【新技术】当工业机器人与3D打印跳起双人华尔兹......
2016年，在美国密苏里州St.Louis举办的增材制造用户群大会（AMUG2016）上，3D打印巨头3DSystems公司展示了一款全新的工业级SLA3D打印机---Figure4。这款机器非常罕见地使用了一个工业机器人臂。该公司宣称，Figure4系统把工业机器人臂当作第一阶段的3D打印机，用机械臂的末端作为打印平台。
3D打印机器人臂--Figure4 (图片来自网络)
当然，3D打印技术的应用与管理绝不仅仅局限于一个3D打印平台，也不是说只要有了机器、模型、好的材料就一定能够生产出好的产品，3D打印行业跟传统制造业一样，也需要工艺流程来进行管理操作，机器只是其中一个环节。
在2018年第一期中，IJAC将发表来自东京理科大学Fusaomi Nagata教授团队的研究成果，这篇文章即对工业机器人的管理操作流程进行了优化升级，旨在为工业机器人提供一种类似3D打印机接口的新型数据接口。该研究设计出一款新型震动控制器，可用于发泡聚苯乙烯工业机器人，用以减少生产过程中产生的毛刺；同时，还集中讨论如何在不使用商用CAD/CAM软件的前提下，直接从STL数据中生成有效的加工路径。
图片来自SpringerLink
当前，在工业生产中，主要有两种原型成形系统：一种是可对金属进行精加工的传统去除制造系统(removal manufacturing systems)，如数控铣削加工(numerical control (NC) milling)、数控车床加工(NC lathe machines)；另一种是可将设计理念快速变成实物模型的增材制造系统，如光学成形装置(optical shaping apparatus)、3D打印技术。
我们常说的3D打印技术本质上并不是印刷技术，而是一种制造技术，业内也称其为“增材制造”，与传统制造业通过加工原料最终成型不同，3D打印技术是“无中生有”的制作过程，不仅不受原料几何形状的约束，还几乎不产生废料，能有效节约成本。3D技术在工业中的应用，将对智能生产、智能加工和智能设备带来推动作用。
文章设计了一种震动控制器(vibration motion control)，可应用到发泡聚苯乙烯工业机器人上(foamed polystyrene machining robot)，用以减少生产过程中可能产生的毛刺(cusp marks)，通过开展加工实验，研究者证实了该控制器的优良性能。
此外，该工业机器人还配置了类3D打印(3D printer-like)数据接口(data interface)，这样保证了机器人可直接由STL数据控制(stereolithography data)，无需增加任何计算机辅助制造处理(computer-aided manufacturing (CAM) process)。
上述一切操作的实现有赖于研究者开发的机器人预处理器(robotic preprocessor)，该处理器能够将STL数据直接转换为加工刀位源数据(cutter location source data)，即CL(cutter location)或CLS(cutter location source)数据，从而去掉传统的CAM处理过程。
STL是随3D系统而产生的一种文件格式，现在很多计算机辅助设计软件(computer aided design (CAD)/CAM softwares)都支持STL格式，该格式广泛应用于配备3D打印机的快速成型系统(rapid prototyping)，即典型的增材制造系统(typical additive manufacturing system)中，可用三角网格的形式(triangular representation)表现曲面几何体(curved surface geometry)。
根据STL数据中包含的信息，本文设计的类3D打印数据接口可通过交错路径(zigzag path)、矩形螺旋路径(rectangular spiral path)、循环螺旋路径(circular spiral path)直接控制工业机器人。加工实验证实了本文所设计系统的有效性和有用性。
图片来自文章
本研究借助了铰接式工业机器人(articulated industrial robots)，这是一种模仿人手臂制造的仿生机器人。在金属铸造业，这类灵活度高的机器人臂被应用于母模(master molds)的去除加工(removal machining)中。
图片来自文章
前期，研究者首次提出可产生微震动(micro vibrational motion)的轨迹跟踪控制器(trajectory following controller)，主要应用在工业机器人的球头铣刀上，旨在提升曲面发泡聚苯乙烯材料的加工质量。
通过对原始CL数据(original CL data)进行后期处理(post-processing)，沿着曲面，控制器可在线生成微震动，操作者无需再重新设置CAM参数。通常，在对工业机器人进行轨迹跟踪控制时，不可避免会产生震动，因此，控制器应该有控制并减缓震动的能力。但研究者采取了更积极的做法，将灵活震动(flexible vibrational motion)加入到机器人的轨迹跟踪控制器上，从而有效减少因铣刀的球形可能在曲面上产生的毛刺。
而后，研究者在工业机器人中加入预处理器，直接将STL数据转换成CL数据，从而省略传统的CAM处理过程，具体如下图中所示。STL是一种文件格式，随着3D系统的产生而出现，现在多数CAD和CAD/CAM软件均支持STL格式，该格式广泛应用于配备3D打印机的快速成型系统，用三角网格的形式表现曲面几何体，已经成为一种工业标准。
预处理器使得工业机器人能够通过STL数据中的连续三角网格(continuous triangular polygon mesh)或生成的交错路径(generated zigzag paths)来控制。本文所提到的预处理器还增加了额外的功能：在不使用商用CAM软件的前提下，通过分析原始STL数据，直接经由矩形螺旋路径(rectangular spiral path)和循环螺旋路径(circular spiral one)生成重要的预定轨迹(desired trajectories)。
如上图所示，两种处理过程分管着不同的功能。过程1保证了工业机器人直接由CLS数据控制(通过CAD/CAM可得到CLS数据)，无需再做任何生成机器语言的后续处理工作。另一方面，通过过程2，CLS数据可直接从STL数据中生成，无需再使用任何商用CAM软件，虽然如此，但应提前借助CAD软件(如SolidWorks, AutoCAD或Photoshop, Illustrator等设计软件)获取STL数据。
文章第一部分介绍当前工业生产中的两种原型成形系统；第二部分简单回顾CAM(计算机辅助制造)的基本工作内容；第三部分介绍微震动的生成，用以减少球形铣刀去除加工(removal machining)中可能产生的毛刺；第四部分展示本文设计的控制器在工业机器人具体生产实验中的应用情况；第五部分回顾基于STL数据中三角面片(triangulated patches)的基础预处理器；第六部分则提出一种优化的预处理器，可在不借助商用CAM系统的前提下，从STL数据中生成预设路径；第七部分是本文的结论。
本文提出一种可生成微震动(micro vibrational motion)的轨迹跟踪控制器(trajectory following controller)，主要应用于工业机器人的球形铣刀上，以期提高曲面发泡聚苯乙烯的加工效率和质量。微震动控制器的设计原理也在文中进行了阐释。在曲面发泡聚苯乙烯材料上开展的加工实验证实了该控制器的有效性。
此外，应用到工业机器人中的预处理器可将STL数据转换成CL数据，使得三角面片遵循交错路径、矩形和循环螺旋路径。预处理器允许工业机器人由STL数据中的连续三角网格(continuous triangular polygon mesh)进行控制。这一加工系统的有效性和独创性可由实际的加工实验证实。还有一点值得注意：工业机器人配备了类似3D打印机接口的基于STL数据的接口，无需再进行CAM处理，极具应用前景。
Machining Robot with Vibrational Motion and 3D Printer-like Data Interface
Fusaomi Nagata, Keigo Watanabe, Maki K. Habib
Abstract:
In this paper, a vibration motion control is proposed and implemented on a foamed polystyrene machining robot to suppress the generation of undesirable cusp marks, and the basic performance of the controller is verified through machining experiments of foamed polystyrene. Then, a 3 dimensional (3D) printer-like data interface is proposed for the machining robot. The 3D data interface enables to control the machining robot directly using stereolithography (STL) data without conducting any computer-aided manufacturing (CAM) process. This is done by developing a robotic preprocessor that helps to remove the need for the conventional CAM process by directly converting the STL data into cutter location source data called cutter location (CL) or cutter location source (CLS) data. The STL is a file format proposed by 3D systems, and recently is supported by many computer aided design (CAD)/CAM softwares. The STL is widely used for rapid prototyping with a 3D printer which is a typical additive manufacturing system. The STL deals with a triangular representation of a curved surface geometry. The developed 3D printer-like data interface allows to directly control the machining robot through a zigzag path, rectangular spiral path and circular spiral path generated according to the information included in STL data. The effectiveness and usefulness of the developed system are demonstrated through actual machining experiments.
Keywords:
Computer integrated manufacturing, machining robot, computer aided design (CAD)/computer-aided manufacturing (CAM), cutter location (CL) data, vibrational motion, stereolithography (STL) data, preprocessor, 3 dimensional (3D) printer-like data interface.
Full Text:
1)SpringerLink:
https://link.springer.com/article/10.1007/s11633-017-1101-z
2)IJAC Website:
http://www.ijac.net/EN/abstract/abstract1963.shtml
IJAC专题
参考资料:
1. http://www.jc35.com/news/detail/64187.html
2.http://www.ejdyin.com/article/articleDetail-param-id-1278.html
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本文编辑：欧梨成
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