异形石材加工双臂机器人结构设计

翠花

　　陕西工学院学报异形石材加工双臂机器人结构设计钟春敏（武汉理工大学机电学院，湖北武汉430070）体石材工件与刀具相对方向不能改变等不足。就新设计的2R―1P3R型双臂机器人的结构及功能作了说明，并简要分析了它的加工过程该机能加工棱体、旋转体、柱槽、磨外圆及对称与不对称空间曲面等特点。　　1异形石材加工设备的现状20世纪世界石材工业迅速发展，从最初欧州的几个石材生产国扩大到现在一百多个石材生产和贸易国，成为当今世界重要产业之一。中国石材工业经过改革开放20年的迅速发展，虽已位居世界石材生产出口的第二大国，但中国石材技术赶不上世界先进石材技术的发展，其差距之一表现在加工方面。从各方面的情况分析，只要在石材加工机械技术上有所创新和突破，中国石材将超过意大利而位居世界第一。　　随着高档建筑业的发展，对异形石材产品的需求越来越大，促使其加工设备迅速发展。在石材工业先进的国家里出现了各种高效率的数控加工设备，这些数控加工设备大致可分为五类：桥切类、磨边倒角机类、金刚石串珠绳类、车床类、铣床类。这些数控机床有很多优点，但也有其局限性和缺点，如只能在平面工件上雕刻加工，不能雕刻全立体异形石材和石材工艺品，不能改进刀具与工件的相对方向。其后果是一方面影响加工效果，往往在工件表面的某些部位形成一些阶梯状的刻痕；另一方面产生较大的、变化的、难以控制的径向力，使刀具损耗很大。　　将机器人用于异形石材加工在我国是一种新的尝试。随着机器人技术的飞速发展，多种类型的机器人已相继问世，但直到目前为止，仍主要局限于单臂机器人作业。然而，在广泛的应用领域内，多种作业则需要双臂机器人乃至多臂机器人的协调配合才能完成。双臂机器人具有许多优越性，它的承载能力高，能实现更高的抓取物体的稳定性，能进行复杂的装配作业，实现动态装配，扩大机器人的作业区域，提高机器人作业的可靠性，实现高精度作业要求，完成单臂机器人不能实现的其他操作等。　　在加工异形石材的自由曲面时，应保证被加工工件表面的作业点处的法线垂直向上，显然单臂机器人无法胜任这项工作，需要使用一个双臂机器人来协调完成这一工作任务，即要求使一个机械手夹持工件，在切削过程中转动，从而保证工件表面上作业点处的法线垂直向上，同时另一个机械手夹持刀具，可在任意位置上沿竖直方向进刀。两个机械手的运动必须满足一定的协调约束关系，才能完成切削加工。　　2异形石材加工双臂机器人的结构设计设计了异形石材加工的双臂机器人结构如所示，它有两个开链机构，是一种双臂机器人结构，为2R―1P3R型。　　机械手I2R臂的各构件间用转动副联接，它用来夹持工件，三个轴线相交的转动副的作用相当于一个球面副，工件可绕这些转动副轴线的交点转动而位于任何方位上，但由于在铣削过程中只要求工件表面作业点处法线与水平面垂直，工件绕此法线转动的方向不需要控制，因此，机械手I只需要两个轴线相交的转动副即可满足工作要求，在铣削过程中，通过调整两个转动副的转角和03，使得工作表面上作业点处的法线始终保持垂直向上的状态。　　机械手中各构件间是用一个移动副和三个转动副联接的，移动副关节用来控制刀具的上，2R―1P3R型双臂机器人下移动，三个转动副关节用来控制机械手的位置。　　3小结该机完全突破了前述数控设备的缺点。第一个功能是可雕刻各种全立体异形石材和石材工艺品。第二个功能是加工棱柱和旋转体，即换上圆盘刀片，开动电机，使02=°。第三个功能是加工罗马柱槽，此时02=90°刀盘的径向中截面与机械手I的Z2轴共面。第四个功能是磨圆柱，此时换上磨头，令02=90°。　　本文研究设计的新型异形石材数控加工设备兼有异形石材加工用数控铣床和数控车床的功能，并且突破了它们的局限性。不但能加工轴对称异形石材，而且能加工无对称轴的全立体空间曲面，具有广阔的应用前景。