大型鍛件缺陷磨削工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡自動規(guī)劃算法研究

郭欣 施蕓 于振軍

摘要：大型鍛件是大型機(jī)械的關(guān)鍵部位，消除大型鍛件缺陷是提高鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵?，F(xiàn)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的缺陷消除原理，以碗狀結(jié)構(gòu)路徑規(guī)劃為例，分析了其路徑規(guī)劃算法，并通過碗狀結(jié)構(gòu)路徑的規(guī)劃，大型鍛件缺陷磨削工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對大型鍛件缺陷的消除工作。

關(guān)鍵詞：大型鍛件;缺陷面;磨削;工業(yè)機(jī)器人;運(yùn)動軌跡自動規(guī)劃

0 引言

大型鍛件一般應(yīng)用在大型機(jī)械的關(guān)鍵部位，其所處工作環(huán)境惡劣，受力復(fù)雜多變，因此，在生產(chǎn)過程中對大型鍛件的質(zhì)量要求很高。生產(chǎn)大型鍛件時，即使采用最先進(jìn)的冶金技術(shù)，鋼錠內(nèi)部也不可避免地存在微裂紋、疏松、縮孔、偏析等缺陷，嚴(yán)重影響鍛件的質(zhì)量，及時消除這些缺陷，是提高鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵。

目前，在大型鍛件表面缺陷消除作業(yè)過程中，基本采用人工方式完成缺陷查找、確認(rèn)和磨削處理等工作，磨削處理時，會產(chǎn)生大量粉塵，人員工作環(huán)境惡劣，且存在缺陷漏檢率較高、生產(chǎn)效率低下、工人勞動強(qiáng)度大、企業(yè)生產(chǎn)成本高等問題。

為了解決上述問題，本項目研究基于工業(yè)機(jī)器人，以機(jī)器視覺和無示教自動編程技術(shù)為核心，研制大型鍛件表面缺陷機(jī)器人自動消除系統(tǒng)，重點(diǎn)解決基于機(jī)器視覺的大型鍛件表面缺陷識別和定位、工業(yè)機(jī)器人多點(diǎn)作業(yè)軌跡自動規(guī)劃和運(yùn)行控制等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用問題。

1 工業(yè)機(jī)器人缺陷磨削原理

不同于工業(yè)機(jī)器人的其他磨削場合，大型鍛件表面缺陷機(jī)器人在進(jìn)行磨削作業(yè)時，只針對缺陷部分，當(dāng)某一缺陷部分磨削完成，機(jī)器人快速移動至下一缺陷部分繼續(xù)磨削。

由于缺陷形狀不規(guī)則，大型鍛件表面缺陷機(jī)器人在磨削前，需規(guī)劃以怎樣的形狀去除缺陷。本項目研究過程中，分別使用了回字形狀及碗狀結(jié)構(gòu)去除缺陷，碗狀結(jié)構(gòu)的加工路徑俯視圖如圖1所示。

由于回字形狀結(jié)構(gòu)的加工路徑轉(zhuǎn)角過多，降低了機(jī)器人的運(yùn)行節(jié)拍，從而降低了機(jī)器人的運(yùn)行速度。而碗狀結(jié)構(gòu)的加工路徑由多個同心圓弧構(gòu)成，圓弧曲線平滑，不會影響機(jī)器人的運(yùn)行速度。

本項目經(jīng)過反復(fù)多次實(shí)驗，用回字形狀結(jié)構(gòu)和碗狀結(jié)構(gòu)分別去覆蓋缺陷部分，發(fā)現(xiàn)碗狀結(jié)構(gòu)與缺陷部分更加貼合，對無缺陷部分鍛面的影響也最小。

2 工業(yè)機(jī)器人磨削缺陷面外接圓繪制

磨削系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù)，當(dāng)機(jī)器視覺系統(tǒng)采集回大型鍛件的表面輪廓后，將其顯示在人機(jī)界面上，在顯示過程中，對缺陷部分進(jìn)行特別標(biāo)注，機(jī)器人在對缺陷部分進(jìn)行磨削前，需要構(gòu)建一個最小外接圓，將缺陷部分的所有加工點(diǎn)包圍在其中。大型鍛件某處缺陷面如圖2所示。

要在缺陷面外部找一個最小外接圓，其步驟為：

（1）在缺陷面突起部分找坐標(biāo)點(diǎn)，如圖3所示。

（2）用直線將相鄰坐標(biāo)點(diǎn)連接起來，形成一個不規(guī)則的多邊形，如圖4所示。

（3）求解不規(guī)則多邊形的重心作為外接圓的圓心。設(shè)以上不規(guī)則多邊形數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)為（xi，yi）（其中i=1，2…，n，n為多邊形數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)），而多邊形的重心G的坐標(biāo)為（xg，yg），則多邊形的重心為：

（5）以距離c為半徑，繪制圓形，該圓即為缺陷面的外接圓，在后續(xù)的磨削中，可將該外接圓作為碗狀結(jié)構(gòu)加工路徑的碗口。

3 工業(yè)機(jī)器人磨削路徑自動規(guī)劃

要使機(jī)器人磨削出碗狀路徑，需在三維空間中考慮機(jī)器人的運(yùn)動路徑，假設(shè)機(jī)器人磨削過程中的坐標(biāo)如圖5所示，其中Y-Z為碗平面坐標(biāo)，X為碗深度坐標(biāo)。

3.1 ? ?機(jī)器人在Y-Z平面的磨削軌跡規(guī)劃

在規(guī)劃磨削軌跡時，首先考慮碗面的磨削路徑規(guī)劃。已知缺陷面的外接圓，碗面的磨削路徑可以通過規(guī)劃多個以重心為圓心點(diǎn)的同心圓來實(shí)現(xiàn)。為了提高缺陷磨削質(zhì)量，各圓弧之間的距離設(shè)為等距Δl，則需要完成磨削的圓弧個數(shù)n為：

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人圓弧軌跡磨削，至少需要3個點(diǎn)位數(shù)據(jù)，分別為起點(diǎn)、過渡點(diǎn)和終點(diǎn)，且圓弧是一個360°的整圓，故圓弧運(yùn)動的角度應(yīng)設(shè)為360°。每一段圓弧的3個點(diǎn)位數(shù)據(jù)都是上一段圓弧在Y軸和Z軸2個方向上的偏移。

3.2 ? ?機(jī)器人在X方向的磨削軌跡規(guī)劃

由于機(jī)器人進(jìn)刀方向為X正方向，當(dāng)機(jī)器人完成碗面磨削時，需使數(shù)據(jù)點(diǎn)在X正方向偏移一個Δx，再從內(nèi)圓向外圓的方向依次磨削。后面的磨削過程遵循以下步驟：

（1）機(jī)器人完成Y-Z平面的磨削;

（2）磨削數(shù)據(jù)點(diǎn)在X正方向偏移Δx，若磨削起點(diǎn)在內(nèi)圓，則從內(nèi)圓依次向外圓磨削;若磨削起點(diǎn)在外圓，則從外圓依次向內(nèi)圓磨削，直至缺陷部分被完成清除。

4 結(jié)語

本項目經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)大型鍛件磨削工業(yè)機(jī)器人采用以上方法實(shí)現(xiàn)大型鍛件缺陷磨削具有以下特點(diǎn)：

（1）采用合適的算法，可實(shí)現(xiàn)磨削軌跡的自動規(guī)劃;

（2）采用碗狀結(jié)構(gòu)磨削加工方式，可提高機(jī)器人運(yùn)動的節(jié)拍，從而加快機(jī)器人的磨削速度;

（3）采用機(jī)器人磨削大型鍛件缺陷面，降低了企業(yè)缺陷面磨削成本，提高了磨削質(zhì)量。

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動軌跡自動規(guī)劃完成以后，大型鍛件缺陷磨削示意圖如圖6所示。

總體來說，本項目研究的大型鍛件缺陷磨削工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡自動規(guī)劃成果便于推廣實(shí)施，具有較好的實(shí)用價值。

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收稿日期：2020-09-04

作者簡介：郭欣（1982—），女，四川資陽人，碩士，講師，研究方向：電力電子與電力傳動。