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基于機器人的鍛鑄件基準制備系統(tǒng)

2017-4-13 來源：北京航空航天大學(xué) 作者：何小磊，屈新河，彭偉杰

_{摘要：針對無基準鍛鑄件毛坯的數(shù)控加工化率低和廢品率高的問題，提出了一種以毛坯的數(shù)字化模型與CAD模型的配準技術(shù)、機器人調(diào)姿技術(shù)以及低熔點合金澆鑄工藝的基準制備方法。在分析了毛坯件的結(jié)構(gòu)特點及傳統(tǒng)加工工藝要求的基礎(chǔ)上，建立了以點云數(shù)據(jù)向理論模型進行配準對齊得到旋轉(zhuǎn)量和移動量，機器人根據(jù)該旋轉(zhuǎn)量和移動量對毛坯件進行調(diào)姿，從而使毛坯件處于理論的加工位置，利用低熔點合金將毛坯件和澆鑄盒固定成一個整體，形成以澆鑄盒為毛坯件的加工基準。最后通過實驗論證了此方法的可行性，實現(xiàn)了無基準鍛鑄件毛坯的基準自動化制備。}

_{關(guān)鍵詞：基準制備；配準對齊；機器人；調(diào)姿；低熔點合金}

_0.引言

_{在傳統(tǒng)的機械生產(chǎn)中，通過對毛坯件整體或者局部的加工得出所需要的成品件，若按照傳統(tǒng)的工藝進行加工定位，則會存在加工時間長、可靠性差、鍛鑄件毛坯的數(shù)控化率低等問題。對一些無基準的毛坯件由于缺乏加工基準，則更難對零件進行加工；若毛坯件的加工基準不準，則會導(dǎo)致余量加工不均勻甚至不足或超差等問題，嚴重影響零件的加工誤差；隨著鍛鑄件毛坯數(shù)量的增加，傳統(tǒng)手工劃線方式越來越不能滿足實際生產(chǎn)加工的要求。因此需要利用數(shù)控加工方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工劃線的方式，保證毛坯件的加工部分留有余量而非加工面能夠保證余量均勻。因此，如何保證毛坯件的精確定位是無基準毛坯件數(shù)控加工的核心問題。}

_{本文所提出的機器人鍛鑄件基準制備技術(shù)結(jié)合了鍛鑄件毛坯的點云數(shù)據(jù)向理論模型進行配準對齊技術(shù)、機器人調(diào)姿技術(shù)以及利用低熔點合金澆鑄工藝，從而準確得出澆鑄后毛坯件在加工坐標系下的位置和姿態(tài)。鍛鑄件毛坯傳統(tǒng)的加工方式采用手工劃線方式，各個工序之間加工基準無法統(tǒng)一，導(dǎo)致毛坯件加工的精度較差，漫長才、何世安[1]等針對加工基準統(tǒng)一對加工精度的影響進行了研究。蔡澤、張樹生[2]等提出了利用三維工序的投影視圖與當(dāng)前工序圖的關(guān)聯(lián)，通過分析加工基準的類型和特點，提出了加工基準的獲取方法，并且介紹了加工基準的匹配算法。董天毅[3]以輕型汽車SF130傳動箱為例驗證了定位基準的選擇對加工質(zhì)量的影響。針對不同的零部件基準的選擇也不盡相同，向文俊[4]針對發(fā)動機缸體的基準選擇進行了研究。蔣利洋[5]等提出了鍛鑄件毛坯數(shù)控加工原點定位技術(shù)，利用點云數(shù)據(jù)向理論模型進行配準對齊，準確計算出點云數(shù)據(jù)相對于理論模型的偏差量。}

_{本文以某類無基準鍛鑄件的基準制備為研究對象，該類零件的結(jié)構(gòu)特點為沒有加工基準、部分加工面不進行加工但是要保證余量均勻。利用點云數(shù)據(jù)向理論模型配準技術(shù)、機器人調(diào)姿技術(shù)以及低熔點合金澆鑄工藝組成的基準制備系統(tǒng)，將毛坯件調(diào)姿到理論的位置處，并且使調(diào)姿后的位置能夠包圍住理論模型，從而確定毛坯在加工坐標系下的位置和姿態(tài)，以該加工坐標系形成理論模型的刀具軌跡文件，利用該刀具軌跡文件加工毛坯。}

_{1.鍛鑄件傳統(tǒng)加工缺點}

_{鍛鑄件的傳統(tǒng)加工方式存在以下四個方面的問題：}

圖1 鍛鑄件基準制備總體方案

_{1）毛坯件進廠之前缺乏科學(xué)檢驗手段，不能提前剔除余量不足的毛坯件，導(dǎo)致在后續(xù)的加工中零件報廢，并且浪費前期加工工序所消耗的時間。}

_{2）無基準鍛鑄件缺乏定位基準，采用傳統(tǒng)手工劃線的方式確定零件的加工基準，導(dǎo)致準備時間長、可靠性差、不確定因素太多，使最終加工零件的廢品率高。}

_{3）傳統(tǒng)手工劃線方式中間的工序繁多，加工周期長、數(shù)控化率底。以某類零件為例，20道加工工序中其中只有3道數(shù)控加工工序，并且加工周期為55天。}

_{4）鍛鑄件數(shù)量的劇增，鍛鑄件零件越是復(fù)雜，采用手工劃線的方式工作量也急劇增加。}

_{2.鍛鑄件基準制備系統(tǒng)}

_{基于機器人的鍛鑄件基準制備技術(shù)方法總體分為七個步驟，其流程圖如圖1所示。}

_{圖2 毛坯和三個標準球的點云數(shù)據(jù)}

_{圖3 配準對齊}

_{2）三球基準傳遞：利用激光掃描儀獲取毛坯上三個標準球的點云數(shù)據(jù)以及澆鑄盒角點的點云數(shù)據(jù)并且在澆鑄盒的角點上建立測量坐標系。在測量坐標系下，利用三球基準傳遞技術(shù)，將機器人端三個標準球依次向圖3中三個標準球的點云數(shù)據(jù)對齊。}

_{圖4 配準對齊數(shù)據(jù)和測量坐標系下三球數(shù)據(jù)}

_{圖5 三球基準傳遞}

_{4）通訊控制與機器人調(diào)姿：根據(jù)Sockets網(wǎng)絡(luò)編程原理，利用服務(wù)器-客戶端模式，在配準系統(tǒng)中開發(fā)計算機與機器人之間的通訊控制程序，利用已經(jīng)開發(fā)的通訊控制程序?qū)e傳輸?shù)綑C器人控制柜中，此時機器人將毛坯件放入澆鑄盒中；}

_{圖6 機器人調(diào)姿后零件在澆鑄盒中的位置和姿態(tài)}

_{5）澆入低熔點合金：機器人調(diào)姿完成之后，向澆鑄盒中澆入低熔點合金，待低熔點合金冷卻之后，形成了以澆鑄盒為零件的加工基準。}

_{3.系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)}

_{3.1 毛坯點云數(shù)據(jù)與CAD模型配準對齊技術(shù)}

_{該技術(shù)的目的是實現(xiàn)掃描點云與CAD模型的最佳相對位姿，對于鍛鑄件毛坯，配準對齊的目的是追求加工余量均勻分配，那么最佳擬合對齊算法是個較為理想的選擇，最佳擬合對齊首先計算掃描點在曲面模型表面的匹配點，然后運用ICP迭代算法[6]，最小化匹配點對的距離偏差，以實現(xiàn)最佳擬合對齊的目的。}

_{3.1.1 最佳擬合對齊具體的實施流程}

_{1）對配準的點云數(shù)據(jù)P1進行精簡，減少參與配準的點云數(shù)量，利用精簡后的點云數(shù)據(jù)P形成最大包圍盒Box1，剔除不在包圍盒中的點集，目的是為了提高配準的效率；2）求取曲面模型中各張曲面的面積，并且根據(jù)面積的大小進行排序，按照采樣的比例提取面積較大的曲面集F2參與配準，在保證CAD曲面模型整體外形信息較為完整的基礎(chǔ)上，減少參與配準的曲面?zhèn)€數(shù)，提高了配準的效率；3）點云P和曲面集合F2進行ICP迭代配準算法，實現(xiàn)參與配準數(shù)據(jù)的最佳擬合對齊，進而輸出最終對齊的變換矩陣M，最后用M對整體的掃描點云P1進行姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)掃描點云與CAD曲面模型的最佳擬合對齊。}

_{3.1.2 ICP配準算法原理分析}

_{原始ICP算法的基本描述是在另一個點云Q中求取與點云P的最近點（理想狀態(tài)下本應(yīng)重合的點），計算相應(yīng)點的歐式距離平方的平均值，然后通過迭代算法，最小化平均值，這樣不斷更新點云片間的相對位置，達到點云片之間配準對齊的效果，如圖7所示。}

_{圖7 ICP配準過程示意圖}

_{本章中提到的掃描點云與CAD模型最佳擬合對齊是利用奇異值分解法、四元組法找出掃描點云與模型表面對應(yīng)點的變換矩陣，多次迭代直至目標函數(shù)滿足一定的精度為止。其目標函數(shù)為：}

_{3.2 三球基準傳遞技術(shù)}

_{本文提到的三球定位基準傳遞方法基本實施的思路如下：先后兩次在不同的坐標系下獲取三個標準球的球心坐標，使三對球心依次重合，反求出旋轉(zhuǎn)平移矩陣，并將該變換作用于毛坯掃描點云，使得毛坯掃描點云從初始的坐標系下變換到了指定的坐標系下。在初始坐標系F0下，毛坯掃描點云集合為Dscan，三個標準球的球心坐標分別為P1、P2、P3；將毛坯件固定在機器人的末端執(zhí)行器上，在測量坐標系Fm（通常將此時的測量坐標系設(shè)置為加工坐標系）下再次獲取三個標準球的球心坐標Q1、Q2、Q3，通過使P1、P2、P3與Q1、Q2、Q3分別重合，反求出旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移向量T。}

_{圖8 三球基準傳遞示意圖}

_{1）以坐標系P1、P2、P3為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立以P1作為坐標原點的標架的三個坐標軸。以坐標點Q1、Q2、Q3為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立以Q1作為坐標原點的標架的三個坐標軸。}

_{3.實例驗證}

_{針對某類鍛鑄件毛坯，利用鍛鑄件基準制備系統(tǒng)，結(jié)合點云數(shù)據(jù)向理論模型的配準技術(shù)、機器人調(diào)姿技術(shù)以及低熔點合金澆鑄工藝，確定該類鍛鑄件與澆鑄盒的相對位置，形成以澆鑄盒的外表面為毛坯件的加工基準，利用數(shù)控機床加工該類毛坯件。}

_{圖9 機器人調(diào)姿過程}

_{4.結(jié)論}

_{針對無基準鍛鑄件毛坯缺少加工基準問題，本文采用機器人抓取毛坯件進行調(diào)姿使最終調(diào)整的位置能夠均勻的包圍住原先設(shè)定理論模型的外表面，利用理論模型生成的刀具軌跡文件加工調(diào)姿后的毛坯件，是本文研究的核心內(nèi)容。最后利用激光掃描儀再次獲取調(diào)姿后毛坯件的點云數(shù)據(jù)，并且與理論位置進行對比得出最終的位置和姿態(tài)滿足精度要求，因此通過實例驗證了本文無基準鍛鑄件基準制備加工方案的可行性。}

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