孫 彬,杜虎兵,王建華,李 兵

(1.西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,西安 710021;2.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,西安 710049)

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體,是立國之本、興國之器、強國之基。隨著“中國制造2025”的來臨,制造業(yè)智能化的代表——工業(yè)機器人,正逐漸代替人力大規(guī)模應(yīng)用于各個領(lǐng)域,其發(fā)展質(zhì)量和水平很大程度上代表著一個國家的工業(yè)發(fā)達程度[1-3]。RV(Rotate Vector)減速器(封閉差動式擺線針輪行星減速器),如圖1所示,具有較高的疲勞強度、剛度和壽命,并且回差和傳動精度穩(wěn)定,不會隨著使用時間的增長而顯著降低,又具有體積小、重量輕、壽命長、傳動比范圍大等優(yōu)點,因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人關(guān)節(jié)減速器[4-6]。

圖1 RV減速器

目前全球的RV減速器75%的市場份額被兩家日本公司(Nabtesco公司和Harmonic Drive公司)壟斷,隨著國內(nèi)人力成本增加企業(yè)轉(zhuǎn)型緊迫的要求,機器人用RV減速器的研發(fā)制造已被提升到國家戰(zhàn)略層面,研究減速器關(guān)鍵部件的檢測并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場,為提高其制造質(zhì)量是一件利國利民的強基工程[7-9]。目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在RV減速器傳動精度方面。Blanche利用純幾何學(xué)方法研究了擺線針輪行星減速器的回轉(zhuǎn)精度[10-11];Boguski B研究了制造誤差對各行星輪負載分擔(dān)及運行軌道的實驗測量等對減速器精度的影響[12];國內(nèi)以大連交通大學(xué)李立行、何衛(wèi)東為代表的學(xué)者[13-14],從上世紀(jì)80年代初,就開始針對研究RV 減速器傳動精度的研究,在理論及應(yīng)用方面都有很大的突破。然而針對RV減速器零部件的加工制造精度研究卻少之又少,其中奚鷹提出在減速器制造裝配誤差中,曲軸偏心距和偏心距誤差對RV減速器傳動精度有較大影響,并建立了曲軸偏心距和偏心距誤差影響的數(shù)學(xué)模型。

圖2 擺線輪

擺線輪(圖2)作為工業(yè)機器人RV減速器中的核心部件,它的精度影響著整個RV減速器的性能,其加工質(zhì)量和檢測效率直接制約著工業(yè)機器人的發(fā)展。現(xiàn)階段對擺線輪質(zhì)量保證的檢測手段主要是線下手工抽檢,不僅效率低、勞動強度大,而且可靠性較低;若使用三坐標(biāo)測量機或圓度儀等高精度設(shè)備檢測,成本高且效率低下,不滿足線上逐件檢測的要求。因此考慮到國內(nèi)強大需求,如某企業(yè)年產(chǎn)數(shù)6萬臺套的產(chǎn)量,檢測要求:位置度測量節(jié)拍<10 s,位置度測量誤差小于2 μm,孔徑及圓度最大測量誤差均小于 1 μm。對檢測要求不僅精度高穩(wěn)定可靠而且要求一次裝夾完成多參數(shù)檢測、速度快效率高等,那么有必要對其在線檢測技術(shù)進行深入研究并實施工程應(yīng)用。針對RV減速器量化生產(chǎn)的線上檢測要求,研究擺線輪的綜合檢測技術(shù)及方案,并開發(fā)在線檢測裝置,為工業(yè)機器人提供可靠的質(zhì)量保證具有重要意義。

1 被測參數(shù)評定模型

根據(jù)某企業(yè)RV機器人減速器數(shù)字化生產(chǎn)線的需要,某型號擺線輪的主要檢測項目分別是圓周等分的3個軸承安裝孔的孔組位置度誤差、孔內(nèi)徑及圓度誤差,要求測量精度達到微米量級,測量節(jié)拍小于1 min。下面分別對擺線輪的被測參數(shù)評定模型進行論述。

1.1 位置度檢測

位置度是指被測要素的實際位置偏移理想位置的程度,理想位置相對于基準(zhǔn)或幾何圖框確定。位置度誤差直接影響零部件的裝配質(zhì)量,必須對加工的零件位置度誤差進行檢查,以確保零件質(zhì)量[15-17]。在工業(yè)機器人RV減速器關(guān)鍵零件擺線輪的加工生產(chǎn)過程中,其軸承安裝孔的尺寸和位置都會存在一定的加工制造誤差,從而產(chǎn)生了孔組位置度誤差,這對減速器的裝配以及機器人的運轉(zhuǎn)都會產(chǎn)生影響。考慮到擺線輪曲柄軸孔的偏心誤差對RV減速器的裝配以及傳動精度有重要的影響,對擺線輪上軸承安裝孔的孔組位置度在線檢測必不可少。

圖3 電感傳感器及分布示意圖

根據(jù)被測要素以中心孔作為定位基準(zhǔn),采用了量程大、精度高的杠桿式電感位移傳感器來采集數(shù)據(jù),傳感器的分布如圖3所示。在中心孔導(dǎo)向套的截面上每隔120°的方向上分布一支傳感器(M1～M3),在圓周分布的3個導(dǎo)向套的同一截面內(nèi)每隔90°的方向上各分布一支傳感器(M4～M15),共計15支位移傳感器。其中,傳感器M1M4M6、M2M8M10、M3M12M14的測頭所在直線分別互成120°。傳感器M5M7的測頭方向與M4M6的測頭方向垂直;傳感器M9M11的測頭方向與M8M10的測頭方向垂直;傳感器M13M15的測頭方向與M12M14的測頭方向垂直。

位置度檢測使用傳感器多,數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,執(zhí)行過程可用以下步驟描述:

①分別在位置度測量部分上放上擺線輪的標(biāo)定件和實測件,分別獲得15支傳感器的數(shù)據(jù),并計算每支傳感器標(biāo)定值與實測值的差值ΔS1,ΔS2,ΔS3,…,ΔS15:

(1)

②使用三坐標(biāo)測量機對標(biāo)準(zhǔn)件進行標(biāo)定,測得擺線輪圓周均布的3個軸承安裝孔與中心孔的孔心距分別為d|01|、d|02|、d|03|。如圖4標(biāo)定件各孔圓心分別如圖中O、1、2、3,實測件各孔圓心分別如圖中O′、1′、2′、3′。

圖4 標(biāo)定件及實測件各孔圓心

將各孔心距在位置度測量部分傳感器行成的坐標(biāo)系下進行換算,得到中心孔圓心的坐標(biāo)O(X0,Y0)為:

(2)

圓周分布軸承安裝孔1的圓心坐標(biāo)(X1,Y1)為:

(3)

圓周分布軸承安裝孔2的圓心坐標(biāo)(X2,Y2)為:

(4)

圓周分布軸承安裝孔3的圓心坐標(biāo)(X3,Y3)為:

X3=-d|03|×sin30°Y3=-d|03|×cos30°

(5)

③參照圖3中傳感器的分布方向,在位置度測量部分傳感器行成的坐標(biāo)系下,通過中心導(dǎo)向套的1、2、3號傳感器實測值與標(biāo)定值之差ΔS1,ΔS2,ΔS3,可得到標(biāo)定件與實測件的中心孔的孔心坐標(biāo)偏差量:

(6)

那么,通過圓周導(dǎo)向套的4、5、6、7號傳感器實測值與標(biāo)定值之差ΔS4、ΔS5、ΔS6、ΔS7,可得到標(biāo)定件與實測件軸承安裝孔1的孔心坐標(biāo)偏差量:

(7)

再通過圓周導(dǎo)向套的8、9、10、11號傳感器實測值與標(biāo)定值之差ΔS8、ΔS9、ΔS10、ΔS11,可得到標(biāo)定件與實測件軸承安裝孔2的孔心坐標(biāo)偏差量:

(8)

然后通過圓周導(dǎo)向套的12、13、14、15號傳感器實測值與標(biāo)定值之差ΔS12、ΔS13、ΔS14、ΔS15,可得到標(biāo)定件與實測件軸承安裝孔3的孔心坐標(biāo)偏差量:

(9)

④參照圖5,在得到實測件各孔心坐標(biāo)后,將d|1′0|、d|2′0|、d|3′0|中最接近標(biāo)準(zhǔn)孔心距(63 mm)的作為基準(zhǔn)參照,例如當(dāng)|d|1′0|-63| mm最小時,將O′1′所在直線及O′(P0)作為基準(zhǔn),擬合出圓周均布的3個孔圓心的理想位置P1、P2、P3,可通過圓周3個軸承安裝孔孔心的理想位置與實際位置之間的坐標(biāo)偏差求得形成的公差帶f1、f2、f3,即得出圓周分布的軸承安裝孔的位置度誤差。

圖5 位置度公差帶擬合示意圖

(10)

(11)

(5)在得出P1、P2、P3的坐標(biāo)后,分別與實測件孔心1′、2′與3′行成的公差帶即為各孔的位置度,評定公式表示為:

(12)

1.2 內(nèi)徑檢測

內(nèi)徑是指擺線輪圓周分布的3個軸承安裝孔的內(nèi)徑。圓度是指孔的橫截面接近理論圓的程度,即孔中最大半徑與最小半徑的差值。在加工過程中,由于機床主軸回轉(zhuǎn)不平衡、刀具與主軸之間的受力、材料應(yīng)變等諸多因素,回轉(zhuǎn)類零件不可避免地會產(chǎn)生圓度誤差,直接影響回轉(zhuǎn)類零件的互換性和配合精度,加劇互配件的磨損、震動等,降低了使用性能和壽命[18-19],故零件孔的圓度誤差需得到有效的控制,根據(jù)被測要素的特征,課題采用氣動測量方式。根據(jù)比較測量需要,設(shè)計制造出軸承安裝孔兩個校對規(guī),其尺寸分別等于孔徑公差的最大和最小極限。測量前先校對標(biāo)準(zhǔn)件,計算獲得測量直線的斜率,然后對被測工件進行測量并獲得壓力值,如下式:

(13)

(14)

式中:D1、D2為標(biāo)準(zhǔn)件1和2的孔徑值(mm);P1、P2為標(biāo)準(zhǔn)件1和2標(biāo)定時的測量壓力(kPa);k為測量直線的斜率值(mm/kPa);b為測量直線橫截距(mm);

測量過程中,氣動傳感器采集到壓力信號后,通過以下公式計算出被測孔的直徑值。

D=K×P+b

(15)

式中:D為被測工件的直徑(mm);P為實測時的傳感器壓力值(kPa)。

為滿足生產(chǎn)線快速高效的要求,配備浮動機構(gòu)以及氣缸等部件,實現(xiàn)對3個孔內(nèi)徑的自動化測量:精密轉(zhuǎn)臺開始轉(zhuǎn)動,尋找初始設(shè)定位置并停止,垂直移動氣缸帶動浮動氣測頭向下運動至第1個測量孔,測量完畢后退回初始位置,精密轉(zhuǎn)臺依次精確旋轉(zhuǎn)120°氣測頭依次實現(xiàn)對其余兩個孔的檢測,整個測量過程節(jié)拍<40 s,滿足生產(chǎn)線上的檢測要求,測量方案示意如圖6所示。

圖6 孔內(nèi)徑測量方案示意圖

1.3 圓度檢測

目前圓度誤差評定有4種常用的方法:最小二乘法、最小區(qū)域法、最大內(nèi)接圓法和最小外接圓法。課題研制的設(shè)備需要在生產(chǎn)車間在線使用,實現(xiàn)對擺線輪圓周分布軸承安裝孔內(nèi)徑及圓度的快速高效測量。內(nèi)徑在加工中已經(jīng)使用了主動測量裝置,因此其尺寸一致性較好,考慮到效率和節(jié)拍要求,本文采用一種近似圓度測量的工程應(yīng)用方法。即獲取一個截面的兩個垂直方向的直徑,將兩個直徑近似作為包容該截面實際輪廓中的最大和最小同心圓的直徑。采取最小區(qū)域評定法,可得出行星架及擺線輪軸承安裝孔的圓度誤差近似為:

f=|(D1-D2)/2|

(16)

式中:D1、D2為氣測頭得出的被測工件中同一截面上的兩個直徑數(shù)據(jù)。

圖7 擺線輪檢測裝置機械結(jié)構(gòu)

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

擺線輪在線測量裝置的機械結(jié)構(gòu)主要是由Z軸立柱、精密回轉(zhuǎn)平臺、位置度測量部分及電器柜組成,如圖7所示,運動部位主要包括回轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)、浮動測頭的垂直上下移動,在位置度采用靜態(tài)測量,無需運動部件。

位置度測量結(jié)構(gòu)設(shè)計由傳感器導(dǎo)向套、基板、支架等組成,其中關(guān)鍵設(shè)計是基板上的導(dǎo)向套以及導(dǎo)向套上傳感器測頭的開孔位置,需使得其開孔位置滿足位置度的測量方案傳感器的分布方向,其三維建模和實物圖分別如圖8所示。

圖8 位置度測量部分機械結(jié)構(gòu)(以中心孔為基準(zhǔn))

圖9 Z軸立柱機械結(jié)構(gòu)

參照以中心孔為測量基準(zhǔn)時的設(shè)計方案為,在中心孔導(dǎo)向套的某一截面上每隔120°的方向上設(shè)置一個圓形開口,在圓周分布的3個導(dǎo)向套,在導(dǎo)向套的同一截面內(nèi)每隔90°的方向上設(shè)置一個圓形開口,共固定15支位移傳感器,傳感器測頭分布圖參照圖3。

孔徑測量主要包括:Z軸立柱(圖9)是浮動氣測頭的安裝軸,其作用是帶動浮動氣測頭實現(xiàn)垂直方向的移動,完成對擺線輪軸承安裝孔內(nèi)徑的測量,Z軸立柱主要是由Z軸支架、固定導(dǎo)軌、浮動機構(gòu)及氣測頭、氣缸、連接件及緩沖座等組成。Z軸支架的行程設(shè)計為500 mm,使工件與被測件之間有足夠的空間,方便工件的取放;由于氣測頭與被測孔的間隙很小,浮動機構(gòu)作用是在轉(zhuǎn)臺定位出現(xiàn)微小偏差的情況下,使氣測頭能通過倒角的過渡順利進入被測孔;緩沖座是使氣測頭在進入被測孔的過程更加平穩(wěn),另外在意外情況下,起到保護氣缸及氣測頭的作用;氣測頭測量精度為0.001 mm。

2.2 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測系統(tǒng)的電氣部分包括硬件和軟件設(shè)計,其中硬件由研華工控機、PCI-1730運動控制卡及端子板、英國雷尼紹RESM圓光柵、伺服電機(130LCX-2A)及高精度脈寬調(diào)速裝置、SMC氣缸及電磁閥、磁性接近開關(guān)等組成控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如圖10所示?？刂葡到y(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制,可以實時監(jiān)控測量設(shè)備的狀態(tài)。氣缸的精確運動位置由電磁閥與接近開關(guān)控制,轉(zhuǎn)臺的精確轉(zhuǎn)動由軟件讀取圓光柵讀數(shù)并配合電機實現(xiàn)。為了保護操作人員及各測量部分件的安全,電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制系統(tǒng)中需設(shè)置急停功能,實時讀取各氣缸接近開關(guān)及電機狀態(tài),判斷當(dāng)前狀態(tài)是否正常,配合控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)準(zhǔn)確可靠檢測。

圖10 控制系統(tǒng)框圖

檢測系統(tǒng)的軟件是在Windows平臺下,利用Microsoft Visual Studio 2010中的C++編程工具進行開發(fā)。C++繼承了C語言功能強、效率高、易學(xué)易用的特點,加之其利用面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計,運用多線程技術(shù)實現(xiàn)軟件的實時控制和數(shù)據(jù)采集。圖11是本系統(tǒng)的主界面,測量時在每個工件檢測之前輸入其型號(或編號),按下自動測量按鈕,各運動部件就會按規(guī)劃好的動作順序自動測量完成,并進行數(shù)據(jù)自動保存。

圖11 軟件主界面

3 實驗驗證

根據(jù)擺線輪被測環(huán)境,測量機在線檢測時的誤差源主要有標(biāo)準(zhǔn)件誤差、轉(zhuǎn)臺定位誤差、溫度誤差、測量機測量誤差等;前兩者由機械加工精度來保證,通過第三方檢測確定為定量誤差,可以通過軟件進行消除;考慮到車間恒溫特征,溫度誤差可以忽略;而測量機的測量誤差主要由傳感器采樣引起,通過軟件算法進行抑制。實驗時需要在軟件界面設(shè)置誤差修正參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù),測量前使用擺線輪標(biāo)準(zhǔn)件進行對標(biāo)。然后對被測擺線輪工件進行多次測量實驗,驗證本檢測系統(tǒng)的測量重復(fù)性精度,并與三坐標(biāo)測量機對此被測件的檢測結(jié)果進行對比,驗證本測量系統(tǒng)的可靠性,圖12中用不同線型標(biāo)示出各個孔的10次的位置度實驗結(jié)果。從與三坐標(biāo)機的測量結(jié)果對比的情況可以看出,孔1的測量誤差≤1 μm;孔2的測量誤差≤3 μm;孔3的測量誤差≤3 μm。即從實際的測量結(jié)果來看,總體的測量誤差在3 μm以內(nèi),滿足小于3 μm的測量要求,說明測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖12 擺線輪各孔位置度30次實驗結(jié)果

接著用氣動測量方式對擺線輪孔徑尺寸進行測量及比對,從表1中的對比可以看出,與三坐標(biāo)測量機的測量結(jié)果進行對比,測量誤差均小于0.001 mm,滿足測量精度要求(小于0.002 mm),說明本測量系統(tǒng)的測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。對于圓度誤差,與三坐標(biāo)測量機的結(jié)果進行對比后,可得到測量誤差仍均小于 1 μm,滿足測量精度要求(小于0.002 mm),進一步說明測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠,測量節(jié)拍<1 min/件,滿足在線檢測要求。

表1 某擺線輪各孔10次實測數(shù)據(jù)對比 單位:mm

4 結(jié)論

工業(yè)機器人RV減速器具有傳動比大、高傳動精度、傳動效率高、體積小、剛度高等特點,特別適用于工業(yè)機器人及其他精密伺服傳動系統(tǒng)。為了改善我國的工業(yè)機器人RV減速器高度依賴進口的現(xiàn)狀,對關(guān)鍵部件進行在線檢測技術(shù)研究,建立具有自主產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人減速器生產(chǎn)線,對于推動我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提高基礎(chǔ)裝備制造競爭力具有重要的意義。論文提出了一種采用多傳感器測量系統(tǒng)對孔組位置度進行在線快速檢測的方法,實現(xiàn)了位置度測量節(jié)拍<10 s,并與三坐標(biāo)測量機的測量結(jié)果進行對比驗證,最大測量誤差小于3 μm,孔徑及圓度最大測量誤差均小于1 μm。成功研制出在線檢測設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于某企業(yè)機器人減速器生產(chǎn)線上,實現(xiàn)了對擺線輪軸承安裝孔的內(nèi)徑、圓度和位置度的自動化檢測,實現(xiàn)整機測量節(jié)拍均小于1 min,滿足了RV減速器生產(chǎn)線的年產(chǎn)6萬套的在線檢測需求。

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