基于三維布圖軟件的砂型快速抓取數(shù)據(jù)生成及處理

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鑄造是裝備制造業(yè)的基礎，也是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)。從汽車、機床、軌道交通、建筑五金到航空、航天、國防以及人們的日常生活等，都需要鑄件產(chǎn)品。我國鑄件產(chǎn)量處于世界領先水平，據(jù)不完全統(tǒng)計目前國內(nèi)有2 萬多家鑄造廠，其中將近80%是采用砂型鑄造，且處于逐年上升的趨勢，每年有4 000萬噸砂芯需要清理、檢測、表面處理轉(zhuǎn)運及碼垛操作，人力、效率等問題尤為突出。在機器人和自動化工業(yè)生產(chǎn)領域中，桁架機械手實現(xiàn)了砂芯處理過程的完全自動化，在砂芯生產(chǎn)線的上下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工位上起著重要作用。為打造鑄造產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展模式，推進鑄造產(chǎn)業(yè)向高端化、綠色化、智能化、服務化發(fā)展，將機械手引入智能化、自動化、現(xiàn)代化智能鑄造成形工廠，可以滿足3D 打印設備生產(chǎn)出的大負載砂芯的搬運、清理、浸涂等工藝流程。結合實際工況，要求桁架機械手夾持裝置須具有良好的承載能力、足夠大的抓取行程、優(yōu)良的密封性以及高質(zhì)量的重復定位和抓取精度。

1 鑄造桁架

1.1 鑄造桁架介紹

鑄造桁架也叫作直角坐標系機器人或龍門式機器人，如圖1 所示，通過計算機重復編程，可實現(xiàn)在框架構成的空間直角坐標系內(nèi)，多自由度進行運動。

鑄造桁架機器人系統(tǒng)是以X、Y、Z 直角坐標系系統(tǒng)為基本數(shù)學模型，以伺服電機，步進電機為驅(qū)動的單軸機械臂為基本工作單元，以滾珠絲杠、同步皮帶及齒輪齒條為常用的傳動方式所架構起來的機器人系統(tǒng)，可以完成在X、Y、Z 三維坐標系中任意一點的到達和遵循可控的運動軌跡[1]。

圖1 鑄造桁架示意圖

鑄造桁架系統(tǒng)采用運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對其驅(qū)動及編程控制，直線、曲線等運動軌跡的生成為多點插補方式，操作及編程范式為引導示教編程方式或坐標定位方式。

1.2 砂型生產(chǎn)工作流程

砂型生產(chǎn)工作流程包括三個步驟：

1）鑄造3D 打印機依據(jù)布圖軟件的擺放規(guī)劃，在設定好的工作箱內(nèi)進行噴墨黏粉式（3DP）打印，完成模型的成形；

2）重載AGV 將工作箱運輸至鑄造桁架緩存線中；

3）經(jīng)過規(guī)定的固化時間后，桁架對砂型進行抓取，清砂，刷涂等后期工作，將砂型運輸至緩存?zhèn)}庫中。

圖2 砂型生產(chǎn)流程

AGV（Automated Guided Vehicles）又名無人搬運車、自動導航車、激光導航車。其顯著特點是無人駕駛，AGV 上裝備有自動導向系統(tǒng)，可以保障系統(tǒng)在不需要人工引航的情況下能夠沿預定的路線自動行駛，將貨物或物料自動從起始點運送到目的地。

2 三維布圖切片軟件

2.1 軟件簡介

本文使用的三維布圖軟件IDreamSlices 為自主開發(fā)，主要功能包括加載和顯示STL、OBJ 等主流3D 模型文件，顯示模型的三角面?zhèn)€數(shù)、表面積、體積等信息。操作人員可以通過模型平移，旋轉(zhuǎn)，鏡像等操作，將模型放置在設置好的工作箱內(nèi)。按照設定好的層厚進行切片處理，得到噴墨黏粉式（3DP）打印機能夠識別的CLI 打印文件。同時在布圖過程中，通過人為判斷、識別、標記模型的左右抓耳、放置面等，然后軟件分析輸出抓取信息在工作坐標系下的絕對位置，桁架機械手按照抓取信息完成模型抓取，完成模型數(shù)據(jù)到砂型抓取數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2.2 機械抓手的數(shù)據(jù)生成及處理

使用三維布圖軟件IDreamSlices 完成模型放置后，需人工確認抓取模型的抓耳面與放置面。使用軟件中機械抓手標記功能分別對抓耳、放置底面、輔助放置面進行標記，如圖3 所示。圖3 中藍色標記面表示抓耳面（對面同樣也標記一個抓耳面），黃色標記面表示放置底面，綠色標記面為輔助底面。

通過標記面的相關數(shù)據(jù)，計算出圖需要的數(shù)據(jù)格式。最終輸出的便于桁架機構執(zhí)行的信息為：

1）零件名稱：信息取自模型加載模型的名稱；

2）抓耳端面中心點連線的中點坐標A0（X0，Y0，Z0），

抓耳A 極大值點Amax（XA0，YA0，ZA0），極小值點Amin（XA1，YA1，ZA1）.

抓耳B 極大值點Bmax（XB0，YB0，ZB0），極小值點為Bmin（XB1，YB1，ZB1）.

抓耳面A 中心點坐標Aa（Xa，Ya，Za）：

抓耳面B 中心點坐標Ab（Xb，Yb，Zb）：

抓耳端面中心點連線的中點坐標A0（X0，Y0，Z0）：

3）抓耳端面中心點到抓耳端面輪廓沿X、Y、Z方向的距離XL、YL、ZL：

4）抓耳端面中心點連線的中點到最小輪廓點的距離，最小輪廓點P（Xp0，Yp0，Zp0），X，Y，Z 三個方向的距離分別是Lpx，Lpy，Lpz：

5）抓耳端面中心點連線的中點到最大輪廓點的距離，最大輪廓點Q（Xq0，Yq0，Zq0），X，Y，Z 三個方向的距離分別是Lqx，Lqy，Lqz

6）兩抓耳端面中心點之間距離為L：

7）旋轉(zhuǎn)角度為θ1，底面旋轉(zhuǎn)角度θ2，輔助底面的旋轉(zhuǎn)角度θ3.

余弦計算公式如下：

圖3 軟件標記

圖4 機械抓手輸出文件

3 數(shù)據(jù)應用

3.1 數(shù)據(jù)使用

圖4 為機械抓手輸出文件，文件中各種數(shù)據(jù)使用說明如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)使用說明

3.2 坐標系對應

在桁架抓取的時候，采用和打印機工作箱一致的坐標系和零點，切片輸出的標記數(shù)據(jù)就基本不需要轉(zhuǎn)化。除了因為Z 軸方向打印任務前，已經(jīng)有初始高度，需要進行坐標在Z 軸方向進行增加修正。

3.3 注意事項

每次生產(chǎn)時工作箱內(nèi)可能會有多個待抓取零件，同時零件的朝向也會不一致，部分零件的抓取結構有遮擋。所以在抓取時，需要根據(jù)上下位置、抓取結構遮擋程度，模型的相互抓取干涉情況，排列有利的抓取順序，避免抓壞、碰壞零件，損害抓取工具。

4 結論

通過實際應用驗證，切片輸出的模型位置數(shù)據(jù)完全可以應用在桁架抓取過程中，完成3D 打印關鍵的清理環(huán)節(jié)的自動化，大大降低了3D 打印建立生產(chǎn)線的難度，降低了現(xiàn)場工人的工作強度。