劉曉宇,千 登,王錦鑫,薄其樂,劉海波,王永青

(1.大連理工大學(xué)高性能精密制造全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連 116024;2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,西安 710100)

0 引言

隨著液體運(yùn)載火箭運(yùn)載能力的不斷增大,單臺液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的尺寸也在增大,推力室的材料也逐漸由不銹鋼轉(zhuǎn)向TC4、TA15、TC2等鈦合金材料,因此在銑槽加工[1]過程中也更易產(chǎn)生毛刺。毛刺的自動(dòng)化、有效去除也成為噴管冷卻通道精密制造中重要的一環(huán)。

金屬件產(chǎn)生的毛刺大多硬且尖銳,人工去除困難且加工環(huán)境惡劣,產(chǎn)生的粉塵也會(huì)對工人的健康造成影響,為此磨粒流、磁力研磨、電化學(xué)、激光等特種去毛刺技術(shù)應(yīng)用而生。此外,隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的愈發(fā)成熟使得機(jī)器人代替人工去毛刺的方式被逐漸重視起來。目前,機(jī)器人去毛刺大多使用浮動(dòng)主軸或者力/位反饋的方式來補(bǔ)償軌跡誤差,但這種方法會(huì)導(dǎo)致末端工具的姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn),從而破壞噴管要求的筋頂銳邊結(jié)構(gòu)。為保證筋頂銳邊結(jié)構(gòu),使用柔性工具對筋頂表面進(jìn)行打磨成為一種可行的噴管流道自動(dòng)去毛刺方案。李文龍等[2-3]研究了機(jī)器人加工空間運(yùn)動(dòng)鏈與加工誤差間的關(guān)系,對靜態(tài)誤差定量傳遞模型與動(dòng)態(tài)誤差定量傳遞模型進(jìn)行了推導(dǎo),提出了手眼位姿參數(shù)、工件位姿參數(shù)、工具位姿參數(shù)的精確辨識目標(biāo)函數(shù)和計(jì)算方法,慮及機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差、弱剛度變形、誤差補(bǔ)償,以整體目標(biāo)點(diǎn)加工誤差控制為目標(biāo),建立了加工誤差補(bǔ)償與機(jī)器人位姿優(yōu)化的通用模型,并進(jìn)行了葉片打磨的試驗(yàn)驗(yàn)證;方健等[4]分析了等殘留高度法生成機(jī)器人打磨軌跡時(shí)刀觸線自相交的原因,并提出了一種基于映射法和輪廓提取法的偏置刀觸線去自交的方法,解決了機(jī)器人砂帶打磨路徑規(guī)劃中產(chǎn)生的偏置刀觸線局部自相交問題,保證機(jī)器人打磨系統(tǒng)的加工質(zhì)量和效率;徐建明等[5]根據(jù)Hertz彈性接觸理論建立了砂帶打磨過程中的連續(xù)接觸力模型,并根據(jù)砂帶打磨過程中的剛?cè)狁詈详P(guān)系設(shè)計(jì)了一種具有自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)牧Ω欁杩箍刂破?補(bǔ)償打磨過程中砂帶的變形量,并利用Adams和MATLAB進(jìn)行了仿真分析,能較好的滿足機(jī)器人打磨過程中對力控制的要求。

由于噴管流道筋頂?shù)匿J邊要求使得噴管去毛刺轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜曲面微量打磨的問題。為此開發(fā)出一套噴管冷卻通道機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng),能根據(jù)噴管筋頂表面的變化實(shí)現(xiàn)筋頂毛刺的有效去除,完成噴管筋頂自動(dòng)去毛刺的工作。

1 噴管冷卻通道機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 噴管筋頂毛刺柔性打磨去除方法

噴管銑槽加工完成后會(huì)在其表面生成數(shù)百條甚至上千條等筋寬、周向均布的直槽冷卻通道,同時(shí)會(huì)在筋頂形成出口毛刺。由于噴管流道筋寬較窄,為保證毛刺去除后筋頂仍保持“銳邊”狀態(tài),現(xiàn)采用柔性打磨工具對整個(gè)筋頂表面進(jìn)行打磨,如圖1所示。

圖1 柔性打磨輪去毛刺幾何模型 圖2 柔性打磨工具工作原理

相比于剛性打磨工具,柔性打磨工具有一定的壓縮變形量[6],如圖2所示。其最大打磨半徑為Rm,最小打磨半徑為R0。當(dāng)其半徑被壓縮到最小時(shí)可視為剛性打磨工具。只要保證打磨過程中打磨工具的壓縮量ap

噴管毛坯件是由一塊或者多塊鈑金構(gòu)件旋壓形成的大型復(fù)雜曲面薄壁零件,銑槽加工后會(huì)在筋頂形成出口毛刺,但筋頂表面仍保留毛坯件原本的特征。雖然柔性打磨輪具有一定的誤差補(bǔ)償能力,但由于噴管毛坯在成型的多個(gè)工序中產(chǎn)生了較大變形,其實(shí)際尺寸與理論尺寸相差較大,常規(guī)的機(jī)器人軌跡生成方法仍無法滿足其表面打磨的要求。為保證噴管筋頂毛刺打磨質(zhì)量,必需根據(jù)筋頂表面的實(shí)際幾何參數(shù)進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃,然后進(jìn)行筋頂去毛刺打磨。提出的噴管筋頂自動(dòng)去毛刺基本流程如圖3所示,主要包括噴管外廓測量、筋頂曲面重構(gòu)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等3個(gè)環(huán)節(jié)。首先利用銑槽機(jī)床對噴管的實(shí)際外廓進(jìn)行測量;然后對筋頂曲面進(jìn)行重構(gòu),并利用機(jī)器人對工件進(jìn)行標(biāo)定,將系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)一;最后以重構(gòu)的筋頂表面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡并進(jìn)行噴管筋頂毛刺打磨。

圖3 自動(dòng)去毛刺流程圖

1.2 機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)方案

根據(jù)噴管特點(diǎn),為了保證噴管筋頂毛刺的打磨質(zhì)量,避免重復(fù)安裝產(chǎn)生誤差,采用在位打磨的機(jī)器人去毛刺方案。機(jī)器人集成在噴管銑槽機(jī)床旁,在表面測量、銑槽加工工位不變的情況下完成筋頂毛刺的去除工作。設(shè)備整體布局如圖4所示。

圖4 機(jī)器人去毛刺系統(tǒng)整體布局圖

機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)的硬件主要由機(jī)床轉(zhuǎn)臺、六軸工業(yè)機(jī)器人、打磨主軸和工控機(jī)等部分組成。打磨主軸是系統(tǒng)的主要執(zhí)行器,用來實(shí)現(xiàn)打磨工具的旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速主要由氣壓和打磨工具的負(fù)載決定;六軸工業(yè)機(jī)器人是系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)部件,帶動(dòng)打磨主軸沿噴管表面運(yùn)動(dòng);機(jī)床轉(zhuǎn)臺是系統(tǒng)的輔助運(yùn)動(dòng)部件,機(jī)器人完成一部分筋頂毛刺的打磨工作后轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng),將剩余部分轉(zhuǎn)至機(jī)器人加工范圍內(nèi)讓其繼續(xù)進(jìn)行打磨;工控機(jī)搭載軟件系統(tǒng),用于完成各個(gè)部分之間的數(shù)據(jù)傳輸及控制。

噴管冷卻通道機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。選擇工控機(jī)作為基礎(chǔ)控制平臺,FANUC 31i數(shù)控系統(tǒng)和KUKA KRC4機(jī)器人系統(tǒng)作為附屬系統(tǒng),工控機(jī)分別對數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)交換和指令控制,二者均通過以太網(wǎng)與工控機(jī)通信。其中FANUC 31i數(shù)控系統(tǒng)為分體式結(jié)構(gòu),包括Panel i單元和CNC單元。

圖5 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

銑槽機(jī)床帶動(dòng)點(diǎn)激光傳感器運(yùn)動(dòng)完成噴管的實(shí)際外廓測量。點(diǎn)激光傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)機(jī)床PMC的A/D轉(zhuǎn)換模塊存于PMC的數(shù)據(jù)地址中,經(jīng)由搭載在Panel i上的DMS[1]以循環(huán)存儲的方式存儲在Panel i本地的硬盤中。工控機(jī)通過以太網(wǎng)口利用網(wǎng)線與Panel i相連組成簡單的“局域網(wǎng)”,利用文件共享功能獲取噴管的外廓測量數(shù)據(jù)。工控機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)底層進(jìn)行通信,獲取銑槽機(jī)床的坐標(biāo)信息,并通過讀/寫PMC地址數(shù)據(jù),利用PMC軸控制功能控制機(jī)床轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)。工控機(jī)與機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行通信,通過以太網(wǎng)與機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(包括機(jī)器人坐標(biāo)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡以及信號變量等)。機(jī)器人系統(tǒng)通過對交換的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或進(jìn)行其他邏輯操作,并通過EtherCat總線與倍福I/O模塊通信,利用電磁閥控制打磨主軸的氣動(dòng)開關(guān)。

利用KUKA提供的Ethernet KRL軟件包以及FANUC提供的開放式FOCAS API函數(shù)庫,基于C++和MFC框架采用面向?qū)ο蟮木幊谭绞骄帉懥艘后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管冷卻通道自動(dòng)去毛刺軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)具有零件標(biāo)定、軌跡生成以及坐標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。

2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

基于李群李代數(shù)理論建立了噴管冷卻通道機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。對噴管外廓在機(jī)測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪、精簡等預(yù)處理并重建了噴管外曲面。根據(jù)去毛刺工具與零件表面的位置關(guān)系對機(jī)器人去毛刺軌跡進(jìn)行了偏置。

2.1 去毛刺系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

噴管冷卻通道機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)中涉及的主要坐標(biāo)系如圖6所示。其中包括:機(jī)床坐標(biāo)系{OM:XM,YM,ZM}、工件坐標(biāo)系{OP:XP,YP,ZP}、傳感器坐標(biāo)系{OS:XS,YS,ZS}、機(jī)器人基坐標(biāo)系{OR:XR,YR,ZR}與工具坐標(biāo)系{OT:XT,YT,ZT}。

圖6 去毛刺系統(tǒng)主要坐標(biāo)系

(1)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。設(shè)空間中任意一點(diǎn)P在工具坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為PT,該點(diǎn)在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為PR,二者關(guān)系可表示為:

(1)

式中:MR,T為工具坐標(biāo)系相對于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿矩陣,可通過機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型求解。使用李群李代數(shù)理論[7]建立相鄰連桿之間的轉(zhuǎn)換矩陣,可表達(dá)為:

(2)

(3)

(2)測量系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。傳感器坐標(biāo)系相對于機(jī)床坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣可表達(dá)為:

(4)

工件坐標(biāo)系相對于機(jī)床坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣可表達(dá)為:

(5)

結(jié)合式(4)和式(5),傳感器坐標(biāo)系相對于工件坐標(biāo)系的位姿轉(zhuǎn)換矩陣可表達(dá)為:

(6)

(7)

(3)去毛刺系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。設(shè)噴管外廓任意一點(diǎn)p在測量過程中,傳感器數(shù)值為T0,機(jī)床Z軸坐標(biāo)為θZ0,Y軸坐標(biāo)為θY0,B軸坐標(biāo)為θB0,則點(diǎn)p在工件坐標(biāo)系下的位姿可表達(dá)為:

(8)

(9)

當(dāng)轉(zhuǎn)臺存在運(yùn)動(dòng)角度θB時(shí),點(diǎn)p相對于機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿矩陣可表達(dá)為:

(10)

此時(shí)機(jī)器人末端去毛刺執(zhí)行器相對于點(diǎn)p的位姿矩陣可表達(dá)為:

(11)

2.2 外廓曲面重建

噴管外廓曲面的重建過程包括點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡、曲面重建3個(gè)部分。

(1)點(diǎn)云去噪。采用統(tǒng)計(jì)分析法[8]對在機(jī)測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理,其具體原理為:設(shè)在機(jī)測量點(diǎn)云總數(shù)為N,定義點(diǎn)P0臨近數(shù)k,得到P0與該k個(gè)臨近點(diǎn)的距離d并求均值,接著計(jì)算N個(gè)點(diǎn)距離均值的平均值,即全局距離平均值D,然后計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差σ,最后求得距離閾值M,對于所有點(diǎn),比較單點(diǎn)距離均值dj和距離閾值,大于距離閾值的為離群點(diǎn),小于距離閾值的為內(nèi)點(diǎn)。算法為:

步驟1:初始化,標(biāo)差倍數(shù)α,臨近點(diǎn)數(shù)k;

步驟2:計(jì)算數(shù)據(jù)上一點(diǎn)P0與其臨近點(diǎn)Pi的距離dP0Pi,其中i=1,…,k;

步驟4:重復(fù)步驟2～步驟3,獲得所有單點(diǎn)的距離均值dj,其中j=1,…,N;

步驟6:將所有點(diǎn)的單點(diǎn)距離均值dj與閾值M相比較,若dj>M則剔除噪點(diǎn),反之予以保留。

(2)點(diǎn)云精簡。使用角度弦高法[9]對去噪后的在機(jī)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡,其具體原理為將角度小于角度誤差限且弦高小于弦高誤差限的點(diǎn)去除,基本模型為:

(12)

式中:pi為已精簡點(diǎn),pj為中間點(diǎn),pk為待篩選點(diǎn)(i

算法為:

步驟1:載入已去噪數(shù)據(jù),設(shè)置角度誤差限Δα,總數(shù)據(jù)量Na,精簡后數(shù)據(jù)量Nb;

步驟2:令i=1,k=3,初始化pi和pk;

步驟3:遍歷區(qū)間j∈(i,k),根據(jù)式(12)計(jì)算αj和hj;

步驟4:如果Max(αj)<Δα且Max(hj)<Δh,令k++,轉(zhuǎn)入步驟3,否則令pi+1=pk-1進(jìn)入下一步;

步驟5:如果k>Na則結(jié)束,否則取下一個(gè)待篩選點(diǎn)pk,進(jìn)入步驟3。

(3)曲面重建。采用雙三次B樣條[10]曲面重建噴管外廓面,B樣條曲面可定義為兩個(gè)B樣條曲線的張量積,則雙三次B樣條曲面的模型為:

(13)

式中:Ni,3(u)和Nj,3(v)分別是u和v方向的三次B樣條基函數(shù),對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)向量分別為U和V,可用規(guī)范向心參數(shù)化方法參數(shù)化處理得到。

算法為:

步驟1:定義測量母線方向?yàn)閡向,對所有母線進(jìn)行參數(shù)化處理,獲得母線的節(jié)點(diǎn)向量U;

步驟2:根據(jù)節(jié)點(diǎn)向量反求出母線截面曲線的控制點(diǎn),并計(jì)算各控制點(diǎn)的基函數(shù)數(shù)值;

步驟3:利用u向截面上基函數(shù)不為零的控制點(diǎn)計(jì)算v方向上的節(jié)點(diǎn)向量V,并反求出v方向上的控制點(diǎn);

步驟4:計(jì)算v方向上所有控制點(diǎn)對應(yīng)基函數(shù)的數(shù)值,數(shù)值不為零對應(yīng)的控制點(diǎn)即是噴管外廓雙三次B樣條曲面表示的控制頂點(diǎn)。

2.3 打磨軌跡規(guī)劃

標(biāo)定后的TCP中心位于打磨主軸軸線上,選取的打磨工具為圓形打磨輪,需根據(jù)零件表面的離散點(diǎn)對TCP中心進(jìn)行偏移從而獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖7所示。

圖7 TCP中心偏移示意圖

設(shè)機(jī)器人基坐標(biāo)系下工件母線上一點(diǎn)坐標(biāo)為PSurf(xS,yS,zS),則與之對應(yīng)的TCP坐標(biāo)為PTCP(xT,yT,zT),在ZOY平面內(nèi)根據(jù)幾何關(guān)系可得到:

(yS-yT)2+(zT-zS)2=R2

(14)

(15)

聯(lián)立求解可得到機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡為:

(16)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取某銑槽加工后的噴管(不銹鋼材質(zhì)、高度約為900 mm,最大直徑約為1300 mm,流道槽數(shù)約為700條)作為實(shí)驗(yàn)對象,對所開發(fā)的去毛刺系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證如圖8所示。

圖8 某噴管筋頂毛刺去除現(xiàn)場 圖9 打磨前后筋頂狀態(tài)

工業(yè)機(jī)器人選用庫卡KR120R3200-2型六軸工業(yè)機(jī)器人,打磨主軸選用曼德MDA350氣動(dòng)主軸。毛刺去除前后用基恩士LJ-X8060高精度2D激光位移傳感器測量流道關(guān)鍵尺寸,用以檢驗(yàn)去毛刺效果,3者的相關(guān)參數(shù)分別如表1～表3所示。

表1 工業(yè)機(jī)器人參數(shù)

表2 打磨主軸參數(shù)

表3 線激光傳感器參數(shù)

具體實(shí)驗(yàn)步驟為:

步驟1:進(jìn)行TCP標(biāo)定,獲取打磨主軸與法蘭盤之間的位置關(guān)系;

步驟2:進(jìn)行零件定位,獲取零件與機(jī)器人之間的相對位置關(guān)系;

步驟3:對未打磨的流道進(jìn)行線激光掃描測量,獲取其筋頂信息和槽深信息;

步驟4:根據(jù)對應(yīng)流道母線的在機(jī)測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡,確認(rèn)軌跡無誤后進(jìn)行去毛刺打磨加工;

步驟5:打磨加工完成后再次用線激光對打磨后的流道進(jìn)行掃描測量,獲取打磨后的筋頂信息和槽深信息;

步驟6:對打磨前和打磨后的線激光測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

機(jī)器人進(jìn)給速度為60 mm/s,主軸旋轉(zhuǎn)氣壓為0.38 MPa,柔性打磨輪壓縮量為0.5 mm,打磨輪半徑為40 mm,打磨輪目數(shù)為120。采用以上工藝參數(shù)對銑槽后的噴管筋頂毛刺進(jìn)行打磨,打磨前后筋頂毛刺的局部狀態(tài)如圖9所示。

對打磨前后的線激光測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,結(jié)果如圖10所示。

(a) 打磨前后噴管流道測量結(jié)果 (b) 打磨前后筋頂測量結(jié)果圖10 噴管流道打磨前后線激光測量結(jié)果

將筋頂中間的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合,計(jì)算最高點(diǎn)到直線的距離作為毛刺高度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。每40 mm取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行評價(jià),則打磨前后的毛刺高度變化如圖11所示。

圖11 打磨前后毛刺高度變化 圖12 打磨前后槽深尺寸變化

以筋頂中間的數(shù)據(jù)作為上底面,槽底數(shù)據(jù)作為下底面,計(jì)算打磨前后槽深的變化,每40 mm取一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行評價(jià),打磨前后槽深的變化如圖12所示。

根據(jù)圖11和圖12的結(jié)果可知,打磨后筋頂?shù)拿桃讶コ?打磨前后槽深最大變化為0.03 mm,滿足噴管產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套大型液體火箭噴管冷卻通道機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng),主要研究內(nèi)容包括:

(1)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主要機(jī)構(gòu)的整體布局,構(gòu)建了火箭噴管去毛刺系統(tǒng)協(xié)同控制體系架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了機(jī)床與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào);

(2)建立了火箭噴管機(jī)器人自動(dòng)去毛刺系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,推導(dǎo)了噴管在機(jī)測量數(shù)據(jù)與機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿間的數(shù)學(xué)關(guān)系,基于噴管外廓在機(jī)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器人去毛刺軌跡規(guī)劃;

(3)以某型號噴管為對象進(jìn)行去毛刺實(shí)驗(yàn),測量去毛刺前后噴管流道的關(guān)鍵尺寸,其結(jié)果表明所開發(fā)的系統(tǒng)滿足大型液體火箭噴管自動(dòng)去毛刺的需求。