基于機(jī)器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測(cè)技術(shù)研究

趙 旭

(南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226010)

基于機(jī)器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測(cè)技術(shù)研究

趙 旭

(南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226010)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為機(jī)械加工行業(yè)帶來(lái)了新的變革，比如最新的在線檢測(cè)技術(shù)。本文的研究對(duì)象是整體式葉輪的在線檢測(cè)，針對(duì)葉輪數(shù)控加工中的模型實(shí)物比對(duì)、測(cè)頭位移參數(shù)、機(jī)器人機(jī)械臂檢測(cè)路徑進(jìn)行了深入的分析，闡述了在線檢測(cè)技術(shù)的具體特點(diǎn)及功能，對(duì)于利用在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)檢測(cè)路徑中存在的問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)整，希望能將在線檢測(cè)技術(shù)更好地應(yīng)用于葉輪數(shù)控加工過(guò)程中。

葉輪數(shù)控加工；在線檢測(cè)技術(shù)；機(jī)器人

機(jī)械加工制造技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)起著非常大的促進(jìn)作用。制造技術(shù)中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是在線檢測(cè)技術(shù)，其嚴(yán)重影響著逆向工程、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展。在機(jī)械加工制造過(guò)程中，對(duì)檢測(cè)技術(shù)的要求不斷提高，傳統(tǒng)的線下檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不能跟上機(jī)械加工自動(dòng)化的發(fā)展步伐，同時(shí)線下檢測(cè)技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品的各種機(jī)械性能的評(píng)估不準(zhǔn)確，并且存在著返工修改的問(wèn)題。在線檢測(cè)技術(shù)涉及測(cè)量、通信、計(jì)算機(jī)各個(gè)方面，通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中存在的問(wèn)題，制定改善方案，能極大推進(jìn)整個(gè)加工流程的效率，為企業(yè)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1 葉輪數(shù)控加工在線檢測(cè)技術(shù)研究的背景

1.1 葉輪概述

葉輪由葉片與輪盤組成。葉輪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其曲率變化較大，在航空、航海、冶金、造紙、化工各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，如輪船的水泵、飛機(jī)的螺旋槳、各種泵類。在進(jìn)行葉輪的設(shè)計(jì)時(shí)，首先依照機(jī)械設(shè)計(jì)基本原則，根據(jù)其具體的應(yīng)用選擇合適的材料，保證其加工精度符合要求，防止因?yàn)榧庸ぞ炔粔蛟陔姍C(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的離心力對(duì)軸以及軸承造成損害，從而導(dǎo)致的一些機(jī)器卡死、密封問(wèn)題。再根據(jù)其具體的應(yīng)用領(lǐng)域，選擇合適的設(shè)計(jì)理念，比如在飛機(jī)上參照空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在輪船、石油化工方面參照流體力學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

葉輪在具體的設(shè)計(jì)時(shí)，可以分為兩種：第一種是葉片與輪盤整體設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)通常應(yīng)用于葉片不易磨損或者出現(xiàn)磨損必須換葉輪的設(shè)備，如泵類，先制作出粗坯，再經(jīng)過(guò)數(shù)控加工車床進(jìn)行精加工完成。第二種是葉片與輪盤單獨(dú)加工，再通過(guò)焊接或者螺桿組合在一起，這種葉輪往往應(yīng)用于容易磨損的設(shè)備，如輪船的水泵，長(zhǎng)期受到海水腐蝕，葉片容易磨損，可以拆卸單獨(dú)葉片進(jìn)行更換打磨。如下圖，屬于整體式葉輪。

整體式葉輪在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)，由于葉片之間的相對(duì)空間比較小，在設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)路徑時(shí)難度比較大，極易發(fā)生碰撞等情況造成安全隱患。目前國(guó)內(nèi)外廠家大都采用CAD等制圖軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 整體式葉輪Fig.1 Integral impeller

1.2 在線檢測(cè)技術(shù)

隨著加工要求不斷增高，傳統(tǒng)的檢測(cè)手段利用卡尺等測(cè)量工具進(jìn)行檢測(cè)，或者利用一些檢測(cè)設(shè)備如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)效率十分低下。在線檢測(cè)技術(shù)則是通過(guò)編寫程序操作測(cè)頭完成對(duì)葉輪的檢測(cè)，不僅有非常高的檢測(cè)精度，還能極大提高檢測(cè)速度，在葉輪的生產(chǎn)過(guò)程中有著非常重要的作用。

基于機(jī)器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)控制機(jī)械臂來(lái)控制測(cè)頭完成相應(yīng)的測(cè)量工作，測(cè)頭從產(chǎn)品表面或者坐標(biāo)信息，通過(guò)通信技術(shù)反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析校核，及時(shí)調(diào)整加工方案，減少加工誤差的產(chǎn)生，使得制造出來(lái)的產(chǎn)品具有更高的精度。應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)葉輪的數(shù)控加工進(jìn)行檢測(cè)，不僅可以有效解決傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)需要把產(chǎn)品拆下來(lái)再裝上去的問(wèn)題，降低加工時(shí)間，還可以降低購(gòu)買檢測(cè)設(shè)備的花費(fèi)，減少檢測(cè)成本，同時(shí)能有效避免因?yàn)榉磸?fù)安裝加工導(dǎo)致的加工誤差，極大的提高了加工精度。

但是目前的在線檢測(cè)技術(shù)還存在著一些不足，首先是性能方面，過(guò)于復(fù)雜的葉輪由于可操作空間過(guò)小以及葉輪角度等問(wèn)題，很難利用測(cè)頭去進(jìn)行檢測(cè)。另外，就是這套檢測(cè)設(shè)備的本身具有一定的成本，很多中小企業(yè)沒(méi)有足夠的資金去進(jìn)行配備，導(dǎo)致在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用還不是十分廣泛。

測(cè)頭可以根據(jù)接觸方式分為接觸式以及非接觸式，接觸式又可以根據(jù)使用性能分為連續(xù)式以及觸發(fā)式，接觸式測(cè)頭的價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，檢測(cè)的精度高，更受生產(chǎn)廠家青睞。非接觸式根據(jù)其性能可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，非接觸式測(cè)頭具有檢測(cè)速度快的特點(diǎn)，但是其檢測(cè)精度沒(méi)有接觸式探頭的精度高，很少應(yīng)用于加工精度高的葉輪加工中，而且由于葉輪的曲面變化比較大，很難得到一些覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)，無(wú)法全面的對(duì)葉輪進(jìn)行檢測(cè)。

2 檢測(cè)技術(shù)的結(jié)構(gòu)功能

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

以Renishaw接觸式測(cè)頭為例，進(jìn)行在線檢測(cè)技術(shù)的分析。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)終端、空氣壓縮機(jī)、測(cè)頭以及機(jī)械臂所構(gòu)成的一種閉環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)。利用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械臂進(jìn)而改變檢測(cè)測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)完成整個(gè)加工過(guò)程的在線檢測(cè)，測(cè)頭在與葉輪接觸的瞬間，將三維坐標(biāo)點(diǎn)反饋給計(jì)算機(jī)，可以任意測(cè)量測(cè)頭所能達(dá)到的方位。在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)三維坐標(biāo)體系，利用測(cè)頭測(cè)量各個(gè)點(diǎn)的空間位置分布，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)反饋到計(jì)算機(jī)的三維坐標(biāo)體系中，逐漸形成一個(gè)有數(shù)據(jù)構(gòu)建的葉輪模型，再將該模型與CAD制作出來(lái)的實(shí)物模型進(jìn)行比對(duì)分析，可以分析出葉輪在加工過(guò)程中的加工余量以及誤差，及時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整加工，提高最終產(chǎn)品的合格率。硬件關(guān)系圖如下：

圖2 硬件關(guān)系圖Fig.2 Hardware relation schema

A.計(jì)算機(jī)終端。計(jì)算機(jī)終端是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，利用計(jì)算機(jī)對(duì)相應(yīng)的軟件進(jìn)行操作,進(jìn)而控制機(jī)械臂完成一系列的動(dòng)作。同時(shí)可以對(duì)測(cè)頭檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)了解產(chǎn)品加工過(guò)程中的問(wèn)題。

B.空氣壓縮機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)可以完美的實(shí)現(xiàn)主軸上面刀具以及測(cè)頭的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，滿足不同的加工測(cè)量需求。

C.Renishaw接觸式測(cè)頭。測(cè)頭不僅能影響到整個(gè)測(cè)量的精度，還決定了測(cè)量系統(tǒng)的效率以及功能。測(cè)頭的選擇一定要符合加工的實(shí)際需求，按照相應(yīng)的測(cè)量程序進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集工作。

D．機(jī)械臂。基于機(jī)器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測(cè)，對(duì)于機(jī)械臂的要求也比較高。本文選擇的是六自由度機(jī)械臂，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間以及控制精度直接影響到側(cè)頭的檢測(cè)精度，六自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間大，能實(shí)現(xiàn)多角度、多方位運(yùn)行，能極大提高檢測(cè)的效率。同時(shí)六自由度機(jī)械臂還配備手持控制器，可以更好地滿足不同的測(cè)量需求。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)終端上軟件的設(shè)計(jì)對(duì)于執(zhí)行在線檢測(cè)技術(shù)有著非常重要的作用，是整個(gè)檢測(cè)技術(shù)的核心。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟件的操作，可以完成各種數(shù)據(jù)的分析，還可以命令各種硬件執(zhí)行相應(yīng)的操作。下圖是系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖：

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Systdm software diagram

2.3 功能特點(diǎn)

第一，測(cè)量精度高。任何測(cè)量工作的最終目的就是保證測(cè)量精度的前提下得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。利用Renishaw接觸式測(cè)頭可以有效地保證整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的精度滿足測(cè)量要求。同時(shí)不需要拆卸，可以有效防止反復(fù)拆卸測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的誤差情況。

第二，測(cè)量范圍大。六自由度機(jī)械臂，顧名思義該機(jī)械臂具有六個(gè)自由度，可以沿著X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行平移以及繞著X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角檢測(cè)，極大提高了在線檢測(cè)的檢測(cè)空間。

第三，測(cè)量模式多樣化。既可以用于模擬測(cè)量，也能用于實(shí)際測(cè)量。一般在測(cè)量前需要對(duì)測(cè)頭球心位置進(jìn)行標(biāo)定，需要用到模擬測(cè)量模式，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)，則可以選擇遠(yuǎn)程操控模式，完成檢測(cè)內(nèi)容。

第四，測(cè)量結(jié)果直觀、簡(jiǎn)單。在進(jìn)行模擬測(cè)量時(shí)，利用CAD模型選擇要檢測(cè)的坐標(biāo)點(diǎn)，利用測(cè)量的數(shù)據(jù)再建立起一個(gè)實(shí)物模型，與CAD模型進(jìn)行對(duì)比分析，能夠直觀的看出加工余量以及加工誤差。

第五，具有較高的測(cè)量效率。在線檢測(cè)技術(shù)可以隨時(shí)快速的完成對(duì)產(chǎn)品的測(cè)量，有效提高整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)速度。同時(shí)不用拆卸測(cè)量，極大地節(jié)省安裝拆卸時(shí)間。

第六，安全性高。機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)探頭接觸到被測(cè)產(chǎn)品，會(huì)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，這時(shí)機(jī)械臂會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)，從而保護(hù)測(cè)頭。又因?yàn)槔每諝鈮嚎s機(jī)，利用氣缸作用實(shí)現(xiàn)刀具探頭的轉(zhuǎn)化，可以有效避免更換刀具給操作人員帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

3 在線檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化

為保證在線檢測(cè)技術(shù)更好地滿足生產(chǎn)需求，需要對(duì)在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)機(jī)械臂路徑的優(yōu)化是其中最重要的內(nèi)容，不僅可以提高測(cè)量的精度，還能避免在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生碰撞，提高檢測(cè)效率。對(duì)路徑優(yōu)化可以從三方面進(jìn)行，首先是位置參數(shù)，機(jī)械臂控制測(cè)頭的移動(dòng)并不是直接移動(dòng)到被測(cè)點(diǎn)，而是先移動(dòng)到原始點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)的中點(diǎn)某一個(gè)定位點(diǎn)，再通過(guò)調(diào)整移動(dòng)到被測(cè)點(diǎn)，在探頭從起始點(diǎn)移動(dòng)到定位點(diǎn)后，確定好詳細(xì)的移動(dòng)路徑，再移動(dòng)到待測(cè)點(diǎn)，在接近待測(cè)點(diǎn)時(shí)一定要提前設(shè)置好一個(gè)減速點(diǎn)，避免探頭移動(dòng)過(guò)快，在慣性的作用下直接碰撞在產(chǎn)品上，對(duì)探頭造成損壞。其次是距離參數(shù)，要先設(shè)定好預(yù)接觸距離，與待測(cè)點(diǎn)保持在安全的距離范圍內(nèi)，在完成檢測(cè)后，先將測(cè)頭后退一定的距離，再執(zhí)行下一個(gè)檢測(cè)任務(wù)。最后是速度參數(shù)，由于測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為幾個(gè)部分，所以要正確選擇機(jī)械臂在各個(gè)部分的運(yùn)行速度，不僅可以提高測(cè)量效率，還能有效的保證設(shè)備的安全。當(dāng)然，在線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化不僅僅是在路徑方面，可以從各個(gè)角度進(jìn)行分析優(yōu)化，提高檢測(cè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

基于機(jī)器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測(cè)技術(shù)符合現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)極大提高檢測(cè)速度，減少人力物力資源的浪費(fèi)，不僅可以更加精確的測(cè)量出產(chǎn)品的參數(shù)，還可以有效避免傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)反復(fù)拆裝等問(wèn)題。要將在線檢測(cè)技術(shù)廣泛的應(yīng)用于數(shù)控加工行業(yè)，還需要對(duì)在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從測(cè)頭、機(jī)械臂路徑各個(gè)方面去深入研究，進(jìn)而提高檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率。

[1] 楊曉東，李海泳，郝樂(lè)芳，等. 某葉輪數(shù)控編程及在線測(cè)量加工解決方案[J].智能制造，2016，(6)：40-42.

[2] 伊水涌.工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控多軸加工中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 修春松.整體葉輪數(shù)控精加工編程技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[4] 張鵬飛，閆利慧，張玨.管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，(26)：15-16.

Research on online detection technology of impeller CNC machining based on the robot

ZHAO Xu

(Nantong Industry and Trade Technician College, Nantong 226010, China)

With the continuous development of computer technology, it has brought new changes to mechanical processing industry, such as the latest online detection technology. The object of the study is online detection of integral impeller. The model object comparison, the probe displacement parameter and the robot arm detection path of the impeller CNC machining were analyzed, the specific characteristics and function of online detection technology were expounded, and the problem of the detection path was adjusted, hoping to better apply online detection technology in the process of impeller CNC machining.

Impeller CNC machining; Online detection technology; Robot

2016-09-23

趙旭(1981-)，男，講師，學(xué)士。

TP274

B

1674-8646(2016)23-0033-03