摘 要：根據(jù)機械加工的要求，提出了切削加工機器人的結構方案，對切削加工機器人的加工運動進行了分析。 關鍵詞：切削加工　機器人　結構方案　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)的機器人結構，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構基礎上，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構分析 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?；竟ぷ髟硎牵和ㄟ^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)對象一側僅完成一些定向、轉位等輔助運動。切削加工機器人的功能與普通機器人不同，是用來進行切削加工的，其運動分配的原則應同時考慮剛性、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和工件側雙方承擔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構，可根據(jù)需要來組成多種形式的結構布局。對于加工型腔內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)關節(jié)鏈來建模，此鏈由數(shù)個彈性體用以驅動器驅動的轉動或移動關節(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。 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構建立了如圖3所示的計算模型，各關節(jié)的坐標如圖4所示?？梢园褕D3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的坐標變換記為〔1T6〕＇。其中，oi—xiyizi（i=1，2，…，6）為機器人關節(jié)坐標系，ow—xwywzw為工件座標系，Os—xsyszs為切削面上切削點的坐標系，op—xpypzp為刀具坐標系，對于切削加工機器人，約定各關節(jié)的運動方向為局部坐標系的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所示的加工關聯(lián)圖來表示。 根據(jù)齊次坐標變換原理可得 〔1T6〕=〔1T6〕＇?。?） 式中，〔1T6〕為機器人關節(jié)間o6和o1坐標系間的齊次坐標轉換矩陣，可表示為[IMG=齊次坐標轉換矩陣]/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坐標系間的齊次坐標轉換矩陣，可表示為 〔1T6〕＇=〔1Tw〕.〔wTs〕.〔sTp〕.〔pT6〕 式中，〔1Tw〕為工件坐示系ow和機器人關節(jié)坐標系o1間的齊次坐標轉換矩陣；〔wTs〕為工件加工表面加工點的坐標系os和坐標系ow間的齊次坐標轉換矩陣；〔sTp〕為刀具坐標系op和坐標系os間的齊次坐標轉換矩陣；〔pT6〕為機器人關節(jié)坐標系o6和坐標系op間的齊次坐標轉換矩陣。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節(jié)變量，限于篇幅求解過程略。通過控制所求得的關節(jié)變量，就可以得到所需要的加工表面。 4　結束語 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構基礎上，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行加工，加工型腔內表面時，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機床相比具有獨特的柔性。