基于機(jī)器人的鍛鑄件基準(zhǔn)制備系統(tǒng)

何小磊，屈新河，彭偉杰

（1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.江西昌河航空工業(yè)有限公司，景德鎮(zhèn) 333003）

基于機(jī)器人的鍛鑄件基準(zhǔn)制備系統(tǒng)

何小磊1，屈新河2，彭偉杰1

（1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.江西昌河航空工業(yè)有限公司，景德鎮(zhèn) 333003）

針對無基準(zhǔn)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(zhǔn)技術(shù)、機(jī)器人調(diào)姿技術(shù)以及低熔點(diǎn)合金澆鑄工藝的基準(zhǔn)制備方法。在分析了毛坯件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及傳統(tǒng)加工工藝要求的基礎(chǔ)上，建立了以點(diǎn)云數(shù)據(jù)向理論模型進(jìn)行配準(zhǔn)對齊得到旋轉(zhuǎn)量和移動量，機(jī)器人根據(jù)該旋轉(zhuǎn)量和移動量對毛坯件進(jìn)行調(diào)姿，從而使毛坯件處于理論的加工位置，利用低熔點(diǎn)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(zhǔn)。最后通過實(shí)驗(yàn)論證了此方法的可行性，實(shí)現(xiàn)了無基準(zhǔn)鍛鑄件毛坯的基準(zhǔn)自動化制備。

基準(zhǔn)制備；配準(zhǔn)對齊；機(jī)器人；調(diào)姿；低熔點(diǎn)合金

0 引言

在傳統(tǒng)的機(jī)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(jìn)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(zhǔn)的毛坯件由于缺乏加工基準(zhǔn)，則更難對零件進(jìn)行加工；若毛坯件的加工基準(zhǔn)不準(zhǔn)，則會導(dǎo)致余量加工不均勻甚至不足或超差等問題，嚴(yán)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(shí)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(zhǔn)毛坯件數(shù)控加工的核心問題。

本文所提出的機(jī)器人鍛鑄件基準(zhǔn)制備技術(shù)結(jié)合了鍛鑄件毛坯的點(diǎn)云數(shù)據(jù)向理論模型進(jìn)行配準(zhǔn)對齊技術(shù)、機(jī)器人調(diào)姿技術(shù)以及利用低熔點(diǎn)合金澆鑄工藝，從而準(zhǔn)確得出澆鑄后毛坯件在加工坐標(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)統(tǒng)一對加工精度的影響進(jìn)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(zhǔn)的類型和特點(diǎn)，提出了加工基準(zhǔn)的獲取方法，并且介紹了加工基準(zhǔn)的匹配算法。董天毅[3]以輕型汽車SF130傳動箱為例驗(yàn)證了定位基準(zhǔn)的選擇對加工質(zhì)量的影響。針對不同的零部件基準(zhǔn)的選擇也不盡相同，向文俊[4]針對發(fā)動機(jī)缸體的基準(zhǔn)選擇進(jìn)行了研究。蔣利洋[5]等提出了鍛鑄件毛坯數(shù)控加工原點(diǎn)定位技術(shù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)向理論模型進(jìn)行配準(zhǔn)對齊，準(zhǔn)確計(jì)算出點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對于理論模型的偏差量。

本文以某類無基準(zhǔn)鍛鑄件的基準(zhǔn)制備為研究對象，該類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為沒有加工基準(zhǔn)、部分加工面不進(jìn)行加工但是要保證余量均勻。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)向理論模型配準(zhǔn)技術(shù)、機(jī)器人調(diào)姿技術(shù)以及低熔點(diǎn)合金澆鑄工藝組成的基準(zhǔn)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(biāo)系下的位置和姿態(tài)，以該加工坐標(biāo)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(diǎn)

鍛鑄件的傳統(tǒng)加工方式存在以下四個方面的問題：

1）毛坯件進(jìn)廠之前缺乏科學(xué)檢驗(yàn)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(fèi)前期加工工序所消耗的時間。

2）無基準(zhǔn)鍛鑄件缺乏定位基準(zhǔn)，采用傳統(tǒng)手工劃線的方式確定零件的加工基準(zhǔn)，導(dǎo)致準(zhǔn)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(zhǔn)制備系統(tǒng)

基于機(jī)器人的鍛鑄件基準(zhǔn)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1 鍛鑄件基準(zhǔn)制備總體方案

1）配準(zhǔn)對齊：獲取毛坯件及三個標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將掃描完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)向CAD模型進(jìn)行配準(zhǔn)對齊，利用已經(jīng)開發(fā)的各種配準(zhǔn)對齊和余量優(yōu)化分配功能模塊，使得毛坯的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包圍在CAD模型的外表面，此時毛坯的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型處于最優(yōu)的相對位姿；

圖2 毛坯和三個標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 配準(zhǔn)對齊

2）三球基準(zhǔn)傳遞：利用激光掃描儀獲取毛坯上三個標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及澆鑄盒角點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并且在澆鑄盒的角點(diǎn)上建立測量坐標(biāo)系。在測量坐標(biāo)系下，利用三球基準(zhǔn)傳遞技術(shù)，將機(jī)器人端三個標(biāo)準(zhǔn)球依次向圖3中三個標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊。

圖4 配準(zhǔn)對齊數(shù)據(jù)和測量坐標(biāo)系下三球數(shù)據(jù)

圖5 三球基準(zhǔn)傳遞

根據(jù)三球基準(zhǔn)傳遞技術(shù)，計(jì)算出在測量坐標(biāo)系下的移動量和旋轉(zhuǎn)量如表1所示。

表1 三球基準(zhǔn)傳遞的旋轉(zhuǎn)量和移動量

4）通訊控制與機(jī)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(zhǔn)系統(tǒng)中開發(fā)計(jì)算機(jī)與機(jī)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(jī)器人控制柜中，此時機(jī)器人將毛坯件放入澆鑄盒中；

圖6 機(jī)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(diǎn)合金：機(jī)器人調(diào)姿完成之后，向澆鑄盒中澆入低熔點(diǎn)合金，待低熔點(diǎn)合金冷卻之后，形成了以澆鑄盒為零件的加工基準(zhǔn)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 毛坯點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型配準(zhǔn)對齊技術(shù)

該技術(shù)的目的是實(shí)現(xiàn)掃描點(diǎn)云與CAD模型的最佳相對位姿，對于鍛鑄件毛坯，配準(zhǔn)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(jì)算掃描點(diǎn)在曲面模型表面的匹配點(diǎn)，然后運(yùn)用ICP迭代算法[6]，最小化匹配點(diǎn)對的距離偏差，以實(shí)現(xiàn)最佳擬合對齊的目的。

3.1.1 最佳擬合對齊具體的實(shí)施流程

1）對配準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)P1進(jìn)行精簡，減少參與配準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)量，利用精簡后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)P形成最大包圍盒Box1，剔除不在包圍盒中的點(diǎn)集，目的是為了提高配準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)，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(zhǔn)的曲面?zhèn)€數(shù)，提高了配準(zhǔn)的效率；

3）點(diǎn)云P和曲面集合F2進(jìn)行ICP迭代配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)參與配準(zhǔn)數(shù)據(jù)的最佳擬合對齊，進(jìn)而輸出最終對齊的變換矩陣M，最后用M對整體的掃描點(diǎn)云P1進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)掃描點(diǎn)云與CAD曲面模型的最佳擬合對齊。

3.1.2 ICP配準(zhǔn)算法原理分析

原始ICP算法的基本描述是在另一個點(diǎn)云Q中求取與點(diǎn)云P的最近點(diǎn)（理想狀態(tài)下本應(yīng)重合的點(diǎn)），計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)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(diǎn)云片間的相對位置，達(dá)到點(diǎn)云片之間配準(zhǔn)對齊的效果，如圖7所示。

圖7 ICP配準(zhǔn)過程示意圖

本章中提到的掃描點(diǎn)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(diǎn)云與模型表面對應(yīng)點(diǎn)的變換矩陣，多次迭代直至目標(biāo)函數(shù)滿足一定的精度為止。其目標(biāo)函數(shù)為：

式中：pi(i=0,1,…,n)為待配準(zhǔn)的掃描點(diǎn)；qi(i=0,1,…,n)為pi在CAD模型表面上的匹配點(diǎn)；R,T分別為待求的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量。

3.2 三球基準(zhǔn)傳遞技術(shù)

本文提到的三球定位基準(zhǔn)傳遞方法基本實(shí)施的思路如下：先后兩次在不同的坐標(biāo)系下獲取三個標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)，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(diǎn)云，使得毛坯掃描點(diǎn)云從初始的坐標(biāo)系下變換到了指定的坐標(biāo)系下。

在初始坐標(biāo)系F0下，毛坯掃描點(diǎn)云集合為Dscan，三個標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)分別為P1、P2、P3；將毛坯件固定在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，在測量坐標(biāo)系Fm（通常將此時的測量坐標(biāo)系設(shè)置為加工坐標(biāo)系）下再次獲取三個標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)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(zhǔn)傳遞示意圖

1）以坐標(biāo)系P1、P2、P3為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立以P1作為坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)架的三個坐標(biāo)軸。以坐標(biāo)點(diǎn)Q1、Q2、Q3為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立以Q1作為坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)架的三個坐標(biāo)軸。

2）將P1、P2、P3與對應(yīng)點(diǎn)Q1、Q2、Q3依次重合，那么各自的標(biāo)架相重合，從而可以反求出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，即：

3）對掃描數(shù)據(jù)Dscan進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移變換得到變換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)D'scan：

3 實(shí)例驗(yàn)證

針對某類鍛鑄件毛坯，利用鍛鑄件基準(zhǔn)制備系統(tǒng)，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)向理論模型的配準(zhǔn)技術(shù)、機(jī)器人調(diào)姿技術(shù)以及低熔點(diǎn)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(zhǔn)，利用數(shù)控機(jī)床加工該類毛坯件。

首先利用激光掃描儀獲取毛坯件和三個標(biāo)準(zhǔn)球完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如圖9(b)所示，機(jī)器人將毛坯件調(diào)整到空間中的任意一個位置和姿態(tài)，利用激光掃描儀獲取此時零件上三個標(biāo)準(zhǔn)球的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及澆鑄盒角點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用三球基準(zhǔn)傳遞技術(shù)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)量和移動量將計(jì)算得到的結(jié)果補(bǔ)償?shù)綑C(jī)器人的初始位姿，并且將計(jì)算得到的最終位置和姿態(tài)Te傳輸?shù)綑C(jī)器人的控制柜中，控制機(jī)器人運(yùn)動，圖9(c)機(jī)器人將零件放入澆鑄盒中。如圖9(d)所示，待毛坯位置調(diào)整完成之后，向澆鑄盒中澆入熔融的低熔點(diǎn)合金，此時毛坯件、低熔點(diǎn)合金以及澆鑄盒形成一個整體，形成以澆鑄盒的角點(diǎn)為毛坯件的數(shù)控加工原點(diǎn)。

圖9 機(jī)器人調(diào)姿過程

4 結(jié)論

針對無基準(zhǔn)鍛鑄件毛坯缺少加工基準(zhǔn)問題，本文采

【】【】用機(jī)器人抓取毛坯件進(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且與理論位置進(jìn)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(shí)例驗(yàn)證了本文無基準(zhǔn)鍛鑄件基準(zhǔn)制備加工方案的可行性。

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The benchmark making of forging-casting fittings based on robot

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TH164

：A

1009-0134(2017)01-0087-04

2016-09-10

中航工業(yè)技術(shù)開發(fā)（創(chuàng)新基金）：航空復(fù)雜鍛鑄件余量自動分配及精基準(zhǔn)制備系統(tǒng)研制（2014E37217）

何小磊（1991 -），男，安徽人，碩士研究生，研究方向?yàn)镃AD/CAM數(shù)字化制造、計(jì)算機(jī)輔助自適應(yīng)加工技術(shù)和機(jī)器人鍛鑄件基準(zhǔn)制造技術(shù)。