示。該機器人采用了模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要來組成多種形式的結(jié)構(gòu)布局。對于加工型腔內(nèi)表面存在刀桿與工件非加工面和刀具與加工面干涉的情況，SCR-1型切削加工機器人與直角坐標(biāo)機床相比具有獨特的柔性。 3　切削加工機器人的運動分析 切削加工機器人可以用一個閉環(huán)關(guān)節(jié)鏈來建模，此鏈由數(shù)個彈性體用以驅(qū)動器驅(qū)動的轉(zhuǎn)動或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。鏈的始末點為切削點（即工件加工表面與刀具的接觸點），始點一端安裝著工件（工件裝在夾具上），終點一端安裝著刀具，用以完成加工任務(wù)。 實際上，在加工過程中由機器人——夾具——工件—刀具組成了一個工藝系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，刀具切削刃與工件被加工表面相接觸，通過兩者之間的相對運動實現(xiàn)對零件表面的加工。為此，我們把由機器人、夾具、刀具、工件及及被加工表面看作為一個封閉的連環(huán)，如圖2所示。在本研究中，根據(jù)SCR6-1切削加工機器人的結(jié)構(gòu)建立了如圖3所示的計算模型，各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)如圖4所示。可以把圖3中的加工系統(tǒng)分成兩部分：一部分從機器人一部件到機器人的另一部件，即從o1經(jīng)o2，o3，o4，o5到o6。這一部分對確定的機器人來說是固定不變的，把從o1→o6的坐標(biāo)變換記為〔1T6〕；另一部分從機器人的一個部件經(jīng)工件、刀具到機器人的另一部件，即o1→ow→os→op→o6，把從o1→o6的坐標(biāo)變換記為〔1T6〕＇。其中，oi—xiyizi（i=1，2，…，6）為機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，ow—xwywzw為工件座標(biāo)系，Os—xsyszs為切削面上切削點的坐標(biāo)系，op—xpypzp為刀具坐標(biāo)系，對于切削加工機器人，約定各關(guān)節(jié)的運動方向為局部坐標(biāo)系的zj方向。加工不同的曲面及利用不同的刀具時，〔1T6〕＇隨著改變，而〔1T6〕始終保持不變，于是可用圖4所示的加工關(guān)聯(lián)圖來表示。 根據(jù)齊次坐標(biāo)變換原理可得 〔1T6〕=〔1T6〕＇　（1） 式中，〔1T6〕為機器人關(guān)節(jié)間o6和o1坐標(biāo)系間的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，可表示為[IMG=齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111512233696583F.jpg[/IMG] 其中：A11=-s3-2s4c6-c3-2s5s6-s3-2c4c5s6 A12=s3-2s4s6-c3-2s5c6-s3-2c4c5c6 A13=c3-2c5-c3-2c4s5 A21=c3-2s4c6-s3-2s5s6+c3-2c4c5c6 A22=-c3-2s4s6-s3-2s5c6+c3-2c4c5c6 A23=s3-2c5+c3-2c4s5 A31=-c4c6+s4c5s6 A32=c4s6+s4c5c6 A33=s4s5 a6x=a6（c3c5-s3c4s5）+b6（-s3c4c5-c3s5）+c6s3s4-a5s3s4-b5s3c4+c5c3+a4c3-b4s3-a2c2-b2s2-a1 b6y=a6（s3c5-c3c4s5）+b6（c3c4c5-s3s5）-c6c3s4+a5c3s4+b5c3c4+c5s3+a4s3+b4c3+a2s2-b2c2-b1 c6z=a6s4s5+b6s4c5+c6c4-a5c4+b5s4+c5+c4-c2-c1-dz1 式中，si=sinθi，ci=cosθi，s3-2=sin（θ3-θ2），c3-2=cos（θ3-θ2）。 〔1T6〕＇為工件、夾具、刀具及機器人間o6和o1坐標(biāo)系間的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，可表示為 〔1T6〕＇=〔1Tw〕.〔wTs〕.〔sTp〕.〔pT6〕 式中，〔1Tw〕為工件坐示系ow和機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系o1間的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；〔wTs〕為工件加工表面加工點的坐標(biāo)系os和坐標(biāo)系ow間的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；〔sTp〕為刀具坐標(biāo)系op和坐標(biāo)系os間的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；〔pT6〕為機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)系o6和坐標(biāo)系op間的齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。對于不同的工件和刀具來說，公式（3）是變化的，因此只要工件、刀具確定和加工進(jìn)刀方式確定，上述矩陣也隨之而定。 式（1）是切削加工機器人加工運動解析的基本關(guān)系式。通過求解該式，可以得到實現(xiàn)刀具與工件之間的相對運動所需要的關(guān)節(jié)變量，限于篇幅求解過程略。通過控制所求得的關(guān)節(jié)變量，就可以得到所需要的加工表面。 4　結(jié)束語 本文根據(jù)金屬切削加工的要求，開發(fā)了一種新型的切削加工機器人，具有柔性高、加工范圍大、剛度和精度高等特點。在介紹SCR6-1切削加工機器人的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分析研究了切削加工機器人的加工運動問題。該加工機器人可以對任何曲面進(jìn)行加工，加工型腔內(nèi)表面時，對于存在刀桿與工件非加工面和刀具與加工面干涉的情況，SCR6-1型切削加工機器人與直角坐標(biāo)機床相比具有獨特的柔性。