基于工业机器人的导板修复技术.pdf

介绍了一种基于工业机器人的导板修复技术该技术主要针对因磨损严重而失效的导板进行补焊及打磨修复 首先通过对失效导板进行三维扫描和建模利用布尔差运算获得磨损部位三维模型 然后使用 切片软件对模型分层及路径生成 再通过离线编程软件规划运动轨迹并生成程序 最后利用工业机器人进行焊接和打磨 实现了对导板的自动化修复 该技术可以有效地提高导板的焊接效率和质量具有广泛的应用前景 关键词:工业机器人导板修复三维扫描离线编程 中图分类号:.文献标志码:.:收稿日期:作者简介:曾清健()男工程师主要从事悬索桥核心部件制造及自动化相关工作 在轧管机中导板是用于引导和支撑金属坯料在轧制过程中通过轧辊的重要构件它与轧辊配合形成一个封闭的孔型空间具有导入钢坯料、实现钢坯料轧制以及护卫钢管作用 从而保证轧制过程的稳定和轧制质量的优良 导板在轧制钢管过程中工作环境比较恶劣其工作面同时承受热钢坯的冲击、摩擦和挤压以及冷却水的激冷作用工作部位极易磨损当局部磨损达到一定量后导板失效就无法正常使用了 失效的导板要么报废造成资源极大浪费要么以人工补焊方式进行修复但是人工修复方式有很多缺点如修复精度低、劳动强度大、效率低、质量难以保证、焊接面温度过高导致工人无法长时间连续作业等 随着工业自动化的快速发展工业机器人已经成为现代制造业中不可或缺的一部分 在钢铁、汽车、机械制造等行业中工业机器人已经广泛应用于焊接、加工、装配、搬运等多个领域 近些年基于工业机器人的增材制造技术也成为了制造业的一个热点 在工业机器人电弧堆焊方面洪小英等基于工业机器人开发了电孤熔丝焊锻复合增材再制造算法和装备并用曲轴热锻模具进行再制造修复 王东峰利用弧焊机器人堆焊修复技术对船舶螺旋桨进行堆焊修复 张建生等为解决复杂增材对象分层切片效率低下的问题提出了一种改进的切片方法用模型进行了分层切片测试用失效模具进行了增材制造试验 翟万略基于 打印模具修复技术提出了航空发动机叶片修复的可行性和实用性 随着技术发展基于工业机器人电弧堆焊技术不断在各个行业中探索着推广应用逐步由试验研究走向了实用化 本文利用三维扫描技术获取导板数字化模型利用 打印原理对模型切片分层及路径规划利用离线编程软件规划工业机器人补焊、打磨运动轨迹基于工业机器人增材制造技术对导板进行修复相比人工修复可以更高效、更稳定、更智能化地对导板进行修复 基于工业机器人的导板修复技术原理 基于工业机器人的导板修复技术其核心是利用增材制造技术结合工业机器人、焊枪及弧焊电源等对磨损的导板进行自动化焊接修复 首先利用三维扫描设备对失效导板进行扫描得到数字三维模型 在三维设计软件中建立原导板设曾清健:基于工业机器人的导板修复技术 年第 期计的标准模型再将扫描的三维模型与原设计模型进行布尔差运算得到磨损部位的三维模型利用 打印软件对磨损部位的三维模型进行分层及路径生成 在离线编程软件中利用生成的路径规划工业机器人运动轨迹计算并生成程序利用装备焊枪的焊接工业机器人对失效导板进行逐层堆焊 最后再利用打磨工业机器人对堆焊表面进行打磨最终完成整个导板修复过程 导板修复流程如图 所示图 导板修复流程 模型的处理.失效导板外形分析 导板的失效主要是由于长期承受热钢坯的冲击、摩擦和挤压在与钢坯接触的部位磨损严重形成凹坑见图 其形状较规则主要为较平坦的弧面没有复杂形状或狭小封闭腔利于模型的采集图 磨损的导板 .失效导板扫描 模型的扫描使用手持式激光扫描仪目前市面有各种手持式激光扫描仪其具有操作简单、使用携带方便、适应性强、扫描速度快等优点扫描速率可达百万次每秒最高精度可达.扫描前先在导板表面贴上标记点以便获取高精度模型手持式扫描仪扫过导板后扫描的点云数据传输到其配备的软件中即可实时生成导板的三维模型最后导出 格式文件从而获得失效导板的三维模型见图 图 扫描获得的失效导板 模型 .获取磨损部位三维模型 利用三维设计软件我们根据设计图建立原设计导板的三维模型 然后导入扫描的失效导板三维模型 通过调整将两件导板的侧面、底面等未磨损部位进行重合再通过三维布尔差运算便得到了磨损部位的三维模型 此时得到的模型边缘可能存在很薄的片体不能直接使用应进行检查并删除薄片体再缝补模型使其厚度满足切片分层厚度最小单位 完成后的模型如图 所示图 磨损部位 模型 基于 打印对模型分层及路径生成 通过模型处理获得的磨损部位的模型是一个 年第 期大型铸锻件整块模型对导板的堆焊修复属于多层多道焊接成形 此时我们需要利用 打印中的切片软件 其原理是将模型在高度方向分层再分别在每一层上生成路径 随着 打印技术的快速发展切片软件也不断优化功能及效果也越来越好比如 软件、软件、软件等 它们能方便地进行各项切片设置包括切片层高、切片道宽、实时 预览、模拟填充等 本项目选择了 切片软件进行切片首先导入磨损部位的三维模型在设置中设置“层高”为“道宽”为 设置“填充角度”为 上下层 交叉 切片的参数设置应与多层多道焊接参数相匹配层高即是焊接每一层厚度道宽即是焊接每一道宽度为获得更高强度和更好稳定性的焊接效果上一层的焊接路径与下一层的焊接路径呈交叉焊缝 对磨损部位模型切片后便获得了每一层的路径(见图)可以整体预览分层情况及模拟填充如图 得到的 代码应转化为曲线并输出为 格式以便在离线编程软件中进行工业机器人轨迹规划图 单层切片路径 图 切片 预览 基于离线编程软件规划工业机器人运动轨迹.离线编程软件简介 工业机器人编程方式一般分两种一种是示教编程一种是离线编程 示教编程是通过记录人工引导机器人末端到达的位置进行编程 示教编程虽然操作便捷但是有很大局限性难以编写复杂轨迹的程序 离线编程则是在电脑端利用软件建立机器人模型、工件模型及加工环境模型使用轨迹规划算法来生成加工轨迹从而生成机器人加工程序 离线编程使控制工业机器人得到极大简化改善了编程环境提高了编程效率减少了停机时间 目前市场上有各种工业机器人离线编程软件 如国产的、加拿大的、以 色 列 的、德 国 的、美国的、俄罗斯的 等 本文采用的是俄罗斯的 机器人离线编程仿真软件 是俄罗斯 科技团队开发的一款强大的 数控编程软件它不但可以针对数控加工机床编写、轴及多轴程序还可以编写工业机器人程序 该软件能够完成工业机器人的路径计算、仿真、轨迹优化、后处理等并且具有机器人碰撞检测、姿态调整、奇异点规避、工作区域限制等功能.编程及仿真 首先应在软件中建立工业机器人及末端工具三维模型 本次使用的工业机器人为 的 机器人机器人三维模型可以直接在 官网下载获取机器人末端焊枪等部件可在供应商处获取或自行建模 模型准备好后首先在 中搭建焊接机器人模型 利用系统自带相类似的机器人进行模型替换及修改 文件便可得到我们需要的焊接机器人 ()标定 即工具中心点工业机器人末端配置焊枪后应将 设置于伸出焊枪的焊丝尖点编程以焊丝尖点作为工具的最末端 焊丝伸出焊枪的长度应与焊接参数相匹配因为焊丝伸出越长焊丝的电阻热越大其熔化速度越快 若伸出过长则会导致电弧电压下降熔敷金属过多焊缝成形不良熔深减小电弧不稳定而且飞溅大若伸出过短则电弧易烧毁导电嘴金属飞溅物容易堵塞喷嘴 伸出长度宜设置为 在示教器上采用 点法将焊丝尖点设置为曾清健:基于工业机器人的导板修复技术 年第 期 点 ()工件坐标系建立 在导板上找三个易识别的特殊点利用 点法即定义原点定义 轴正方向定义 轴正方向来定义工件坐标系 控制焊接工业机器人焊丝尖点到达导板上三个特殊点在示教器中分别测量记录 点建立工件坐标系 此时工件坐标系相对机器人基点坐标系位置数据便获得 在软件中导入扫描的失效导板三维模型找到模型上相同的 处易识别的特殊点同样利用 点法建立模型坐标系 最后在项目树中选中 机器人在“坐标设定”中将示教器中测量获得的坐标位置数据输入软件中我们便在软件中复制了实际的导板与焊接机器人位置关系 ()程序编制 在导入扫描的失效导板三维模型、切片软件生成的路径曲线、建立好工件坐标系后在“新建工程”中新建“曲面轮廓加工”选择 切片软件生成的路径曲线作为加工驱动线 设置“刀轴方向”、刀具规格、进给率等参数点击计算生成程序(图)在“编辑刀具路径”中可以查看超限位、不可达、奇异点拖动曲线可以调整机器人姿态图 生成程序 ()仿真加工 程序编制好后进入工程模型模块设置模拟类型为增材制造将所有程序进行模拟焊接可以看到焊后成型状态检查确认轨迹正确 仿真结果如图 所示 ()导出程序 仿真无误后即可在后置处理器中选择 后处理从而将程序转化为 机器人指令进行输出然后拷贝至工业机器人控制器中图 焊接仿真 工业机器人焊接 导板材料一般为耐磨的高铬合金焊丝选择 焊丝化学成分见表 焊前对导板进行抛磨清理干净待焊接面 使用氧气乙炔火焰加热对导板进行预热预热温度控制在 焊机选择全数字化脉冲 气保焊机型号为 由于焊接采用较大的热输入并连续施焊选用了水冷焊枪并配备自动清枪器 焊接参数见表 焊接过程及焊接后见图 和图 表 焊丝化学成分(质量分数)().表 焊接工艺参数 焊接顺序焊丝直径电流电压焊接速度打底层.中间层.盖面层.图 焊接过程图 年第 期大型铸锻件 由于焊接过程中不可避免在极少数情况下出现熄弧如突然断电、焊机送丝不畅等情况导致机器人程序在运行而未进行焊接情况发生 为避免上述情况需在控制系统中增加熄弧停止运行以及断点记录程序以便处理好熄弧后能顺利继续焊接图 焊接完成图 工业机器人打磨 堆焊完成后导板磨损部位得以修复但是表面是焊接面需要对焊接面进行打磨 打磨使用打磨工业机器人进行机器人选用 相比于焊接使用的机器人其具有更高的负载能力 机器人末端配备浮动式砂轮打磨装置 打磨不需要切片等操作仅需利用设计导板模型在 软件中直接生成打磨轨迹这里不再赘述打磨如图 所示图 打磨中的导板 结束语 基于工业机器人的导板修复技术将便携式 扫描技术、打印切片技术、工业机器人离线编程技术等新技术结合运用于工业机器人上高效、准确、稳定地完成了导板的补焊修复工作 相比传统人工修复不但自动化程度高而且质量更稳定可靠、效率更高大大减少了工人劳动强度及时间成本 未来可以进一步优化该技术例如将视觉系统搭载于工业机器人末端直接利用工业机器人扫描导板模型等以实现更高效、更便捷的导板修复操作 同时该技术也可以应用到其他领域的自动化修复中具有广阔的应用前景和发展空间参考文献 陈峰 李晓宏.穿孔机导板系列的三维参数化设计.重型机械科技():.完卫国.导板的手工电弧堆焊.轧钢():.洪小英 肖贵乾.基于关节机器人的电弧熔丝焊锻复合增材再制造热锻模修复.塑性工程学报 ():.王东峰.弧焊机器人螺旋桨堆焊修复技术.金属加工(热加工)():.张建生 周杰 肖贵乾 等.复杂型腔锻模电弧增材再制造分层切片方法.华中科技大学学报(自然科学版)():.翟万略.基于 打印的模具修复技术探讨.航空制造技术():.王林 马世强.工业焊接机器人应用及智能发展趋势研究.中国设备工程():.刘德建 孙朝远 李蓬川 等.基于弧焊机器人结合增材制造技术修复超大型模具的可行性分析.大型铸锻件():.胡随芯 秦训鹏 胡泽启 等.热作模具堆焊修复再制造技术发展现状与趋势.热加工工艺():.田明海.打印机等层厚切片算法研究及软件实现.沈阳:沈阳工业大学.朱林 吴海波.工业机器人仿真与离线编程.北京:北京理工大学出版社.冯志浩.基于图像的工件重建在离线编程中的应用研究.济南:山东大学.刘文光 王亮.工业机器人离线编程技术应用实例.山东工业技术():.蔡琦.穿孔机导板材料的研究.钢管():.编辑:常旭