郭欣 施蕓 于振軍
摘要:大型鍛件是大型機(jī)械的關(guān)鍵部位,消除大型鍛件缺陷是提高鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵?,F(xiàn)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的缺陷消除原理,以碗狀結(jié)構(gòu)路徑規(guī)劃為例,分析了其路徑規(guī)劃算法,并通過碗狀結(jié)構(gòu)路徑的規(guī)劃,大型鍛件缺陷磨削工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型鍛件缺陷的消除工作。
關(guān)鍵詞:大型鍛件;缺陷面;磨削;工業(yè)機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)規(guī)劃
0 引言
大型鍛件一般應(yīng)用在大型機(jī)械的關(guān)鍵部位,其所處工作環(huán)境惡劣,受力復(fù)雜多變,因此,在生產(chǎn)過程中對(duì)大型鍛件的質(zhì)量要求很高。生產(chǎn)大型鍛件時(shí),即使采用最先進(jìn)的冶金技術(shù),鋼錠內(nèi)部也不可避免地存在微裂紋、疏松、縮孔、偏析等缺陷,嚴(yán)重影響鍛件的質(zhì)量,及時(shí)消除這些缺陷,是提高鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵。
目前,在大型鍛件表面缺陷消除作業(yè)過程中,基本采用人工方式完成缺陷查找、確認(rèn)和磨削處理等工作,磨削處理時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量粉塵,人員工作環(huán)境惡劣,且存在缺陷漏檢率較高、生產(chǎn)效率低下、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、企業(yè)生產(chǎn)成本高等問題。
為了解決上述問題,本項(xiàng)目研究基于工業(yè)機(jī)器人,以機(jī)器視覺和無示教自動(dòng)編程技術(shù)為核心,研制大型鍛件表面缺陷機(jī)器人自動(dòng)消除系統(tǒng),重點(diǎn)解決基于機(jī)器視覺的大型鍛件表面缺陷識(shí)別和定位、工業(yè)機(jī)器人多點(diǎn)作業(yè)軌跡自動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)行控制等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用問題。
1 工業(yè)機(jī)器人缺陷磨削原理
不同于工業(yè)機(jī)器人的其他磨削場(chǎng)合,大型鍛件表面缺陷機(jī)器人在進(jìn)行磨削作業(yè)時(shí),只針對(duì)缺陷部分,當(dāng)某一缺陷部分磨削完成,機(jī)器人快速移動(dòng)至下一缺陷部分繼續(xù)磨削。
由于缺陷形狀不規(guī)則,大型鍛件表面缺陷機(jī)器人在磨削前,需規(guī)劃以怎樣的形狀去除缺陷。本項(xiàng)目研究過程中,分別使用了回字形狀及碗狀結(jié)構(gòu)去除缺陷,碗狀結(jié)構(gòu)的加工路徑俯視圖如圖1所示。
由于回字形狀結(jié)構(gòu)的加工路徑轉(zhuǎn)角過多,降低了機(jī)器人的運(yùn)行節(jié)拍,從而降低了機(jī)器人的運(yùn)行速度。而碗狀結(jié)構(gòu)的加工路徑由多個(gè)同心圓弧構(gòu)成,圓弧曲線平滑,不會(huì)影響機(jī)器人的運(yùn)行速度。
本項(xiàng)目經(jīng)過反復(fù)多次實(shí)驗(yàn),用回字形狀結(jié)構(gòu)和碗狀結(jié)構(gòu)分別去覆蓋缺陷部分,發(fā)現(xiàn)碗狀結(jié)構(gòu)與缺陷部分更加貼合,對(duì)無缺陷部分鍛面的影響也最小。
2 工業(yè)機(jī)器人磨削缺陷面外接圓繪制
磨削系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù),當(dāng)機(jī)器視覺系統(tǒng)采集回大型鍛件的表面輪廓后,將其顯示在人機(jī)界面上,在顯示過程中,對(duì)缺陷部分進(jìn)行特別標(biāo)注,機(jī)器人在對(duì)缺陷部分進(jìn)行磨削前,需要構(gòu)建一個(gè)最小外接圓,將缺陷部分的所有加工點(diǎn)包圍在其中。大型鍛件某處缺陷面如圖2所示。
要在缺陷面外部找一個(gè)最小外接圓,其步驟為:
(1)在缺陷面突起部分找坐標(biāo)點(diǎn),如圖3所示。
(2)用直線將相鄰坐標(biāo)點(diǎn)連接起來,形成一個(gè)不規(guī)則的多邊形,如圖4所示。
(3)求解不規(guī)則多邊形的重心作為外接圓的圓心。設(shè)以上不規(guī)則多邊形數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi,yi)(其中i=1,2…,n,n為多邊形數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)),而多邊形的重心G的坐標(biāo)為(xg,yg),則多邊形的重心為:
(5)以距離c為半徑,繪制圓形,該圓即為缺陷面的外接圓,在后續(xù)的磨削中,可將該外接圓作為碗狀結(jié)構(gòu)加工路徑的碗口。
3 工業(yè)機(jī)器人磨削路徑自動(dòng)規(guī)劃
要使機(jī)器人磨削出碗狀路徑,需在三維空間中考慮機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑,假設(shè)機(jī)器人磨削過程中的坐標(biāo)如圖5所示,其中Y-Z為碗平面坐標(biāo),X為碗深度坐標(biāo)。
3.1 ? ?機(jī)器人在Y-Z平面的磨削軌跡規(guī)劃
在規(guī)劃磨削軌跡時(shí),首先考慮碗面的磨削路徑規(guī)劃。已知缺陷面的外接圓,碗面的磨削路徑可以通過規(guī)劃多個(gè)以重心為圓心點(diǎn)的同心圓來實(shí)現(xiàn)。為了提高缺陷磨削質(zhì)量,各圓弧之間的距離設(shè)為等距Δl,則需要完成磨削的圓弧個(gè)數(shù)n為:
要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人圓弧軌跡磨削,至少需要3個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù),分別為起點(diǎn)、過渡點(diǎn)和終點(diǎn),且圓弧是一個(gè)360°的整圓,故圓弧運(yùn)動(dòng)的角度應(yīng)設(shè)為360°。每一段圓弧的3個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)都是上一段圓弧在Y軸和Z軸2個(gè)方向上的偏移。
3.2 ? ?機(jī)器人在X方向的磨削軌跡規(guī)劃
由于機(jī)器人進(jìn)刀方向?yàn)閄正方向,當(dāng)機(jī)器人完成碗面磨削時(shí),需使數(shù)據(jù)點(diǎn)在X正方向偏移一個(gè)Δx,再從內(nèi)圓向外圓的方向依次磨削。后面的磨削過程遵循以下步驟:
(1)機(jī)器人完成Y-Z平面的磨削;
(2)磨削數(shù)據(jù)點(diǎn)在X正方向偏移Δx,若磨削起點(diǎn)在內(nèi)圓,則從內(nèi)圓依次向外圓磨削;若磨削起點(diǎn)在外圓,則從外圓依次向內(nèi)圓磨削,直至缺陷部分被完成清除。
4 結(jié)語
本項(xiàng)目經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)大型鍛件磨削工業(yè)機(jī)器人采用以上方法實(shí)現(xiàn)大型鍛件缺陷磨削具有以下特點(diǎn):
(1)采用合適的算法,可實(shí)現(xiàn)磨削軌跡的自動(dòng)規(guī)劃;
(2)采用碗狀結(jié)構(gòu)磨削加工方式,可提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的節(jié)拍,從而加快機(jī)器人的磨削速度;
(3)采用機(jī)器人磨削大型鍛件缺陷面,降低了企業(yè)缺陷面磨削成本,提高了磨削質(zhì)量。
工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)規(guī)劃完成以后,大型鍛件缺陷磨削示意圖如圖6所示。
總體來說,本項(xiàng)目研究的大型鍛件缺陷磨削工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)規(guī)劃成果便于推廣實(shí)施,具有較好的實(shí)用價(jià)值。
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收稿日期:2020-09-04
作者簡介:郭欣(1982—),女,四川資陽人,碩士,講師,研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。