综 述
切削加工机器人是将机器人技术和机床技术相结合的一种新型加工设备,工作范围大、运动灵活性高、占地面积小,在复杂曲面加工方面具有很大的天然优势。常见的切削加工机器人一般都是关节型工业机器人的形式,是由机身、臂部、腕部、末端执行器(刀具)四大部分组成。其中,铣刀安装在电主轴上,电主轴为铣刀提供旋转的动力;臂部和机身连接在一起,臂部在一定角度范围内转动,以实现水平面内的运动。机器运作时,底座被固定在地面,和机身一起用来支撑手臂,并装有电力驱动装置。臂部是操作器的主要执行部件,包括大臂、小臂和铰链关节,带动刀具在一定的运动范围内按照预定的运动轨迹,完成指定的操作过程
切削加工机器人与其他功能型工业机器人有所不同,其基本功能主要是用来为机器提供切削加工过程中所必需的运动与动力。切削机器人的工作原理则是,切削刃与工件被加工表面相接触,通过两者之间的相对运动,实现对零件表面的加工,由刀具来切除工件中多余的材料,使工件呈现出规定的几何形状、尺寸,并达到所需要的要求。
一般来说,对传统工业机器人基本要求是灵活性一定要高,像人手一样灵活,但是对于刚度及精度要求并不是太高。因而,大部分工业机器人的操作指令基本全部由机器人的操作机来执行,而作业对象一般仅需要完成一些定向、转位等辅助工作即可。然而,切削加工工业机器人的情况却不一样,其主要功能是用来进行切削加工的。因此,在设计工艺结构过程中,应该同时考虑刚性、精度及灵活性等要求。
至于,影响关节型切削加工机器人刚度的因素,应该与自身的工艺结构有着密切的联系。
由于机器人的臂部是由连杆和关节所组成的,所以关节型切削加工机器人的刚度完全取决于连杆和关节的刚性强度。一方面,关节型切削加工工业机器人的臂元件形状通常是细而长,并且属于悬伸臂,所能承受的力矩相对较小,因此刚性一般很低。另一方面,切削机器人的大臂和小臂都是由多个转动关节铰链而成的,所以可以通过减小连接处的间隙、增大接触面积以及提升结合处的预警力等方式,来增加铰链关节的结合刚度。但与此同时,也会增大结合处的摩擦力,以至于会发生相对错位而导致运动精度的降低。另外,切削机器人沿用传统工业机器人的布局形式,将大部分操作集中在机床的一侧,当所需求的自由度较多时,往往会通过增加悬伸臂的长度来实现,同时也降低了切削机器人的整体刚性,尤其使得臂零部件的横向承载能力的很差。
接下来,探讨一下影响关节型切削加工机器人运动精度的因素。
由上可知,关节型切削机器人臂部的连杆和关节的刚性很低。因此,在运动过程中,在载荷的外力作用下,零件和铰链关节形状会发生变化,而且这种物理变形是随着切削机器人的运动一直变化的,量变必然导致质变,以至于会产生较大的运动误差的必然结果。
由于关节型切削加工机器人是有许多的铰链关节,也意味着许多的几何误差源,关节结合面的形状误差、位置误差、关节运动副的间隙等因素皆会影响关节型机器人运动精度。还有,零件的变形、几何误差、间隙和伺服系统也会产生传动误差,进而影响切削机器人的运动精度。
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