基于Matlab與MotoSim EG的渦輪葉片數(shù)據(jù)處理及檢測分析

梁齊龍，周 軍

（河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 前言

渦輪葉片具有復(fù)雜的空間型面，葉片型面的精度直接影響到其能量轉(zhuǎn)換的效率，因此渦輪葉片的檢測是葉片加工的重要部分。常用的接觸檢測法效率太低，雙目視覺檢測法[1]精度較差，因此選用工業(yè)機器人帶動激光位移傳感器[2]對葉片進行檢測，可實現(xiàn)對葉片的高精、高效檢測。MotoSim EG是Motoman機器人的離線編程軟件，通過導(dǎo)入由Matlab處理過的葉片型面檢測數(shù)據(jù)文件，可實現(xiàn)單步、連續(xù)再現(xiàn)，干涉檢測，軌跡追蹤等功能，不僅可以真實模擬機器人的現(xiàn)實作業(yè)，而且可將修正的JOB文件傳至機器人控制柜，控制機器人按照檢測路徑進行真實作業(yè)。

1 MH00005-E00機器人參數(shù)和運動學(xué)模型

1.1 D-H坐標系的構(gòu)建

D-H模型可用于任何機器人的構(gòu)型建模，與機器人的結(jié)構(gòu)順序和復(fù)雜程度無關(guān)[3]。用D-H法對機器人建模需要為每個關(guān)節(jié)建立一個參考坐標系，MH00005-E00型機器人的參考坐標系如圖1所示。

圖1 MH00005-E00型機器人D-H參考坐標系

機器人相鄰兩連桿之間的相對關(guān)系可由關(guān)節(jié)角θ、橫距d、連桿長度a和扭轉(zhuǎn)角α表示[4]。其中：

θi：繞zi-1軸旋轉(zhuǎn)，使xi-1軸與xi軸平行時所旋轉(zhuǎn)的角度，規(guī)定逆時針方向為正。

di：沿zi-1軸正方向平移，使xi-1軸與xi軸共線時移動的距離。

ai-1：沿 xi-軸正方向平移，使連桿（i-1）的坐標系原點與連桿i坐標系原點重合時移動的距離。

αi-1：繞xi-1軸旋轉(zhuǎn)，使zi-1軸與zi軸共面時旋轉(zhuǎn)的角度。

由MH00005-E00機器人的D-H坐標系及相鄰連桿間的相對關(guān)系建立連桿參數(shù)表，如表1。

表1 MH00005-E00機器人連桿與關(guān)節(jié)參數(shù)

1.2 機器人運動學(xué)模型的建立

根據(jù)D-H矩陣理論，相鄰兩連桿間的坐標系變換通式為[3]：

可得機器人末端工具坐標相對于基坐標的轉(zhuǎn)換公式為：

葉片檢測是已知激光位移傳感器末端的姿態(tài)反求出機器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量，即機器人的運動學(xué)反解。設(shè)工具坐標系的末端位姿為：

利用高斯消去法可求得各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角，在Matlab環(huán)境下編寫求解函數(shù)，部分代碼如下：

2 搭建仿真平臺

MotoSim EG擁有大部分Motoman機器人現(xiàn)有機型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶可通過導(dǎo)入外部hsf文件或用其自身的CAD功能創(chuàng)建工件模塊與機器人一起構(gòu)建仿真平臺。MotoSim EG的操作流程如圖2所示。

圖2 MotoSim EG操作流程圖

部分操作步驟如下：

（1）在三維軟件中建立各部件的實體模型并保存為MotoSim EG能夠識別的hsf文件。在MotoSim EG環(huán)境下導(dǎo)入渦輪葉片及激光位移傳感器的hsf文件，根據(jù)葉片的型面尺寸及所選MH00005-E00型機器人的測量范圍，確定機器人及葉片的坐標系位姿。

（2）設(shè)置碰撞檢測，當機器人與葉片或者激光位移傳感器與葉片在仿真過程中發(fā)生碰撞接觸時，檢測停止且發(fā)生碰撞的雙方均變?yōu)榧t色。設(shè)置碰撞檢測可以判斷機器人在檢測實驗中路徑的合理性以及機器人軌跡規(guī)劃算法的正確性，保證機器人在現(xiàn)實操作中無干涉地作業(yè)，保護機器人及檢測工具免受碰撞損失。

（3）設(shè)置軌跡追蹤，通過設(shè)置軌跡追蹤可以在檢測過程中實時顯示激光位移傳感器掃描過的軌跡點。觀察掃描軌跡，判斷軌跡點坐標姿態(tài)的正確性，找出軌跡中的誤差點并更正、剔除，保證機器人掃描路徑的精確性。

3 葉片檢測點的數(shù)據(jù)處理

渦輪葉片是發(fā)動機產(chǎn)生動力的高負荷零件，其葉身是根據(jù)空氣動力學(xué)和流體力學(xué)通過復(fù)雜的數(shù)值計算并經(jīng)試驗修正而設(shè)計的復(fù)雜空間型面[5]，葉片截面的各部分定義如圖3所示[6]。

圖3 葉片的各部分定義

3.1 提取葉片型面特征點

獲取葉片型面的特征點是葉片檢測和機器人檢測路徑規(guī)劃的前提，具體操作如下：

（1）在三維軟件環(huán)境下，導(dǎo)入待檢測葉片的三維實體模型。在指定高度上，用與葉片xoy平面平行的平面對渦輪葉片實體進行剖切，得到指定高度上葉片型面的截面輪廓曲線，如圖4a。

（2）將輪廓曲線按圖3所示的前緣、葉盆、后緣、葉背四部分進行曲線分割，如圖4b。

（3）以分割得到的曲線為單位按等圓弧長算法插入指定數(shù)量的點如圖4c。

（4）按插值算法的插值順序以輪廓曲線的四部分為單位按順時針或逆時針方向?qū)С鳇c的三維坐標，并以txt文檔的格式輸出。

圖4 提取葉片特征點

3.2 葉片特征點預(yù)處理

由于激光位移傳感器在測量過程中需要始終與葉片型面垂直，且有特定的測量區(qū)間，同時葉片點集的位姿需要轉(zhuǎn)換到機器人坐標系下，并經(jīng)過機器人D-H坐標變換轉(zhuǎn)換到工具坐標系下才能進行檢測，因此在Matlab環(huán)境下對特征點作以下預(yù)處理。

（1）在Matlab環(huán)境中加載存有點坐標姿態(tài)的txt文檔，并分別以最小二乘法擬合出前緣和后緣，以三次B樣條曲線[7]擬合出葉盆和葉背曲線，擬合結(jié)果見圖5a。

（2）求解擬合出的葉形輪廓上特征點的法線方向。按一定的算法將特征點沿著法線方向偏移到激光的檢測區(qū)間內(nèi)，偏移結(jié)果見圖5b。

（3）按照葉片相對于機器人坐標系的位姿，將點的位姿平移、旋轉(zhuǎn)變換到基坐標系下。左乘工具坐標系相對于基坐標系的變換矩陣，將點的位姿變換到工具坐標系下。

（4）調(diào)用機器人逆運動學(xué)求解方程，求解特征點對應(yīng)的機器人各關(guān)節(jié)角，如圖5，并轉(zhuǎn)換為脈沖形式。

圖5 特征點預(yù)處理

4 檢測分析

MotoSim EG可方便地編寫及導(dǎo)入JOB文件即機器人作業(yè)程序并進行監(jiān)測分析，將由Matlab處理過后得到的各關(guān)節(jié)角的脈沖值以JOB文件的格式編寫，程序內(nèi)容及解釋如下[8][9]：

MOVJ C0019 VJ=5.00；程序點19，工具末端移至葉片檢測的第18個點，速度為50mm/s。

MOVJ C0020 VJ=20.00；程序點 20，工具末端歸零

END；程序結(jié)束

在MotoSim EG環(huán)境下導(dǎo)入JOB文件，開啟碰撞檢測及軌跡追蹤并進行檢測如圖6。

檢測過程中未出現(xiàn)碰撞報警說明未出現(xiàn)碰撞、干涉現(xiàn)象；運行軌跡平滑未出現(xiàn)偏離點、誤差點表明激光位移傳感器末端點的位姿求解正確。檢測結(jié)束后顯示機器人、控制柜、JOB文件的信息及機器人檢測運行時間，如圖6c所示。

圖6 檢測過程及結(jié)果

檢測過程中機器人各關(guān)節(jié)的扭矩曲線如圖7所示，整個檢測過程各關(guān)節(jié)的扭矩沒有較大的突變且都在其最大扭矩范圍內(nèi)，表明機器人檢測軌跡規(guī)劃合理且滿足現(xiàn)實操作需求。

圖7 檢測過程中的機器人各關(guān)節(jié)扭矩分析

5 結(jié)論

利用MotoSim EG對渦輪葉片型面進行檢測，并對檢測結(jié)果進行分析、修正，最終得到合理的檢測軌跡。通過Motocom32通訊軟件可以向機器人控制柜導(dǎo)出修正后的JOB文件[10]，可控制機器人按照檢測路徑進行作業(yè)。不僅避免了現(xiàn)實作業(yè)中手持示教可能帶來的碰撞損失風險，也極大縮短了作業(yè)編程時間，具有重要的現(xiàn)實操作意義。

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