一、引言

　　激光噴丸可以用來增加零件的強度及消除應力，主要用於(yu) 航空發動機葉輪等。通常噴丸要對整個(ge) 物體(ti) 的龍闊進行，也有對整個(ge) 麵進行噴丸。對單個(ge) 發動機葉片類零件的噴丸相當比較簡單。但對整個(ge) 葉輪的每個(ge) 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麵理想位置。為(wei) 了對每個(ge) 葉片的主要部位都能進行噴丸處理，就要求對整體(ti) 葉輪進行複雜的運動。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(wei) 了滿足上麵的噴丸要求，沈陽萊茵機器人有限公司開發了兩(liang) 台五軸五聯動機器人和一係列六自由度混合型機器人。我們(men) 采用了高檔，開放式六軸多通道控製係統。幾台五軸五聯動機器人係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(men) 設計了兩(liang) 款五軸連動機器人。它們(men) 的結構原理上相同，主要由一個(ge) 龍門式三軸直角坐標機器人和兩(liang) 個(ge) 轉動軸組成。由於(yu) 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(si) 杆同步驅動。

　　直角坐標機器人的三個(ge) 直線運動軸除了采用防塵防水的鋼帶防護，裏麵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(yang) 的五軸聯動機器人。



　　圖1是由一個(ge) 典型的3D懸臂直角坐標機器人和關(guan) 節機器人的三個(ge) 末端關(guan) 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(yang) 的五軸聯動機器人。

　　五軸聯動機器人的第四個(ge) 軸是安裝在Z軸下端，以Z軸為(wei) 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於(yu) 0.5弧分的緊密減速機組成。A軸帶動轉動軸B以水平麵為(wei) 軸轉動。B軸也主要由高精度交流伺服和反向間隙小於(yu) 0.5弧分的緊密減速機組成。

　　三、五軸聯動機器人的控製係統及電箱

　　由於(yu) 五軸聯動機器人的Z軸采用雙Z軸滾珠絲(si) 杆同步驅動方式，共計采用了6台伺服電機。我們(men) 采用了沈陽萊茵機器人公司自己開發的，基於(yu) ARM的嵌入式8軸連動控製係統。為(wei) 了雙Z軸的嚴(yan) 格同步，在FPGA裏麵兩(liang) 路伺服電機位置環控製信號由同一路控製信號控製。如圖4所示，該嵌入式8軸連動控製係統帶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(cong) 時式分布式控製係統。該控製係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係統。該係統有是一個(ge) 高度開放的控製係統，可以方便修改，增添功能，及用戶自己二次開發。

　　四、工作過程

　　由於(yu) 激光束的方向是不能改變的，必須控製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(wei) 此采用示教方式工作，各個(ge) 軸間可以同時聯動和獨立運動。激光係統可以放出一個(ge) 幾乎沒有任何能量的激光點，我們(men) 稱為(wei) 參照激光點。參照激光點的方位與(yu) 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，然後確認該點為(wei) 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製運動。但出於(yu) 安全考慮，操作員也可以借助高分辨率高清晰的視頻監控係統來控製參照激光點在零件上的位置。係統自動記錄下這些有效點對應機器人各種軸的位置，然後上位機離線自動生產(chan) 噴丸運動軌跡，自動優(you) 化各個(ge) 軸在各個(ge) 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(you) 化噴丸順序，刪減等操作。

　　如果能得到被噴丸零件的3DCAD數據，給出噴丸信息後，借助CAM軟件可以自動生成運動軌跡。但通常出於(yu) 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

　　對於(yu) 複雜的整體(ti) 葉輪等采用六軸聯動機器人會(hui) 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(ge) 直線運動軸，兩(liang) 個(ge) 轉動軸和一個(ge) 擺動軸組成。其中三個(ge) 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(ge) 旋轉軸，旋轉軸帶動一個(ge) 擺動軸，擺動軸末端再帶動一個(ge) 旋轉軸。最末端的旋轉軸帶動手爪。由於(yu) 兩(liang) 個(ge) 旋轉軸和一個(ge) 擺動軸其實就是關(guan) 節機器人的末端三個(ge) 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(guan) 節機器人的三個(ge) 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(ge) 直線運動軸的行程及承載能力可以按要求去做。而兩(liang) 個(ge) 轉動軸和一個(ge) 擺動軸組成也可以按需要僅(jin) 選擇一個(ge) 轉動軸，如從(cong) 生產(chan) 線把箱體(ti) 碼垛到托盤上，也可以是一個(ge) 轉動軸和一個(ge) 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製係統

　　六軸聯動數控係統是一個(ge) 高度開放，功能強大的數控係統。其控製軸數最多可以達64軸，它可以是單通道數控係統，也可以設置為(wei) 多通道數控係統。可以以脈衝(chong) 方式，總線通信方式和模擬量方式控製運動軸和主軸，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(feng) 富，包含有幾乎任何常見的G代碼和M功能。操作界麵人性化及按用戶要求來定製。係統插補周期短，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(liang) 個(ge) 擺動/旋轉軸，兩(liang) 個(ge) 軸的轉動中心點坐標及與(yu) 三個(ge) 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）刀具中心點控製功能（RCTP）

　　五軸加工中心所用的程序由CAD/CAM軟件產(chan) 生，大多數係統的程序是基於(yu) 刀具中心點編寫(xie) 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。而基於(yu) 刀尖中心點編程，即物體(ti) 表麵3D位置（X,Y,Z）和該點的刀尖方向（A,B）的編程就僅(jin) 與(yu) 被加工的物體(ti) 幾何尺寸有關(guan) ，而與(yu) 刀具長度和機床結構沒有關(guan) 係。RCTP功能就是把基於(yu) 物體(ti) 表麵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(ge) 軸的運動。

　　3）該係統可以適合工作台上帶有兩(liang) 個(ge) 旋轉軸，或加工刀具上(主軸)帶兩(liang) 個(ge) 擺動軸，或工作台上帶有一個(ge) 旋轉軸，而加工刀具上(主軸)帶一個(ge) 擺動軸結構形式的五軸機床。

　　4）3D刀具補償(chang) 功能保證在加工過程中換刀時軟件自動計算補償(chang) 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(qing) 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(chang) 功能。

　　6）該係統包含有多通道多軸控製係統，可以控製特殊複合機床，實現一次裝夾多工序全自動加工。她能使特種複合加工中心及生產(chan) 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(guan) 節機器人的優(you) 點，具有下麵的主要優(you) 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(si) 杠傳(chuan) 動，重複定位精度可達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(guan) 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，控製簡單，易於(yu) 維護。

　　上麵是其主要的優(you) 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(guan) 節機器人無法比擬的優(you) 點。可以在幾乎所有的應用中取代關(guan) 節機器人。