五轴直角坐标机器人利用解决抛光问题

摘要：  激光喷丸强化技术是使用高功率密度、短脉冲的强激光束替代有质弹丸，对金属板料表面进行冲击来有效地提高金属零件的强度和使用寿命。比如对飞机螺旋浆每个叶片四周进行激光喷丸就会大大提高其强度。但由于激光束强度大，单面喷丸后也会表面产生凸凹的小坑，所以最好是从两面同时激光喷丸来避免其表面产生凸凹的小坑。在激光喷丸的同时要喷上冷却水。由于激光设备重，怕震，所以就要求用5轴机器人带动螺旋浆运动，来完成对每个叶片四周的喷丸。由于螺旋浆和叶片的形状，加上必须两面同时喷丸，对机器人的控制系统要求很高，最好带RTCP功能。

一 任务描述

激光喷丸强化技术是使用高功率密度、短脉冲的强激光束替代有质弹丸，对金属板料表面进行冲击来有效地提高金属零件的强度和使用寿命。比如对飞机螺旋浆每个叶片四周进行激光喷丸就会大大提高其强度。但由于激光束强度大，单面喷丸后也会表面产生凸凹的小坑，所以最好是从两面同时激光喷丸来避免其表面产生凸凹的小坑。在激光喷丸的同时要喷上冷却水。由于激光设备重，怕震，所以就要求用5轴机器人带动螺旋浆运动，来完成对每个叶片四周的喷丸。由于螺旋浆和叶片的形状，加上必须两面同时喷丸，对机器人的控制系统要求很高，最好带RTCP功能。

二 5轴直交坐标机器人的结构及配置

以下是德国百格拉公司5轴直角坐标机器人的外形图，它由三个直线运动轴X轴，Y轴，Z轴，一个转动轴A轴和一个摆动轴B轴组成。

总负载最大20公斤，XYZ三个轴的有效行程都为500mm，最高运行速度200mm/s，最大加速度1m/s2，重复定位精度为±0.05mm。旋转轴转动范围±360°，摆动轴摆动范围±45°，它们的重复定位精度：≤0.02°，最大旋转运动速度：5°/s。

根据上面的要求各个运动轴的选择和配置如下：

X轴是两根PAS44BBM500，配德国纽卡特精密行星减速机PLE80-15和德国百格拉公司的交流伺服电机SER31117。

Y轴是由两根PAS44BBM500组合成的MAXH3BRM500，配德国纽卡特精密行星减速机PLE80-15和德国百格拉公司的交流伺服电机SER31117。[#page#]

Z轴是两根PAS43BBM500，配德国纽卡特精密行星减速机PLE80-40和德国百格拉公司的交流伺服电机SER31117。

A轴是转动轴，由德国纽卡特精密行星减速机PLFE90-40和德国百格拉公司的交流伺服电机SER31117组成。

B轴是摆动轴，由德国纽卡特精密行星减速机PLFE90-40和德国百格拉公司的交流伺服电机SER31117组成。

大负载大行程机器人

对于大负载大行程直角坐标机器人，X轴，Y轴和Z轴可以选用两根110mm*110mm直线运动单元并排组合。每根直线运动单元组合的型号是PAS44BB，其里面采用THK SHS 25导轨和两个滑块。单根THK SHS 25导轨单个滑块时最大理论载荷为：C=36.8 KN， C0=64.7 KN (千牛顿)。而且一根PAS44BB可以按需要采用多个滑块。当每根运动轴带两个滑块，对应实际上是4个THK滑块，所以其负载能力至少要达到800~1000公斤。当把两根运动轴PAS44BB并排刚性连接起来使用时，其负载能力可以增加2倍，所以这里采用的双轴双滑块结构其负载能力可增加到2吨。按需要来选择每根直线运动单元上带几个滑块以及几根直线运动单元并排组合，来满足其带负载能力。

可以采用丝杠驱动，也可以采用齿轮齿条传动来满足大行程机器人的需要。采用齿轮齿条传动的切割机器人的最大行程行程可以达到24米。

三 驱动电机和行星减速机

选用伺服电机做驱动轴，在这里其负载的转动惯量与伺服电机的转动惯量比要小于5，来保证其高动态特性。为了保证负载的转动惯量与伺服电机比小于5，我们选配德国纽卡特公司的精密行星减速机。驱动电机的最大出力都比理论计算值至少高出100%。有关A轴和B轴我们选择德国纽卡特公司的精密行星减速机PLFE90-40。PLFE精密行星减速机是法兰输出式，非常适合驱动旋转轴和摆动轴。而且PLFE减速机体积小，出力大，反向间隙小，横向力和经向力很大和噪音有关驱动电机和减速机的详细技术数据和使用注意事项请与沈阳百格机器人公司联系。

四 直角坐标机器人的控制系统

由于螺旋浆和叶片的形状必须两面同时对同一点进行喷丸，所以对机器人的控制系统要求很高，最好带RTCP功能。我们一般选用大连大森数控技术公司的Dasen-15。Dasen-15系统采取开放式结构，以运动控制卡和WINDOWS为基层，按需要采用个运动5轴，32路输入口和32路输出口。该系统除含有常规的G代码外，还具有RTCP功能。通过RTCP功能使编程简单，使两面同时对同一点进行喷丸成为现实。[#page#]

RTCP功能

编程时只需给出刀具刀尖点的坐标及其刀具在水平和垂直两个方向的角度即(X，Y，Z，A，B)，使得编程标准化，编程仅与工件有关，与机床结构形式无关。强大的RTCP(Rotation tool Centre point)功能利用5轴坐标变换自动把刀尖位置数据(X，Y，Z，A，B)实时分解成5个轴的各自运动量，确保其连续平稳精确高速运动。

5轴坐标变换功能

不同的机床结构使得各个运动轴间不再一定是垂直关系，而是有一夹角，这简化了机床结构和安装精度要求。编程数据是理论上相互垂直的X，Y，Z轴。一个直角坐标轴的运动是利用两个轴的复合运动来实现。当走一空中直线或弧线插补时，就自动把各个空间坐标点分解成各个轴对应的运动量及运动速度。自动把工件坐标系的标准化程序转换为实际机床坐标系的程序。把极坐标编程数据转换成直角坐标的编程数据。把RTCP编程数据(X，Y，Z，A，B)实时变换为5个轴的各自运动量。适用带各种旋转轴和摆动轴的立式加工中心和卧式加工中心，可以是铣削加工中心或车削加工中心。

精密测量功能

强大的RTCP功能使DASEN15适用各种结构形式的机床，简化了机床结构。相互垂直坐标轴的脉冲当量可以任意简单设置。但任意夹角的两轴组合成斜轴，工作台上旋转轴和摆动轴的脉冲当量，刀具摆动式摆轴刀尖点的脉冲当量等计算是非常困难的。利用精密测量各个轴的一些特定的运动来自动换算出各个轴的实际脉冲当量，保证机床的加工精度，简化机床的装配精度。

该系统采用闭环高精度控制，非常适合用于5轴联动直角坐标机器人，实现复杂曲面上复杂轨迹的双面同一点同时喷丸。

五、应用和展望

采用运动轴组合加强技术可以实现大负载大行程5轴直角坐标机器人。采用DASEN15系统可以对装配时的误差进行补偿。这种结构和配置可以实现对任意大的复杂曲面上复杂轨迹的双面同时喷丸控制，适合对各种飞机和军舰等发动机叶轮的喷丸强化处理。

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