SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：针对传统数控加工企业迫切提升数控加工自动化的问题，设计了一种CAD/CAM 与机器人离线编程技术结合的方法，通过 PowerMill Robot 结合FANUC 仿真软件Roboguide 和LR MATE 200iD/4S 机器人，配合切削动力头实现对iPhone 6S 后盖从出刀路到仿 真再到联机调试的全过程自动化，为数控加工产业升级提供参考方向。通过iPhone 6S 后盖打磨的机器人数控加工实例，重点介绍 基于PowerMill Robot 的数控加工编程方法，结合FANUC 仿真软件Roboguide 检验程序的可行性。仿真实验及真实环境下工业机器人的程序联调加工结果证明了所提出方法的可行性。
Robot CNC Machining Method Based on PowerMill Robot and Roboguide
Zhong Dejun
(Zhanjiang Technology Project Department of Beijing Huasheng Jingshi Information Technology Co.，Ltd.，Zhanjiang，Guangdong 524000.China ) Abstract：In response to the urgent need for traditional CNC machining enterprises to improve the automation of CNC machining，a method combining CAD/CAM with robot offline programming technology was designed.PowerMill Robot，in combination with FANUC simulation software Roboguide and LR MATE 200iD/4S robots，cooperated with the cutting power head to realize the automation of the entire process of the iPhone 6S rear cover from cutting path to simulation to online debugging，providing a reference direction for the upgrading of the numerical control processing industry.Through an example of robotic CNC machining for polishing the rear cover of the iPhone 6S，a CNC machining programming method based on PowerMill Robot was introduced，and the feasibility of the program was verified using the FANUC simulation software Roboguide.The feasibility of the proposed method is verified by simulation experiments and the results of program joint debugging and machining of industrial robots in a real environment.
Key words：CNC machining;simulation;FANUC robot;Roboguide;PowerMill Robot
0 引言
随着中国制造2025 规划的发布，在制造领域掀起了一股“智造”的浪潮。工业机器人应用作为其中的一个重要领域，得到了开拓性的发展，也给机械智造领域带 来了新的变化。当前，我国已成为世界最大的工业机器 人市场，工业机器人广泛应用于搬运、打磨、喷涂和焊 接等领域，但在机器人数控加工领域还有待开拓。而在 国内的数控加工领域，虽市场规模巨大，但普遍集中在 中低端零件的加工上。目前，随着老一代数控人逐步退 出，一线工作环境不理想，薪酬待遇缺乏竞争优势，已 较难吸引新生代加入数控行业。长期以往，中低端数控 加工将面临用工荒的局面。要打破这个局面，可利用工 业机器人结合数控加工，既可拓展机器人数控加工的领 域，还可逐步替代数控机床完成中低端零件的加工[1]。
工业机器人的大臂展、高自由度和高控制精度的特性，使其替代数控机床加工多工位姿态、多工序复合程度高的复杂零部件成为可能。其具备的高自由度和灵活性高的特点，还能够使零件加工中装夹的次数、基准的 收稿日期：2022-04-18转换和工步得到缩减，提高加工效率，减少设备投入的成本，相比数控机床加工更具优势[2]。尽管机器人在数控加工上的优势明显，但机器人在线编程的方式、数控加工的设备投入及人员操作过程中 的安全问题都在制约着机器人数控加工的规模和机器人数控加工的优势。尤其是数控加工过程中一个零件的粗加工的程序点位数量多达几万以上，再用示教编程的方 式显然不可行。经研究，通过PowerMill Robot 结合Roboguide 的方式不但能够减少大量的人力示教编程工作，还能通过软件离线仿真调试快速检验刀路准确性， 从而释放人力，提高生产效率。
PowerMill Robot 软件是基于PowerMill 数控加工软件的一个机器人插件，能够对市面上多个品牌的机器人执 行编程及仿真。该软件既具备强大的刀路计算能力，又 兼具易学易用、界面简单的特点，能为学习者减少学习 的时间成本。选择FANUC 仿真软件Roboguide，则是基 于实验室的机器人为FANUC 旗下的M-200iD/4 s 型号的 机器人，便于实验的执行和检验。
本文以CAM/ROBOT 结合机器人加工的数字化编程技术为基础，探讨PowerMill Robot 结合Roboguide 再联机执行工业机器人数控加工方法的可能性。给出了FANUC机器人使用PowerMill Robot 数据文件的办法，并以打磨iPhone 6S 后盖的刀路为例开展验证。证明所提出的通过PowerMill Robot 结合FANUC 仿真软件Roboguide，采用LR MATE 200iD/4S 机器人配合切削动力头实现刀路编制、仿真和联机调试方法的正确性，为数控加工产业的自动化升级提供参考方向。
1 工作流程
iPhone 6S 后盖的材质为7系铝合金，经过一系列工 艺才最终成型。这其中，铝合金经过铸造、冲压和去毛 刺之后，为达到较好的表面处理效果，还需要对后盖进行抛光、打磨后才能喷漆或阳极氧化处理。在抛光打磨工艺中，操作人员工作环境恶劣，人工打磨抛光的效率 不高，抛光的质量不能完全得到保证;若使用机器人进 行抛光，可高质、高效完成打磨抛光。
下面将详细介绍iPhone 6S 的后盖打磨从刀路编制到联机调试的过程，通过具体加工项目完整流程来体现PowerMill Robot 结合Roboguide 实现机器人数控加工的方 法。首先对iPhone 6S 的后盖进行数控编程工艺分析制定工装夹具、使用的打磨刀具和要执行的刀具路径工艺;其后在PowerMill 中编制刀路，通过PowerMill Robot 插件 加载进所需要的机器人执行刀路仿真，以便发现仿真中 可能存在的问题，待仿真无误，便可执行将刀路后置处理转换为FANUC 机器人能识别的机器人语言;然后将转换出的机器人程序放置在Roboguide 中对转换出的程序进行运行检验;若正确，可将程序通过U 盘或其他存储设备加载进FANUC 机器人中执行联机调试。过程如图1所示。
2 数控编程工艺分析
数控编程工艺分析如下：( 1 ) iPhone 6S 的后盖总体 尺寸为138.3 mm × 67.1 mm × 7.1 mm，毛坯使用方坯， 使用精加工编制打磨刀路。(2 ) 此处仅作最后的CNC 处 理，对后盖表面进行打磨抛光。后盖有较大平面，所使 用的打磨刀具直径应尽可能减少走刀次数，此处使用的 刀具为直径60 mm 的平面铣刀进行模拟。(3 ) 考虑到加 工的夹持，本次装夹的工装使用的是气动夹持工具。 (4 ) 本次加工机器人的型号选用FANUC 公司出产的桌 面级机器人200iD/4 s。(5 ) 编制工艺中工步1 平行平坦 面精加工，加工后盖平面;工步2~ 4 镶嵌参考线精加 工，加工后盖四周。(6 ) 需要注意的是，本次编制的工艺中除了使用PowerMill2019 进行刀路编制，还需要使用 另一三维造型软件Powershape2017 进行配合使用，编制出镶嵌的参考线及配套的机器人库文件。
3 具体刀具路径编制
( 1 ) 1 号精加工刀路的编制
编制刀路前的准备，包括导入模型、创建毛坯及创 建刀具。先导入iPhone 6S 的后盖的模型，有别于其他 CAM 软件，PowerMill 从输入模型开始。输入模型后，需 对iPhone 6S 的后盖模型进行毛坯设定，并且将加工的坐标建立在毛坯的中心处。
设置机器人的打磨刀具，放置在1号刀槽中，直径 为60 mm，长度为30 mm，考虑到是机器人夹持，不用设 定刀柄。PowerMill 软件中没有预设打磨用的刀具，将使 用端铣刀替代计算刀路径，按照拟定好的工艺，1 号 刀路为平行平坦面精加工(图2)，切削行距20 mm，连 接方式为直，并设定刀轴为前倾/侧倾，设定完毕后，直 接计算刀路[3]。
(2 ) 2 号精加工刀路的编制
2 号刀路的编制，要实现完全打磨iPhone 6S 四周的 半圆柱面，至少需要3条以上的打磨刀路。这过程中会 使用到另一款三维软件PowerShape 2017.通过在iPhone 6S 后盖四周生成一条封闭的参考线，然后复制该条参考 线粘贴到PowerMill 的iPhone 6S 后盖模型上，镶嵌成一 条镶嵌参考线，如图3所示。PowerShape 软件可以通过 直接复制创建好的轨迹，镶嵌在PowerMill 模型中形成可以选择的刀路参考轨迹。其余的打磨刀路参考以上的方法，在四周形成3条镶嵌的刀路。如果3 条打磨路径还不能够打磨完全iPhone 6S 后盖的四周半圆，那再根据需要增加适当的刀路。如图4所示。
4 机器人插件的使用
4.1 加载机器人插件执行仿真
在执行机器人仿真前，需将仿真的刀具路径激活，再执行对机器人刀路的仿真。机器人插件的使用流程是从上到下，先在机器人库中找到需要加载的机器人型号加载到PowerMill 的工作空间中。本文所使用到的FANUC 200iD/4S 机器人，就需自行配置进机器人的插件 库中再加载[4]。接着在机器人单元中设定加工零件的位置 (工业机器人用户坐标)，后在机器人控制单元中对打磨的刀具路径执行机器人仿真。执行的顺序是使机器人回原点位置，下一步让机器人到达刀路起始点，再执行播放，待 机器人走完该刀路时可以将仿真文档进行保存[5-6] 。
该处的刀具控制还可对机器人的每个轴进行独立的控制及对刀具的方向进行控制，通过修改方向矢量能够 微调机器人加工过程中的机器人第六轴的方向，从而避免加工过程中奇异点错误等问题。如图5所示。
4.2 水平插件分析仿真情况
机器人执行刀路仿真时，需注意观察机器人工作路径轨迹的工作状况。机器人在执行过程可能存在肩部、肘部与对齐的奇异点，到达轴限界和碰撞等现象。这些 错误都可以在水平插件窗口中提示，以红色精确显示存 在错误的程序情况，从而快速定位并解决错误程序部分。 机器人执行完仿真，需对仿真结果进行保存，才能在水 平插件中显示仿真结果，以便在水平插件中检查加工中是否存在碰撞、奇异点或极限等危险情况。如图6所示。
通过移动水平插件的进度条，发现在机器人仿真过 程中存在奇异点，可通过调整机器人第五轴的角度避开 奇异点。在此，对刀轴控制进行控制(图7)，使机器人 开始以切削的姿态先绕Y 轴旋转10° ~ 20°，就可以避开 奇异点。所以需调整刀具控制位矢量方向，并将矢量中 的J改为0.8.从而避开奇异点。另一种解决的方法是通 过调整工件的位置(用户坐标)到没有奇异点的位置，或勾选插件中的自动奇异点避让均可。至于轴限界的解决，可以使用移动选项下翻转机器人关节配置的方式避开存在限界的加工区域。通过以上的方法校准机器人运行的姿态，直到机器人在运行中不再出现奇异点、到达轴部限界和碰撞等现象。
4.3 写入机器人程序
已仿真无误的刀具路径需通过后置处理转换为机器语言，才能被机器人识别。此功能可在机器人程序这一 栏中完成。需要注意的是，此一栏需要填写程序的名称、用户坐标及加载保存好的仿真程序再执行写入机器人NC程序，可将刀路转换为机器人程序，生成的FANUC 机器人程序可以用记事本的方式打开。
5 验证调试与分析
5.1 Roboguide 检验程序
在Roboguide 仿真软件中检验PowerMil Robot 导出的程序需要关注以下几个地方。一是PowerMill 导出的机器人程序在名称这一栏中有缺失，需要进行填补，不填补加载不进FANUC 机器人中;二是注意程序中调用的用户坐标与工具坐标的方向，在Roboguide 中应设定调用与PowerMill 中相同的坐标数值及方向;三是注意PowerMillRobot 导出的机器人程序的大小，注意不应超过3M，因 FANUC 机器人的可编辑程序内存为1~ 3 M，若超过并提 示TPP 内存不足时，可将程序进行分割或勾选R798 和R709 两个选项调用其他存储再加载进示教器中。
创建一个LR MATE 200iD/4S 机器人机器人标准单元系统，并设定好机器人的工具与用户坐标，注意方向与PowerMill 中的方向保持一致。再通过加载程序的方式将PowerMil Robot 导出的程序加载机器人系统中。此处以加载iPhone 6S 后盖上表面打磨程序为例，加载进的程 序点位无深红色报警，表示程序无误，可以执行仿真。 若点位加载进来出现报警，提示到达能力不足或与示教 信息不符的错误信息，可以通过调整工具坐标与用户坐标的方向使其与报警点位方向一致即可解决。如图8 所示。
当导入的加工轨迹无误时，可以按循环启动键检验 机器人的运行状态，保证运行不出现碰撞、极限和奇异 点等。通过在Roboguide 的仿真执行，观察整体运行无碰 撞、极限及奇异点等问题，表明已具备上机联调的条件。 5.2 程序修正及联机调试虽加工轨迹在仿真中执行无误，但这是在理想化的Roboguide 虚拟环境中的设定。即使仿真工作站与真实工作站相似度极高，也无法避免由于现场安装精度等原因引起的误差。这就会导致机器人与其他各部分间的相对位置在仿真和真实两种情境下有所不同，也就造成了离线程序的轨迹在实际现场运行时会发生位置偏差。虽可以通过重新标定真实机器人的用户坐标系解决这一问题，但是会影响机器人本身其他程序的正常使用。
程序的校准修正是Roboguide 软件解决这种问题的有效手段，它的原理是在不改变坐标系的情况下，计算出拟模型与真实物体的偏移量(以机器人世界坐标系为 基准)，将离线程序的每个记录点的位置进行自动偏移 以适应真实的现场。在对程序进行偏移的同时，相应的 模型也会跟随程序一同偏移，以达到真实环境与仿真环境中机器人与目标物体的相对位置一致的效果。其校准的步骤如下。
( 1 ) 校准功能
校准功能通过在仿真软件上示教3个不在同一直线上的点和实际环境里同样位置的3个点位后，生成偏移 数据。Roboguide 通过计算实际与仿真的偏移量，进而可 以自动对程序和目标模型进行位置修改。该功能有3步，首先在3D 空间示教3点。
(2 ) 点位示教
弹出的虚拟示教器对话框中采用程序中调用的“工具坐标系1”和“用户坐标系0”示教指令中的3个位置点。注意3点不能在同一条直线上(这里将其设置成轨 迹台上平面部的3个点)，如图9所示。
(3 ) 保存校准程序
在完成三点示教后，双击轨迹台重新打开校准项目， 并执行第二步。复制校准程序，并在实机中进行示教。 在实机示教时，需要先设定好相应的工具坐标与用户坐 标，然后把校准程序“CAL2.TP”下载到机器人上，并在实际环境中相同的3个位置上分别示教更新3个特征点的位置。在执行校准时，需要注意真实环境的工业机器人的工具坐标方向应与软件中所创立的工业机器人的工具坐标方向保持一致。若不同，可能导致后期加载的轨迹程序无法执行。
(4 ) 执行校准程序
修正好的程序再放入原文件夹中(直接覆盖)，执 行第三步校准，画面中的数据即是所生成的偏移量，执 行应用后，即可选择需要偏移的程序。此时会对选择偏 移的程序根据真实环境与软件中的位置差距进行偏移，从而获得与真实环境下的机器人同样的位置数据。
(5 ) 执行实机程序
将偏移过后的程序以TP 的格式加载进实际环境中的机器人，运行程序即可完成联调。此外还需要注意调整工业机器人的用户坐标系的位置，使所调用的用户坐标 系与PowerMill Robot 中设定的零件定位保持一致，才能完成刀路的打磨。
6 结束语
本文以CAM/ROBOT 结合机器人加工的数字化编程技术为基础，以打磨iPhone 6 S 后盖的刀路为例，详细介绍了PowerMill Robot 结合Roboguide 再联机执 行工业机器人数控加工方法的可能性。主要的研究成果如下。
( 1 ) 给出了PowerMill Robot 结合Roboguide 再联机的数字化编程及仿真到上机的处理流程。针对FANUC 机器人不能直接使用PowerMill Robot 后置处理转换的数控加工刀路轨迹文件，给出了解决方法。
(2 ) 经过实验证明，该方法同样适用于其他物体的 加工，比如石膏人像加工、金属零部件切割去毛刺等，拓展了本套机器人加工方法的应用范围。
(3 ) 通过PowerMill Robot 结合Roboguide 再联机的 途径，通过CAM/ROBOT 仿真的方式，快速完成刀路检 验，减少机器人和切削设备的投入，降低机器人数控加 工设备投入成本，提高机器人数控加工的效率，减少了 机器人加工过程中的出错风险，保证人员与设备的安全。
参考文献：
[1]李艳晴，林燕文.工业机器人现场编程(FANUC)[ M ].北京： 人民邮电出版社，2018.
[2 ] 章伟涌，朱丹，刘亚萍.基于PowerMill Robot 的机器人离线编 程与仿真[J].绍兴文理学院学报，2021(9)：53-59.
[ 3 ] 朱克亿，彭劲枝.PowerMill 数控加工自动编程经典实例第3 版[M ].北京：机械工业出版社，2021.
[4 ] 王鹏，董人全，孙铁成，等.四足机器人爬行凸起上坡的运动 仿真研究[J ].机电工程，2021.38 (5 )：639-644.
[ 5 ] 徐开怀.CAD/CAM/Robot 集成的加工方法研究及其应用 [ D ].厦门：厦门大学，2018.
[6 ] 朱鸿巍.CAD/CAM/Robotic 一体化石材雕刻系统研制与实验 研究[D ].厦门：厦门大学，2014.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/60689.html
