关键词：切削加工 机器人 结构方案 运动分析
1 引言
一提到工业机器人，人们就会联想到工厂里能搬运材料、工件或夹持工具的操作机。但是，目前这一概念已发生了变化。如日本将现有工业机器人用来完成研磨、刮研、磨削、去毛刺等机械加工作业〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕，由于是采用了传统的机器人结构，致其刚性差，精度低。最近作者开发了一种SCR6-1切削加工机器人，具有柔性高、加工范围大、刚度和精度高等特点。本文在介绍SCR6-1切削加工机器人的结构基础上，分析研究了切削加工机器人的加工运动。
2 切削加工机器人的结构分析
切削加工机器人与一般的工业机器人搬运、抓取不同，其基本功能是提供金属切削加工所必须的运动和动力。基本工作原理是：通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状、尺寸、并达到其精度要求。
一般工业机器人主要要求灵活性高（要象人的手臂那样灵活），对刚度及精度要求不高，因此大部分机器人的运动全部由机器人的操作机（主机）完成，作业对象一侧仅完成一些定向、转位等辅助运动。切削加工机器人的功能与普通机器人不同，是用来进行切削加工的，其运动分配的原则应同时考虑刚性、精度及灵活性等要求，因此本研究所开发的切削加工机器人采用了运动功能由刀具侧和工件侧双方承担的运动功能分配方案，避免因手臂过长引起刚度下降。
根据切削加工机器人的运动功能分配方案，开发了SCR6-1切削加工机器人，如图1所示。该机器人采用了模块化结构，可根据需要来组成多种形式的结构布局。对于加工型腔内表面存在刀杆与工件非加工面和刀具与加工面干涉的情况，SCR-1型切削加工机器人与直角坐标机床相比具有独特的柔性。
3 切削加工机器人的运动分析
切削加工机器人可以用一个闭环关节链来建模，此链由数个弹性体用以驱动器驱动的转动或移动关节串联而成。链的始末点为切削点（即工件加工表面与刀具的接触点），始点一端安装着工件（工件装在夹具上），终点一端安装着刀具，用以完成加工任务。
实际上，在加工过程中由机器人——夹具——工件—刀具组成了一个工艺系统。在这个系统中，刀具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。为此，我们把由机器人、夹具、刀具、工件及及被加工表面看作为一个封闭的连环，如图2所示。在本研究中，根据SCR6-1切削加工机器人的结构建立了如图3所示的计算模型，各关节的坐标如图4所示。可以把图3中的加工系统分成两部分：一部分从机器人一部件到机器人的另一部件，即从o1经o2，o3，o4，o5到o6。这一部分对确定的机器人来说是固定不变的，把从o1→o6的坐标变换记为〔1T6〕；另一部分从机器人的一个部件经工件、刀具到机器人的另一部件，即o1→ow→os→op→o6，把从o1→o6的坐标变换记为〔1T6〕＇。其中，oi—xiyizi（i=1，2，…，6）为机器人关节坐标系，ow—xwywzw为工件座标系，Os—xsyszs为切削面上切削点的坐标系，op—xpypzp为刀具坐标系，对于切削加工机器人，约定各关节的运动方向为局部坐标系的zj方向。加工不同的曲面及利用不同的刀具时，〔1T6〕＇随着改变，而〔1T6〕始终保持不变，于是可用图4所示的加工关联图来表示。
根据齐次坐标变换原理可得
〔1T6〕=〔1T6〕＇ （1）
式中，〔1T6〕为机器人关节间o6和o1坐标系间的齐次坐标转换矩阵，可表示为
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〕＇为工件、夹具、刀具及机器人间o6和o1坐标系间的齐次坐标转换矩阵，可表示为
〔1T6〕＇=〔1Tw〕.〔wTs〕.〔sTp〕.〔pT6〕
式中，〔1Tw〕为工件坐示系ow和机器人关节坐标系o1间的齐次坐标转换矩阵；〔wTs〕为工件加工表面加工点的坐标系os和坐标系ow间的齐次坐标转换矩阵；〔sTp〕为刀具坐标系op和坐标系os间的齐次坐标转换矩阵；〔pT6〕为机器人关节坐标系o6和坐标系op间的齐次坐标转换矩阵。对于不同的工件和刀具来说，公式（3）是变化的，因此只要工件、刀具确定和加工进刀方式确定，上述矩阵也随之而定。
式（1）是切削加工机器人加工运动解析的基本关系式。通过求解该式，可以得到实现刀具与工件之间的相对运动所需要的关节变量，限于篇幅求解过程略。通过控制所求得的关节变量，就可以得到所需要的加工表面。
4 结束语
本文根据金属切削加工的要求，开发了一种新型的切削加工机器人，具有柔性高、加工范围大、刚度和精度高等特点。在介绍SCR6-1切削加工机器人的结构基础上，分析研究了切削加工机器人的加工运动问题。该加工机器人可以对任何曲面进行加工，加工型腔内表面时，对于存在刀杆与工件非加工面和刀具与加工面干涉的情况，SCR6-1型切削加工机器人与直角坐标机床相比具有独特的柔性。
