基于離線編程的機器人曲軸去毛刺系統

齊立哲，湯 青，楊書評，劉 穎

（1.廊坊智通機器人系統有限公司，廊坊 065001；2.北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

曲軸是發動機上的一個重要的機件，它的旋轉是發動機的動力源，也是整個機械系統的源動力。曲軸有兩個重要部位：主軸頸和連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與汽缸活塞連接。經過機械加工，在曲軸主軸頸和連桿頸上的油孔端部及輸出軸上的鍵槽等部位上會殘留一些毛刺。這些毛刺雖然很小，但如不清理會直接影響到發動機的使用壽命及性能。

針對曲軸上毛刺的清理，很多人對相關工藝及設備進行了研究。周德生提出先倒角后采用自制拋光頭進行光整的去毛刺工藝，人工實現曲軸去毛刺過程[1]；周長華在分析影響油孔清潔度的因素及形成原因的基礎上，分別介紹了電解去毛刺法、高壓清洗法及油孔刷方法并分析了其優劣[2]；楊鐵男等人采用電解法去毛刺的工藝，設計制造了電解去毛刺機床，較理想地解決了深孔相交部位的去毛刺問題[3]；不管采用什么工藝，都需要去實現，目前實現過程主要采用人工為主。但人工去毛刺不僅效率低下，更重要的是去毛刺過程由于環境污染及勞動強度很大，對人體健康有很大的傷害。因此自動化去毛刺是此領域的發展趨勢，特別是由于機器人柔性好、價格適中，越來越受到商家的青睞。尹群等人介紹了一種采用ASEA IRB6在Saab公司實現了自動化去毛刺過程[4]；李慶友介紹了一種曲軸油孔的柔性自動加工線[5]。

本文介紹了一種基于離線編程的用于曲軸去毛刺的機器人系統，基于曲軸的CAD模型離線生成了機器人去毛刺程序，采用輔助支架實現了系統中工件坐標系的標定，采用變形的三點法實現了系統中工具坐標系的標定。經過系統標定，使離線編制的程序有效應用到了實際的機器人系統中；采用離線編程的方式生成機器人曲軸去毛刺程序，大大提高了編程效率。

1 機器人曲軸去毛刺的系統介紹

圖1 系統組成

如圖1所示，機器人曲軸去毛刺系統主要包括上料臺、下料臺、卡具、工業機器人及去毛刺工具等。安裝在機器人上的卡具首先從上料臺上抓取曲軸，然后運動到去毛刺工具工位實現去毛刺過程，最后機器人將去完毛刺的曲軸放到下料臺上；而機器人去毛刺的程序是通過離線編程實現的。

2 機器人去毛刺系統離線編程

2.1 去毛刺工藝過程分析

一般曲軸有三個部位需要去毛刺，油孔口、油孔交叉處及鍵槽部位。如圖2所示的某種類型的曲軸有1個鍵槽、8個油孔口及4個多孔交叉處需要去毛刺，其中鍵槽可用高速旋轉的特制鋼刷來實現去毛刺過程，油孔口及多孔交叉處可用旋轉鉸刀來實現去毛刺過程。

圖2 曲軸結構

2.2 離線編程過程

機器人去毛刺作業運動過程可以看成是機器人工具坐標系逐步逼近作業坐標系的過程，而作業坐標系是根據作業任務而規劃出的在工件坐標系下的一系列坐標系[6]。因此機器人曲軸去毛刺系統離線編程過程主要就是根據工藝要求及CAD模型，規劃出一系列的作業坐標系的過程。具體過程如下：

1）選定合適的工件坐標系：為了便于計算作業坐標系及實現工件坐標系的標定，需要在CAD模型上確定合適的離線編程相對的工件坐標系，根據曲軸特點，選定的工件坐標系如圖3所示，其中：

（1）原點：在曲軸大端面圓心處。

（2）X軸：沿曲軸的主軸頸中心線方向并從大端面朝外。

（3）Y軸：垂直于曲軸連桿頸中心線及X軸確定的平面并朝里。

（4）Z軸：通過右手法則確定。

圖3 工件坐標系定義圖

2）根據工藝要求計算各作業坐標系：確定了工件坐標系便可以根據工藝要求通過CAD模型計算出各個作業坐標系。其中各類作業坐標系定義如下：

（1）原點：鍵槽或者各油孔中心所在點。

（2）Z軸：沿油孔中心線方向朝外（油孔）或者沿工件坐標系Z軸（鍵槽）。

（3）Y軸：與工件坐標系Y軸同向或者反向。

（4）X軸：根據右手法則確定。

圖4 各類作業坐標系定義圖

根據上述定義并結合曲軸的三維結構尺寸便可以規劃出一系列的作業坐標系，即實現了機器人曲軸去毛刺過程的離線編程。

3 系統中坐標系的標定

雖然經過離線編程過程獲得了機器人的加工路徑，但為了將離線規劃的路徑應用到實際機器人系統，還需要確定工件及工具坐標系，以便形成機器人的運動回路，即：

其中：WobjTWork為規劃出的作業坐標系，Tool0TWobj和BaseTTool為待標定的工件和工具坐標系。

3.1 工件坐標系標定

由式（1）可知，工件坐標系的標定，即確定當曲軸被機器人抓取后，工件坐標系與機器人法蘭盤坐標系的轉換矩陣，具體過程如下：

1）首先在機器人末端法蘭盤上固定一尖點。

2）通過工業機器人自有的三點法標定出這一尖點的位置。

3）將曲軸放置到一輔助支架上，使其工件坐標系方向與支架上可直接標定的支架坐標系一致，如圖5所示。

圖5 標定支架與曲軸

4）通過機器人自身標定算法通過標定支架坐標系確定曲軸工件坐標系在機器人基坐標系下的轉換矩陣BaseTWobj。

5）將機器人運動到手臂上的卡具剛好抓取到曲軸的位置，記下法蘭盤坐標系的轉換矩陣

6）通過前面的兩個轉換矩陣便可以標定出工件坐標系，即：

3.2 工具坐標系的標定

去毛刺鉸刀和鋼刷等工具坐標系可用下圖描述，主要有刀桿和刀頭組成，其標定過程如下：

1）首先在機器人末端法蘭盤上固定一尖點。

2）通過工業機器人自有的三點法標定出這一尖點的位置。

3）通過尖點可以測量出工具坐標系原點的位置

圖6 工具坐標系定義

4）通過尖點可以測量出刀桿上各個點的坐標，然后通過圓柱擬合便可獲得Z軸方向向量。

5）定義Y軸朝下。

6）通過矢量叉乘便可獲得X軸的方向向量，從而最終標定出工具坐標系。

4 結論

本文定義了機器人曲軸去毛刺系統中的工件坐標系、工具坐標系及作業坐標系；根據工藝要求及CAD模型離線規劃了機器人去毛刺路徑；采用輔助支架及變形得三點法實現了各個坐標系的標定并最終實現了機器人實際去毛刺過程。

[1] 周德生.曲軸油孔口邊毛刺的光整加工[J].汽車技術,1993(1):29-30.

[2] 周長華.一種解決曲軸油道孔清潔問題的工藝設計[J].柴油機設計與制造,2010,2(16):44-47.

[3] 楊鐵男,范衛真.電解去毛刺技術在曲軸深孔上的應用[J].機械制造,1996,(3):14-16.

[4] 尹群,岳池.曲軸毛刺的自動化清理裝備[J].汽車工藝,1986,(3):40-41.

[5] 李慶友.曲軸油孔的柔性自動加工線[J].國外汽車,1991(4):63-64.

[6] 齊立哲,甘中學,員超,湯青,孫云權.機器人砂帶磨削系統作業精度分析與誤差補償[J].機器人,2010,32(6):787-791.