齊立哲，湯 青，楊書評(píng)，劉 穎

（1.廊坊智通機(jī)器人系統(tǒng)有限公司，廊坊 065001；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)重要的機(jī)件，它的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，也是整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的源動(dòng)力。曲軸有兩個(gè)重要部位：主軸頸和連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接。經(jīng)過機(jī)械加工，在曲軸主軸頸和連桿頸上的油孔端部及輸出軸上的鍵槽等部位上會(huì)殘留一些毛刺。這些毛刺雖然很小，但如不清理會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命及性能。

針對(duì)曲軸上毛刺的清理，很多人對(duì)相關(guān)工藝及設(shè)備進(jìn)行了研究。周德生提出先倒角后采用自制拋光頭進(jìn)行光整的去毛刺工藝，人工實(shí)現(xiàn)曲軸去毛刺過程[1]；周長(zhǎng)華在分析影響油孔清潔度的因素及形成原因的基礎(chǔ)上，分別介紹了電解去毛刺法、高壓清洗法及油孔刷方法并分析了其優(yōu)劣[2]；楊鐵男等人采用電解法去毛刺的工藝，設(shè)計(jì)制造了電解去毛刺機(jī)床，較理想地解決了深孔相交部位的去毛刺問題[3]；不管采用什么工藝，都需要去實(shí)現(xiàn)，目前實(shí)現(xiàn)過程主要采用人工為主。但人工去毛刺不僅效率低下，更重要的是去毛刺過程由于環(huán)境污染及勞動(dòng)強(qiáng)度很大，對(duì)人體健康有很大的傷害。因此自動(dòng)化去毛刺是此領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，特別是由于機(jī)器人柔性好、價(jià)格適中，越來越受到商家的青睞。尹群等人介紹了一種采用ASEA IRB6在Saab公司實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化去毛刺過程[4]；李慶友介紹了一種曲軸油孔的柔性自動(dòng)加工線[5]。

本文介紹了一種基于離線編程的用于曲軸去毛刺的機(jī)器人系統(tǒng)，基于曲軸的CAD模型離線生成了機(jī)器人去毛刺程序，采用輔助支架實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中工件坐標(biāo)系的標(biāo)定，采用變形的三點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中工具坐標(biāo)系的標(biāo)定。經(jīng)過系統(tǒng)標(biāo)定，使離線編制的程序有效應(yīng)用到了實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)中；采用離線編程的方式生成機(jī)器人曲軸去毛刺程序，大大提高了編程效率。

1 機(jī)器人曲軸去毛刺的系統(tǒng)介紹

圖1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，機(jī)器人曲軸去毛刺系統(tǒng)主要包括上料臺(tái)、下料臺(tái)、卡具、工業(yè)機(jī)器人及去毛刺工具等。安裝在機(jī)器人上的卡具首先從上料臺(tái)上抓取曲軸，然后運(yùn)動(dòng)到去毛刺工具工位實(shí)現(xiàn)去毛刺過程，最后機(jī)器人將去完毛刺的曲軸放到下料臺(tái)上；而機(jī)器人去毛刺的程序是通過離線編程實(shí)現(xiàn)的。

2 機(jī)器人去毛刺系統(tǒng)離線編程

2.1 去毛刺工藝過程分析

一般曲軸有三個(gè)部位需要去毛刺，油孔口、油孔交叉處及鍵槽部位。如圖2所示的某種類型的曲軸有1個(gè)鍵槽、8個(gè)油孔口及4個(gè)多孔交叉處需要去毛刺，其中鍵槽可用高速旋轉(zhuǎn)的特制鋼刷來實(shí)現(xiàn)去毛刺過程，油孔口及多孔交叉處可用旋轉(zhuǎn)鉸刀來實(shí)現(xiàn)去毛刺過程。

圖2 曲軸結(jié)構(gòu)

2.2 離線編程過程

機(jī)器人去毛刺作業(yè)運(yùn)動(dòng)過程可以看成是機(jī)器人工具坐標(biāo)系逐步逼近作業(yè)坐標(biāo)系的過程，而作業(yè)坐標(biāo)系是根據(jù)作業(yè)任務(wù)而規(guī)劃出的在工件坐標(biāo)系下的一系列坐標(biāo)系[6]。因此機(jī)器人曲軸去毛刺系統(tǒng)離線編程過程主要就是根據(jù)工藝要求及CAD模型，規(guī)劃出一系列的作業(yè)坐標(biāo)系的過程。具體過程如下：

1）選定合適的工件坐標(biāo)系：為了便于計(jì)算作業(yè)坐標(biāo)系及實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)系的標(biāo)定，需要在CAD模型上確定合適的離線編程相對(duì)的工件坐標(biāo)系，根據(jù)曲軸特點(diǎn)，選定的工件坐標(biāo)系如圖3所示，其中：

（1）原點(diǎn)：在曲軸大端面圓心處。

（2）X軸：沿曲軸的主軸頸中心線方向并從大端面朝外。

（3）Y軸：垂直于曲軸連桿頸中心線及X軸確定的平面并朝里。

（4）Z軸：通過右手法則確定。

圖3 工件坐標(biāo)系定義圖

2）根據(jù)工藝要求計(jì)算各作業(yè)坐標(biāo)系：確定了工件坐標(biāo)系便可以根據(jù)工藝要求通過CAD模型計(jì)算出各個(gè)作業(yè)坐標(biāo)系。其中各類作業(yè)坐標(biāo)系定義如下：

（1）原點(diǎn)：鍵槽或者各油孔中心所在點(diǎn)。

（2）Z軸：沿油孔中心線方向朝外（油孔）或者沿工件坐標(biāo)系Z軸（鍵槽）。

（3）Y軸：與工件坐標(biāo)系Y軸同向或者反向。

（4）X軸：根據(jù)右手法則確定。

圖4 各類作業(yè)坐標(biāo)系定義圖

根據(jù)上述定義并結(jié)合曲軸的三維結(jié)構(gòu)尺寸便可以規(guī)劃出一系列的作業(yè)坐標(biāo)系，即實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人曲軸去毛刺過程的離線編程。

3 系統(tǒng)中坐標(biāo)系的標(biāo)定

雖然經(jīng)過離線編程過程獲得了機(jī)器人的加工路徑，但為了將離線規(guī)劃的路徑應(yīng)用到實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)，還需要確定工件及工具坐標(biāo)系，以便形成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)回路，即：

其中：WobjTWork為規(guī)劃出的作業(yè)坐標(biāo)系，Tool0TWobj和BaseTTool為待標(biāo)定的工件和工具坐標(biāo)系。

3.1 工件坐標(biāo)系標(biāo)定

由式（1）可知，工件坐標(biāo)系的標(biāo)定，即確定當(dāng)曲軸被機(jī)器人抓取后，工件坐標(biāo)系與機(jī)器人法蘭盤坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，具體過程如下：

1）首先在機(jī)器人末端法蘭盤上固定一尖點(diǎn)。

2）通過工業(yè)機(jī)器人自有的三點(diǎn)法標(biāo)定出這一尖點(diǎn)的位置。

3）將曲軸放置到一輔助支架上，使其工件坐標(biāo)系方向與支架上可直接標(biāo)定的支架坐標(biāo)系一致，如圖5所示。

圖5 標(biāo)定支架與曲軸

4）通過機(jī)器人自身標(biāo)定算法通過標(biāo)定支架坐標(biāo)系確定曲軸工件坐標(biāo)系在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換矩陣BaseTWobj。

5）將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到手臂上的卡具剛好抓取到曲軸的位置，記下法蘭盤坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣

6）通過前面的兩個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣便可以標(biāo)定出工件坐標(biāo)系，即：

3.2 工具坐標(biāo)系的標(biāo)定

去毛刺鉸刀和鋼刷等工具坐標(biāo)系可用下圖描述，主要有刀桿和刀頭組成，其標(biāo)定過程如下：

1）首先在機(jī)器人末端法蘭盤上固定一尖點(diǎn)。

2）通過工業(yè)機(jī)器人自有的三點(diǎn)法標(biāo)定出這一尖點(diǎn)的位置。

3）通過尖點(diǎn)可以測(cè)量出工具坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置

圖6 工具坐標(biāo)系定義

4）通過尖點(diǎn)可以測(cè)量出刀桿上各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后通過圓柱擬合便可獲得Z軸方向向量。

5）定義Y軸朝下。

6）通過矢量叉乘便可獲得X軸的方向向量，從而最終標(biāo)定出工具坐標(biāo)系。

4 結(jié)論

本文定義了機(jī)器人曲軸去毛刺系統(tǒng)中的工件坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系及作業(yè)坐標(biāo)系；根據(jù)工藝要求及CAD模型離線規(guī)劃了機(jī)器人去毛刺路徑；采用輔助支架及變形得三點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)了各個(gè)坐標(biāo)系的標(biāo)定并最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人實(shí)際去毛刺過程。

[1] 周德生.曲軸油孔口邊毛刺的光整加工[J].汽車技術(shù),1993(1):29-30.

[2] 周長(zhǎng)華.一種解決曲軸油道孔清潔問題的工藝設(shè)計(jì)[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2010,2(16):44-47.

[3] 楊鐵男,范衛(wèi)真.電解去毛刺技術(shù)在曲軸深孔上的應(yīng)用[J].機(jī)械制造,1996,(3):14-16.

[4] 尹群,岳池.曲軸毛刺的自動(dòng)化清理裝備[J].汽車工藝,1986,(3):40-41.

[5] 李慶友.曲軸油孔的柔性自動(dòng)加工線[J].國(guó)外汽車,1991(4):63-64.

[6] 齊立哲,甘中學(xué),員超,湯青,孫云權(quán).機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)作業(yè)精度分析與誤差補(bǔ)償[J].機(jī)器人,2010,32(6):787-791.