基于CAM的机器人抛光轨迹规划

    在模具表面光整加工工艺中,采用数控机床、工业机器人及相关技术的自动化抛光工艺已成为目前研究和应用发展的一个重要方向。工业机器人抛光具有柔性大、加工方式和范围灵活的特点,因而与数控机床抛光相比更具优越性。同时由于抛光工艺作用力小,工艺去除量低,精度要求不高,正好避开了工业机器人刚性弱、精度差的缺点,这使得工业机器人非常适合于大型模具型腔的表面光整加工。在快速制造金属模具工艺中,模具型腔的光整加工是影响模具制造速度的重要工艺环节。华中科技大学开发的机器人喷涂快速制造金属模具工艺,采用工业机器人和软质抛光工具对具有复杂形状的模具型腔表面进行光整加工。本研究在此抛光工艺的基础上,开发基于CAM的机器人抛光轨迹自动规划系统。 

1 机器人抛光加工系统 

机器人喷涂快速制造金属模具工艺是以6轴工业机器人成形加工系统为核心,来完成快速制造金属模具的主要工艺环节,其中包括机器人直接成型耐高温陶瓷原型、机器人喷涂成形金属皮膜和机器人光整加工3大工艺模块。在机器人光整加工中,采用软质抛光工具和游离磨料来对模具表面喷涂成形金属皮膜进行抛光加工。机器人抛光加工系统由工业机器人、数控转台、抛光主轴和软质抛光工具组成。工业机器人选用的是北京首钢MOTOMAN公司提供的UP20型6轴多关节工业机器人,高速钻铣主轴作为动力源来驱动抛光工具的旋转,抛光工具是由不织布纤维或者羊毛材质的软质抛光头和游离磨料组成。 

2 机器人抛光轨迹的自动规划 

2.1 型腔抛光加工信息的获取 

6轴工业机器人在抛光加工过程中,每一点的加工坐标都由6个坐标值来表示,其中3个表示加工工具末端点位置,另外3个表示加工工具的姿态,即加工工具与3个坐标轴的夹角。目前,许多CAD/CAM软件都可以根据目标零件的CAD数据直接生成数控加工文件,在这些加工文件中都包含了零件的表面点的坐标及其加工刀具的矢量信息。本文选用UG NX软件,在其CAM模块中,可以通过选择合适的加工方法和加工工艺参数来得到数控铣加工的加工轨迹文件,其加工轴数在多轴铣加工工艺模块中最多可达到5轴。在UG生成的5轴数控加工文件中,除了有轨迹点的三维坐标信息,还包含有加工刀具的姿态信息,即刀轴在加工点处与被加工表面的夹角。由于铣削刀具与工件表面直接接触,并可与加工表面保持任意工艺角度,因此数控铣加工刀具与抛光加工中抛光头在运动方式上具有很大的相似性。本研究即根据这个特点,从多轴铣加工轨迹中获取加工零件的表面信息,并用于生成机器人抛光工艺的加工轨迹。 

2.2 辅助区域驱动抛光轨迹规划 

在UG CAM中,多轴加工一般采用可变轴曲面轮廓铣的加工工艺,其中最常用的是曲面区域驱动方法(surface area drive method)。这种驱动方法计算精确,适用于复杂曲面的加工,尤其适用于曲面的精加工。但是,该方法最大的限制在于,所加工曲面的CAD模型必须按行和列有序地排列,相邻的曲面必须共享同一条边缘,如图1所示。

 然而在实际应用中,由于模具型腔三维CAD造型的习惯和方式因人而异,因此所得到的复杂曲面CAD模型很难满足有序排列或者共享一条边缘这样严格的条件,造成了多轴加工曲面驱动几何体的连续选择困难。特别是对表面曲率变化较大的复杂曲面,如图2中所示,只能对其中的各个小块曲面分别进行加工轨迹规划,从而难以对曲面区域进行连续选取并形成整体的连续加工轨迹。