船用螺旋槳機(jī)器人銑削路徑規(guī)劃研究

舒永東，張道翔，柳德君

(南京高精船用設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

船用螺旋槳是一種典型的自由曲面零件，作為船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的重要部件之一，其曲面形狀及制造精度直接決定了船舶推進(jìn)的動(dòng)力和噪聲的大小。船用螺旋槳的槳葉形狀復(fù)雜，且各個(gè)槳葉之間存在重疊區(qū)域，導(dǎo)致其加工費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，加工精度和效率難以提高[1]。所以，如何高效且精確地加工螺旋槳，一直是該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

董輝躍等[2]針對(duì)螺旋銑削加工參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，建立周向銑削力和表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化，使機(jī)器人系統(tǒng)加工性能穩(wěn)定。熊曉飛[3]基于UG平臺(tái),開發(fā)機(jī)器人磨削軌跡規(guī)劃模塊，實(shí)現(xiàn)螺旋槳磨削加工路徑的優(yōu)化。王桃峰[4]對(duì)船用螺旋槳的數(shù)控加工工藝進(jìn)行了研究，認(rèn)為螺旋槳采用多軸加工相對(duì)于三軸增加了兩個(gè)或兩個(gè)以上的自由度，有利于加工自由曲面，提高了加工工件質(zhì)量。張斌等[5]以O(shè)pen Cascade為幾何造型技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，以改進(jìn)的CC路徑截面線法為軌跡生成方法，通過對(duì)約束面間距進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，改進(jìn)了傳統(tǒng)CC路徑截面線法刀軌疏密不一致的問題，從而能夠提高機(jī)器人銑削加工精度。徐玲等[6]以UG的CAM模塊為平臺(tái),輔以UG OPEN/API和VC++兩個(gè)主要的開發(fā)工具，將各類參數(shù)設(shè)置、刀軌計(jì)算和后處理等功能集成起來,實(shí)現(xiàn)了船用螺旋槳數(shù)控編程的集成化、自動(dòng)化和智能化。蔡潘[7]基于UG二次開發(fā)功能，搭建了槳葉參數(shù)化建模平臺(tái)，針對(duì)可調(diào)距螺旋槳葉片的數(shù)控銑削加工，分析了加工工藝流程，研究了參數(shù)選擇依據(jù)及槳葉銑削策略。熊曉飛[3]基于計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)理論，建立螺旋槳水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，通過編程實(shí)現(xiàn) UG 平臺(tái)下螺旋槳曲面銑削的軸向切深參數(shù)優(yōu)化功能模塊的開發(fā)。

針對(duì)船用螺旋槳曲面形狀復(fù)雜、精度要求高、存在重疊區(qū)域的特點(diǎn)，本文結(jié)合螺旋槳的形狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用UG軟件對(duì)螺旋槳的曲面進(jìn)行分割處理，以方便于不同位置的加工；同時(shí)對(duì)處理后的模型進(jìn)行路徑規(guī)劃及后處理，完成螺旋槳的加工。

1 船用螺旋槳加工工藝技術(shù)路線

船用螺旋槳的毛坯件為鑄件，鑄造完成后，澆注口一般會(huì)留有殘留材料，所以鑄造完成之后需要人工清除冒口處的多余部分。同時(shí)，在螺旋槳槳轂中心完成軸孔的加工及槳轂端面的加工，并以其作為基準(zhǔn)面，從而保證后續(xù)安裝定位精度。裝夾定位完成后，需要對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而進(jìn)行葉面和葉背的非干涉區(qū)域與干涉區(qū)域的加工，最后進(jìn)行磨拋和檢驗(yàn)。螺旋槳加工工藝技術(shù)路線如圖1所示。

2 UG模型的處理

2.1 干涉區(qū)域與非干涉區(qū)域的分界線的確定

在使用末端加有電主軸的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行螺旋槳葉面的銑削時(shí)如不考慮前傾角和側(cè)傾角，根據(jù)螺旋槳及機(jī)器人末端的電主軸的結(jié)構(gòu)可確定出干涉區(qū)域與非干涉區(qū)域的分界線。機(jī)器人銑削螺旋槳示意圖如圖2所示，螺旋槳葉面的干涉區(qū)域和非干涉區(qū)域如圖3所示。

分界線的確定步驟：首先，抽取前一葉面的隨邊曲線，投影至將要進(jìn)行路徑規(guī)劃的葉面上；然后，進(jìn)行曲線偏置，偏置距離為機(jī)器人電主軸刀具中心到電主軸邊緣的距離加上一個(gè)安全距離。抽取葉根處葉面與槳轂的交線，在葉面上偏置同樣的距離后對(duì)兩條曲線進(jìn)行修剪形成干涉區(qū)域與非干涉區(qū)域的分界線。

實(shí)線—涉及工業(yè)機(jī)器人的步驟；虛線—非涉及工業(yè)機(jī)器人的步驟

圖2 機(jī)器人銑削螺旋槳示意圖

圖3 螺旋槳葉面的干涉區(qū)域和非干涉區(qū)域

2.2 曲面的重建

由于螺旋槳的設(shè)計(jì)模型中葉面與葉背的交線處有一定的曲率，這將導(dǎo)致直接在設(shè)計(jì)模型的葉面上進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)產(chǎn)生刀軸矢量的突變，進(jìn)而影響螺旋槳的加工，所以在UG中進(jìn)行曲面重建，對(duì)葉面進(jìn)行擴(kuò)大是必要的。

首先將葉面進(jìn)行縮小以便于之后擴(kuò)大時(shí)曲率合適。在進(jìn)行曲面的擴(kuò)大與縮小時(shí)，須在“設(shè)置”欄設(shè)置為“線性”。同樣的操作把縮小后的曲面擴(kuò)大至原葉面外部適當(dāng)距離，以便于刀路規(guī)劃及仿真。最后使用干涉區(qū)域與非干涉區(qū)域的分界線將重構(gòu)的曲面進(jìn)行分割，從而得到用于路徑規(guī)劃的干涉區(qū)域與非干涉區(qū)域的曲面，結(jié)果圖如圖4所示。

圖4 曲面重構(gòu)顯示

3 路徑規(guī)劃

將螺旋槳葉面進(jìn)行干涉區(qū)域與非干涉區(qū)域的劃分之后，在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，將路徑規(guī)劃分為干涉區(qū)域、非干涉區(qū)域及槳轂的路徑規(guī)劃。

3.1 非干涉區(qū)域的路徑規(guī)劃

選擇分割出的葉面的非干涉區(qū)域的曲面，選擇“沿面”的刀路類型(由于本例使用設(shè)計(jì)模型進(jìn)行曲面的路徑規(guī)劃，故選擇“沿面”刀路類型，可根據(jù)需要選擇其他方式)。在MasterCam中進(jìn)行具體的參數(shù)設(shè)置，包括刀具的型號(hào)、刀柄的大小、切削方式、刀軸控制、碰撞控制、共同參數(shù)、粗切參數(shù)等設(shè)置。切削方式中沿面參數(shù)包括補(bǔ)正方向、切削方向、步進(jìn)方向、起始點(diǎn)的設(shè)置。之后對(duì)切削方向、補(bǔ)正方式、加工面預(yù)留量、切削公差及切削間距進(jìn)行設(shè)置。刀軸控制設(shè)置包括對(duì)刀軸控制、輸出方式、前傾角、側(cè)傾角及刀具向量長度進(jìn)行設(shè)置。碰撞控制主要對(duì)干涉面進(jìn)行設(shè)置。共同參數(shù)設(shè)置包括對(duì)安全高度、參考高度及下刀位置進(jìn)行設(shè)置。粗切參數(shù)設(shè)置包括對(duì)粗切次數(shù)、粗切步進(jìn)量、精切次數(shù)、靜修量進(jìn)行設(shè)置。最后進(jìn)行確認(rèn)生成刀軌。非干涉區(qū)域路徑規(guī)劃結(jié)果圖如圖5所示。

圖5 非干涉區(qū)域路徑規(guī)劃結(jié)果圖

3.2 干涉區(qū)域的路徑規(guī)劃

在進(jìn)行干涉區(qū)域的路徑規(guī)劃時(shí)，使用原來的刀具在不考慮刀具傾角的時(shí)候是不能加工的，所以更換刀具或增加輔助裝置才能進(jìn)行干涉區(qū)域的加工。

解決干涉區(qū)域加工的辦法一般有兩種。第一種方法是使用長度較長的刀具外加刀具傾角來加工干涉區(qū)域。這種方法能夠完全覆蓋干涉區(qū)域，但因?yàn)榈毒叩募娱L，使刀具的剛度變差，在加工過程中刀具的變形較大，導(dǎo)致振動(dòng)且加工精度不高。同時(shí)，因?yàn)榈毒邇A角的原因?qū)е虑邢魉俾瘦^低。所以使用加長刀具加工干涉區(qū)域，需要使用特定的刀具進(jìn)行加工，故本文不考慮此種方法。第二種方法是使用輔助裝置——角度頭，改變刀具方向的同時(shí)減小主軸頭部的大小，從而能使刀具深入干涉區(qū)域進(jìn)行加工，以有效地解決干涉區(qū)域加工的問題。角度頭的模型圖如圖6所示。

圖6 角度頭模型

增加角度頭之后，可以有效加工到螺旋槳的干涉區(qū)域。角度頭內(nèi)部采用齒輪傳動(dòng)，因此增加了角度頭之后的電主軸的轉(zhuǎn)速不能太高，但由于角度頭的過渡，刀具可以以較好的刀軸矢量加工螺旋槳葉面，同時(shí)，機(jī)器人也會(huì)以較好的姿態(tài)來進(jìn)行加工。從這幾個(gè)方面來看，增加角度頭不僅可以有效地加工到螺旋槳的干涉區(qū)域，而且能夠增加工業(yè)機(jī)器人銑削加工螺旋槳的精度，且減少加工干涉區(qū)域過程中的振動(dòng)。

干涉區(qū)域的路徑規(guī)劃過程與非干涉區(qū)域的路徑規(guī)劃過程類似，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置之后，生成刀路。兩者的主要區(qū)別在于路徑規(guī)劃之后的后處理過程。干涉區(qū)域需要將角度頭安裝在工業(yè)機(jī)器人末端之后進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)優(yōu)化，從而得到合適的優(yōu)化路徑。

4 結(jié)語

根據(jù)螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和機(jī)器人加工螺旋槳過程中的限制，對(duì)螺旋槳葉面進(jìn)行劃分，劃分為干涉區(qū)域和非干涉區(qū)域。對(duì)于不同的區(qū)域使用不同的工具進(jìn)行刀路規(guī)劃，可有效解決工業(yè)機(jī)器人加工螺旋槳過程中的干涉問題，且從一定程度上提高了工業(yè)機(jī)器人銑削加工螺旋槳的精度。