Research and Development of Flexible Processing System Based on KUKA Industrial Robot
卢彦林 LU Yan-lin
（包头职业技术学院，包头 014030）
（Baotou Vocational & Technical College，Baotou 014030，China）
摘要：工业机器人是一种集多种先进科学技术为一体的装备，其具有自动化程度高、通用性强、可编程性、柔性好的优良特点，广泛应用于机械加工行业。本文以KUKA工业机器人为研究对象，开发了基于KUKA工业机器人的柔性加工系统。并针对KUKA控制系统接口特点，结合KUKA工业机器人正逆向运动学原理，对基于KUKA工业机器人的柔性加工系统在零件打磨中运行性能进行了验证。
Abstract: Industrial robot is a kind of equipment that integrates many advanced science and technology. It has the characteristics of high automation, versatility, programmability and flexibility, and is widely used in the machining industry. This paper develops a flexible machining system based on KUKA industrial robots with KUKA industrial robots as the research object. According to the interface characteristics of KUKA control system and the principle of forward and inverse kinematics of KUKA industrial robot, the running performance of the flexible machining system based on KUKA industrial robot in the grinding of parts is verified.
关键词：KUKA工业机器人；柔性加工系统；打磨加工
Key words: KUKA industrial robot；flexible processing system；grinding processing
中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）24-0170-02
0 引言
汽轮机叶片等表面复杂且精度要求较高的自由曲面类零件打磨抛光大多由人工手持作业工具，在自动化工具辅助下进行。整体加工过程无法保证零件形位精度、表面微观物理属性，且整体成本损耗较大。而基于KUKA工业机器人的柔性加工系统，在定位精度、运动耦合、加持灵活度等方面具有较大的优势。因此，对基于KUKA工业机器人的柔性加工系统的研究开发进行适当探析具有非常重要的意义。
1 基于KUKA工业机器人的柔性加工系统方案设计
基于KUKA工业机器人的柔性加工系统主要包括机器人本体、控制器、上位PC机、手持示教器、加工主轴及控制系统组成。具体系统设计主要是将机器人、加工主轴等机械本体，与工业机器人控制系统有机结合，实现加工各模块的一体化控制管理[1]。其中工业机器人、加工主轴是系统运动控制及柔性加工作业的核心，其可以利用数据通信，根据不同加工材料、模型结构，进行针对性调整，协调系统各环节稳定运作；上位PC机主要以CAD（计算机辅助设计）模型生成数控加工程序为主要任务，其可以自动规划工业机器人加工轨迹，并根据机器人系统运行轨迹，进行数字信号的合理配置；利用手持示教器完成打磨工作站零件坐标系、工具坐标系等参数的设置与标定。
依据上述模块特点及功能，本次设计主要采用KUKA KR250六自由度工业机器人，搭载KR C4控制器。经Profibus/DP总线，与外部控制系统进行信息交互，实现对加工主轴的自动控制。同时设计转接法兰，实现加工主轴与工业机器人的机械连接。
2 基于KUKA工业机器人的柔性加工系统软硬件配置
2.1 基于KUKA工业机器人的柔性加工系统软件配置
基于KUKA工业机器人的柔性加工系统软件系统主要包括KUKA示教器软件、上位PC机软件两个模块。其中KUKA手持示教器软件主要是通过控制机器人运动轨迹点，完成加工前辅助运行的控制，包括打磨头的选择与更换、由起始点为运动到过渡点位等工作；上位PC机则是对建模软件制作好的加工工件模型，进行后置处理，自动生成工业机器人加工轨迹与加工工艺。在基于KUKA工业机器人的柔性加工系统软件设计过程中，可以首先建立待加工工件CAD模型，随后将待加工工件CAD导入UG（Unigraphics NX）内，进行数控加工优化设计，初步规划待加工工件运动轨迹，并生成与APT（亚洲-太平洋电信组织）标准相符合的数控加工代码。
其次，考虑到基于KUKA工业机器人的柔性加工系统无法直接利用数控加工代码。依据APT（亚洲-太平洋电信组织）语言及机器人KRL编程语言特点，可进行APT（ 亚洲-太平洋电信组织）转换程序的开发。即从数控加工代码内进行轨迹坐标抽取。并将其转化为工业机器人可以识别的坐标信息，如GOTO→PTP/LIN，或者CIRCLE→CIRC等。最终形成完善的KUKA工业机器人的柔性加工离线编程文件。
最后，在KUKA工业机器人的柔性加工系统内导入离线编程软件。并在手持编程器内，进行编辑、修整、执行。由于手持式示教器为辅助模块，可以将其与工业机器人控制器进行连接，并在KUKA smartHMI界面内，进行负载参数设定、轨迹编程、加工坐标输入、坐标系标定等操作。其中在轨迹生成模块，一般基于KUKA工业机器人的柔性加工系统运动轨迹计算主要采用二叉离散法。即依据曲面细分特性，将加工自由曲面沿参数线方向逐步细分。并将细分后获得点位作为加工时加工工具与待加工材料接触点。以打磨盘沿y方向打磨为例，可由首先选取y=0作为初始参数曲线。随后对参数线打磨触点进行逐一计算。在每一打磨触点位置计算加工行距Hn，获得离散点位置加工行距{Hn，x}，选择最小加工行距Hnmin=min{Hn，x}，则得出本条参数曲线走向。通过重复计算多条等参数曲线参数，直至y大于或者等于1。在获得打磨工具与待打磨工件间触点轨迹后，基于定位精度引入误差相似度残差补偿方法。基于误差相似度，对工业机器人残余误差进行估计分析。并根据不同打磨工具类型，对KUKA工业机器人绝对定位精度进行核算，以获得详细的打磨作业中KUKA工业机器人运动轨迹。
2.2 基于KUKA工业机器人的柔性加工系统硬件配置
在基于KUKA工业机器人的柔性加工系统硬件设计过程中，主要包括工业机器人本体、加工主轴及辅助系统等几个模块。其中在工业机器人本体设计过程中，基于作业任务设计与执行控制的一体化要求，设计人员可以KUKA工业机器人柔性加工系统集成模块为核心，设定KUKA工业机器人臂长及末端位置最大分别为1.30、2.70m，以保证工业机器人本体满足大规模作业要求；而在加工主轴及辅助系统设计过程中，可在工业机器人本体设计的基础上，在工业机器人末端安装加工工具，并进行转接法兰的合理设计。即将法兰、加工主轴安装座（钢材）、加工主轴进行有效连接。促使加工时安装座受力位移变化、电机加装位置变化在设计要求限度内，保证柔性加工作业任务顺利完成。选择铣削变频用电加工主轴作为主要工具，以水冷却作为主要冷却方式。同时根据加工主轴运行情况，配置输出频率为0.0-400.0Hz的台达变频器。其内部具有PID反馈控制，可支持现场通讯界面自动转矩、滑差补偿。随后基于工业机器人柔性加工KRC4控制需求，在变频器通讯接口位置设置台达Profibus/DP通讯模块。并结合柔性加工控制系统启停状态控制需求，选用西门子分布式IO设备ET200.0M，集成控制柔性加工系统外围设备。
3 基于KUKA工业机器人的柔性加工系统在零件打磨中运行性能验证
该验证实验主要是在Windows 10（CPU2.60GHz、内存4.0GB）系统内，利用ACI+Hoops+InterOP开发平台，进行操作。在该零件打磨中主要利用不锈钢金属丝盘，以电主轴为主要动力来源，选择KUKA机器人及上文中提到的其他软硬件设施参数。施加设定恒力为24.8N，打磨工具运转速度为1150r/min，紧急速度及残留高度分别为0.58m/min、0.048mm。
在基于KUKA工业机器人柔性加工系统打磨作业开展过程中，打磨盘始终沿6.8°斜切打磨主轴，整体打磨过程中实际承受压力始终良好。采用KUKA工业机器人柔性加工系统打磨轨迹，加工效率远高于常规加工，且没有过加工现象出现，有效的保证了零件打磨加工质量[3]。同时利用ZYGO表面轮廓仪，对打磨后零件表面与前期打磨表面对比，可以得出零件表面残余高度在0.0048mm-0.011mm范围内，远低于标准要求的残余高度，整体打磨精确度较高。这主要是由于基于KUKA工业机器人柔性加工系统在实际运行过程中，通过误差相似度残差补偿及自动控制，结合运动学参数标定，可有效辨识出机器人运动轨迹点误差，进而有效提高工业机器人绝对定位精度。
4 总结
综上所述，工业机器人由于其高柔性和低成本而在柔性加工系统中得到了越来越广泛的应用，而合理设置基于KUKA工业机器人的柔性加工系统软硬件，是有效提高机器人的绝对定位精度、保证产品质量的关键。因此，为进一步提高基于KUKA工业机器人柔性加工系统运行精确度，可从机器人本体、控制器、上位PC机、手持编程器、加工主轴及控制系统等模块入手，进行软硬件系统的合理设置。同时依据KUKA机器人运行特点，在Windows XP系统中对其运行情况进行仿真验证，保证KUKA工业机器人的柔性加工系统实际效用充分发挥。
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