基于工业机器人的假肢接受腔加工系统研究

作     者：李向义 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭丽峰;刘劲松

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：假肢接受腔 KUKA机器人 三维扫描及建模 刀具路径规划 离线编程 加工仿真 

摘      要：作为假肢中最重要的一个部件,假肢接受腔的制作方法一直是各国假肢领域研究的重要内容。传统的手工制作工艺费时费力,加工质量受人为因素影响大。探索将自动化加工设备应用于假肢接受腔制作已成为假肢制作工艺改进的方向。本文以基于工业机器人的假肢接受腔加工系统为研究对象,研究了将机器人用于接受腔阳模加工的工艺路线和关键技术。具体研究工作如下:首先,对机器人加工系统进行了研究。基于KUKAKR210工业机器人平台,建立了机器人铣削加工系统。该加工系统包括KUKA机器人本体、KRC4控制系统、加工主轴及变频控制系统、以及加工主轴与机器人的连接法兰等部件。KR C4控制系统通过Profibus/Dp与变频控制器进行通讯,实现对加工主轴的控制。在此基础上,基于FreeCAD和MasterCAM软件,建立了加工系统仿真平台,用于离线仿真模拟机器人的运动轨迹及加工工艺规划。其次,应用三维扫描测量和建模技术建立假肢接受腔阳模数字化模型。针对接受腔阳模曲面特征,在Matercam软件中进行加工工艺规划。对接受腔阳模的工件、加工工艺、刀具参数和加工参数等进行设置,得到假肢接受腔阳模加工所需的刀具路径(包括刀具的NCI和NC文件)。在MATLAB中应用D-H法建立KUKA机器人加工系统运动学模型,对运动学正、逆问题进行了分析研究。对Mastercam的数控刀具路径NCI文件进行分析,提取加工刀具的位置姿态信息。通过位置变换和位姿坐标变换,将其转换为机器人加工系统刀具的位姿文件,进而通过机器人运动学逆解得到机器人各轴的角度信息。应用Robotmaster软件对获得的加工阳模所需的离线编程文件进行了仿真验证。最后,在对KUKA机器人加工系统标定基础上,对加工点进行了实验验证。应用3D打印机对接受腔阳模进行了打印实验,就打印时间和操作步骤等方面同机器人雕刻做了对比,说明了各自的优缺点。