面向熔射快速制模的机器人自动研磨系统的开发.pdf

损伤检测装置相比,该系统具有检测灵敏度高、定量分析能力强、结构简单、判废直观、现场适应性强等特点。该装置能对油管内外壁的裂纹、偏磨、蚀坑、孔洞等多种缺陷进行综合检测,使用该装置可避免大量旧抽油管的盲目报废,减少抽油管漏油事故的发生,减少修井次数,降低采油成本,使旧抽油管的再利用得到安全可靠的保证,同时,可建立在役抽油管的使用档案,便于现场生产管理。参考文献:1 吴则中,田丰,李策,等.进一步提高我国油管检测与修复的技术水平.石油机械,1997,25(11):43 46 2 权高军.漏磁检测技术在油管修复中的应用.无损探伤,2004,28(6):49 503 滕召胜,罗隆福,童调生.智能检测系统与数据融合.北京:机械工业出版社,20004 徐丽娜.神经网络控制.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19995 杨涛,王太勇,秦旭达.基于特征量和神经网络的钢管缺陷预测模型.钢铁,2004,39(9):50 53(编辑 苏卫国)作者简介:杨 涛,男,1970 年生。天津工业大学机电工程学院讲师、博士。研究方向为机电一体化、动态监控与故障诊断。发表论文 10 篇。高殿斌,男,1946 年生。天津工业大学机电工程学院教授。面向熔射快速制模的机器人自动研磨系统的开发张海鸥 胡永凉 王桂兰 任 俊华中科技大学,武汉,430074 摘要:为解决熔射制造大中型汽车覆盖件模具过程中人工研磨时间长、劳动强度大等问题,建立了面向熔射快速制模的机器人自动研磨系统。在该系统上进行机器人研磨工艺参数实验研究,得到了研磨角度、机器人行走速度和路径对研磨表面质量的影响规律;在此基础上选择合适的研磨条件,在通过等离子熔射制造的模具表面皮膜上进行了研磨实验。实验研究结果表明,保持适当的研磨压力,选取合理的机器人行走速度、研磨角度、进给量,可得到较好的研磨效果。该机器人自动研磨系统适用于熔射制造的模具及一般模具的研磨过程。关键词:气动;机器人;研磨;熔射中图分类号:T P24 文章编号:1004-132(2005)17-1515-04Development of Robotic Automatic Grinding Platform Facing Plasma Spray ToolingZhang Haiou Hu Yongliang Wang Guilan Ren JunHuazhong University of Science and T echnology,Wuhan,430074Abstract:When big or medium-sized autobody panel moulds are ground by hands,many prob-lems,such as long grinding time and high labor intensity,should be thought about;thus this paperdeveloped robotic automatic grinding system facing plasma spray tooling.Based on the system,a ser-ials of processing experiments were carried out and the effects of grinding angles,robot moving speedand grinding path on the surface quality were studied and the suitable grinding parameters were ob-tained.By using the parameters robotic grinding experiments on the surfaces of the mould manufac-tured by plasma spay tooling were executed.T he experimental results indicate:keeping suitablegrinding pressure and choosing reasonable grinding angle,robot moving speed,feed rate,ideal sur-face quality can be obtained by adopting the established robotic grinding system and the platform canbe applied in grinding process of the moulds manufactured by spray tooling and general moulds.Key words:air-motor;robot;grinding;plasma spray0 引言金属模具的快速制造是实现新产品低成本快速开发和抢占市场的关键。由华中科技大学开发的机器人等离子熔射快速制造金属模具技术是一收稿日期:2004-11-09基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(2001AA421150)种间接法快速制模技术,适合于制造大中型、变批量模具,具有熔射材料限制少的优点 1,其主要工艺流程如图 1 所示。该技术的最后工序是模具表面研磨。一般来说,模具的研磨加工占整个模具加工时间的 40%以上,但目前大部分模具的研磨加工仍然依靠手工操作,即使在制造业高度发达的美国、日本等国也不例外。手工研磨效率低,难#1515#面向熔射快速制模的机器人自动研磨系统的开发)张海鸥 胡永凉 王桂兰等以保证研磨质量的稳定性,且劳动强度大,长期以来一直是模具制造业的瓶颈。国内外目前主要采用数控机床对平面或规则曲面实现自动研磨,也有采用框架式结构机器人进行研磨的报道,但采用多关节、高柔性、作业范围大的工业机器人进行模具表面自动研磨的技术和系统装备还不多见。图 1 等离子制模工艺流程图为了克服数控机床在研磨曲面过程中柔性不足的缺陷,并建立机器人熔射快速制模的研磨精加工工艺及装备,本文采用多关节工业机器人代替数控机床,开发了机器人自动研磨系统。由于熔射快速制模技术是采用机器人自动熔射工艺,而研磨系统采用同一机器人,因此可不必新添设备,从而降低了成本。此外,利用同一台机器人完成整个快速制模过程能使整个工艺过程更稳定,缩短模具制造的时间,从而更好地显示等离子喷涂技术在快速制模技术上的优势。1 机器人自动研磨系统的建立2,3本文研究采用 Motoman 六轴机器人,根据研磨工人的作业特性,利用该机器人柔性好、作业范围大的特点,建立了机器人气动式自动研磨系统,如图 2 所示。1.Motoman 机器人 2.气动研磨器 3.气动阀门 4.位移传感器 5.PLC 6.气动研磨工具 7.工件 8.夹具 9.数控转台 10.PC 机 11.机器人控制柜图 2 机器人自动研磨系统计算机是本研磨系统的中心协调控制部分,其余为执行部分。固定于机器人末端的研磨工具为气动研磨器,其价格便宜,轻便,排气方式选择为前端排气,以利于磨削料的清理。气动研磨器的空气动力由空气压缩机提供,转速可由调节气动阀 3 控制。机器人末端配置的位移传感器用来检测研磨过程中固定在数控转台上的工件尺寸的变化,并通过 PLC 传输到 PC 机上。系统的整个工作流程如图 3 所示。采用 UG中的模块建立工件的 CAD 模型,CAM 模块生成图 3 研磨系统工作流程prt 格式的加工代码。由于这种格式和机器人能识别的格式不同,故需编制相关软件以实现两种格式的转换。将转换后的 jbi 文件传输到机器人控制柜中在线运行,就可以驱动机器人进行研磨加工。在研磨过程中,计算机控制数控转台的运动与机器人的行走路径进行协调,实现七轴运动。程序结束后进行传感器表面检测,如果达到预定的研磨效果,则停止研磨加工;否则,进行路径补偿,继续加工。研磨系统实物图如图 4 所示。图 4 机器人研磨加工系统2 研磨加工路径的生成4,5在研磨加工中需要采用不同形状的研磨工具,用来处理工件中不同形状的表面。本文采用圆柱磨头进行研磨实验。机器人加工需要确定机器人用户坐标系,此用户坐标系与 UG 中的工件坐标系对应。在夹具#1516#中国机械工程第 16卷第 17 期 2005 年 9 月上半月上设一定点作为机器人用户坐标系原点,UG 中的工件坐标系根据这一原点与工件的相对位置来确定。图 5 是所建立的工件坐标系。图 5 工件坐标系在 UG 中生成的路径不能直接应用于机器人研磨,需要进行后处理。以图 5 圆柱形磨头为例,研磨时可分为 底面中心 A 点、底面侧沿B 点、柱面侧边 C 点三种情形。A 点时,可看作是普通的铣加工,可直接应用UG 生成的程序。B 点时的研磨模型如图 5所示,利用A、B 两点之间的几何关系可实现 A 点路径向 B 点路径的转换。假设研磨角度为如图 5 所示的 A,转换关系为XBYBZC1=100-RcosA0100001-RsinA0001XAYAZA1式中,R 为砂轮半径。C 点时的研磨模型如图 6 所示。利用 A、C 两点的几何关系可实现 A 点路径向C 点路径的转换。转换关系为XCYCZC1=100R0100001h0001XAYAZA1式中,h 为A 点所在的磨头底面到 C 点的距离。3 反馈检测系统的建立本文采用差动变压器式(LVDT)位移传感器,测量类型为顶端球头接触式,输出信号为电压信号,范围为0 5V,对应的位移在0 10mm 之间呈线性变化。输出的电压值通过 PLC 转换到PC 机中进行处理,检测速度为每秒 2 点。在生成检测路径时,需保证机器人的行走速度和 PLC 的检测速度一致。图 7 为采用该传感器检测表面的原理示意图,其中,L 为位移传感器走过的距离,U 为传感器输出的电压值。图 6 工具侧边研磨示意图 图 7 检测原理示意图通过建立机器人的用户坐标系来调整检测工具与工件间的距离,获得标准电压。根据 UG 的CAD 模型生成检测的一系列路径,转化为机器人代码以驱动机器人带动位移传感器进行位移检测;当实验检测的数据围绕标准电压做微小的波动时,说明所要进行研磨加工的工件达到了要求。4 机器人研磨工艺实验研究4.1 研磨参数对表面质量影响图 8为研磨工艺参数示意图,图中,f 为每层进给量,fH为横向每次进给量,X为磨头旋转角速度。为了分析研磨参数对工件表面研磨质量的图 8 研磨工艺参数示意图影响,进行了平面研磨的基础实验。采用相同条件对一试样表面进行机械加工,然后将该表面等分成 4 个区域,从而保证研磨实验前的表面状态相同。基础实验时采用的试样材料为 A3 钢,初始表面粗糙度为 Rz=5.0Lm,采用的研磨工具粒度为 W200。选用的工艺参数如表 1 所示。表 1 实验选用的工艺参数研磨角度 A(b)机器人行走速度 v(mm/s)横向每次进给量(mm)42185310105202084.1.1 研磨角度对表面质量的影响为了研究图 8所示的研磨角度 A对研磨表面质量的影响,按表 1 取研磨角度 A,利用前述 A、B两点的几何转换关系公式,将 UG 中生成的轨迹转换成 4 种同样的研磨轨迹。另取每层进给量f=0.01mm、机器人行走速度 v=5mm/s、研磨次数 N=3、横向每次进给量 fH=2mm。沿机器人行走路线垂直方向进行表面粗糙度的测量,实验结果如图 9 所示,图中曲线由实验数据点进行多项式拟合得到。由图 9 可知,表面粗糙度和研磨角度近似成正比例关系,研磨角度越小,表面研磨效果越好。而 A=0b时,由于磨头底面与工件表面为面接触,#1517#面向熔射快速制模的机器人自动研磨系统的开发)张海鸥 胡永凉 王桂兰等各点的研磨速度不同,载荷增大,产生较大振动,研磨效果恶化。因此在选择研磨角度时,在负载允许和不发生干涉的情况下,研磨角取小为好。4.1.2 机器人行走速度对表面质量的影响设 A=3b,研究机器人行走速度对研磨表面质量的 影 响,行 走 速 度 按 表 1 取 值。另 取f=0.01mm、N=3、fH=2mm,实验结果如图 10所示,图中曲线由实验数据点进行多项式拟合得到。图 9 表面粗糙度与 研磨角度关系 图 10 表面粗糙度与 行走速度关系从图 10 可以看出,研磨角度一定时,机器人行走速度越低研磨的效果越好,但因此也延长了研磨加工的时间。所以在选择机器人行走速度时需要综合考虑加工质量和加工效率之间的关系。4.1.3 横向进给量对表面质量的影响最后研究了加工轨迹中横向进给量对研磨表面质量的影响。在研磨进给量 f、研磨次数 N、研磨角度 A与前相同的条件下,将机器人行走速度设定为 2mm/s,按表 1 所示的数值改变横向进给量,实验结果如图 11 所示,图中曲线由实验数据点进行多项式拟合得到。从图 11 可以看出,研磨加工的横向进给量对表面质量有很大影响,而且与行走速度一样也影响加工效率,所以在选择横向进给时同样需综合考虑加工质量和加工效率。4.2 熔射皮膜表面研磨实验研究 1 图 11 表面粗糙度与横向进给关系为了研究该自动研磨系统在等离子熔射快速制模后续研磨精加工工序中应用的可行性,本文采用上述基础研究中得到的合适的研磨条件,对等离子熔射制造的汽车覆盖件模具表面的局部进行了机器人研磨。在研磨进给量 f、研磨次数 N 与前相同的条件下,设定研磨角度 A=3 b、行走速度 v=2mm/s、横 向每次进给量 fH=2mm。待研磨的等离子熔射皮膜厚度为 0.5mm,硬度约为 HRC50,皮膜材料为镍-铬-铁基不锈钢。通过研磨实验,得到了如图 12 所示的表面质量好的表面,由图可见,经过研磨加工的皮膜表面具有金属光泽。图 12 皮膜研磨效果对比图5 结论(1)建立了由机器人、计算机、数控工作台、反馈检测装置等组成的机器人自动气动研磨系统,实现了该研磨系统的复合运动控制和研磨加工。(2)采用该实验平台研究了研磨角度、机器人行走速度和横向进给量对研磨表面质量的影响,得到了合适的研磨条件。(3)采用所得到的合适的研磨条件对等离子熔射制造的汽车覆盖件模具表面局部研磨的结果表明,所开发的多关节七轴机器人研磨技术与装置可用于熔射制模工艺,该技术可为大中型模具表面研磨抛光提供有效的手段。参考文献:1 李少兵,张海鸥.汽车车身覆盖件模具据熔射快速制造技术研究.电加工与模具,2004(2):23 262 张雷,赵继,陶敏中,等.机器人自动研磨系统及试验.吉林工业大学学报,1997,27(3):44 493 袁楚明,张雷,陈幼平,等.模具曲面机器人智能抛光系统的研究.高技术通讯,2001(9):15 194 Ge Dongfang,T akeuchi Yoshimi.Dexterous Polis-hing of Overhanging Sculptured Surfaces with a 6-axis Control Robot.IEEE International Conferenceon Robotics and Automation,T okyo University,Ja-pan,19955 Wang Y T,Jan Y J.Path Planning for Robot-as-sisted Grinding Processes.IEEE International Con-ference on Robotics and automation,T amkang Un-iversity,Taiwan,China,2001(编辑 苏卫国)作者间介:张海鸥,男,1955 年生。华中科技大学材料科学与工程学院教授、博士研究生导师。研究方向为快速成形与模具制造、新材料成形技术。发表论文 100 余篇。胡永凉,男,1981 年生。华中科技大学材料科学与工程学院硕士研究生。王桂兰,女,1962 年生。华中科技大学材料科学与工程学院教授、博士研究生导师。任 俊,男,1980 年生。华中科技大学材料科学与工程学院硕士研究生。#1518#中国机械工程第 16卷第 17 期 2005 年 9 月上半月