大型螺旋槳雙機器人自動磨削系統的研究

劉曉飛，張 堃，王志剛，郭曉艷

（中山火炬職業技術學院，廣東中山 528437）

0 引言

對于大型螺旋槳鑄造毛坯件，在人工去除較大的澆冒口后，在工件邊緣、分模線、孔型或窗口結構處還會殘留有大量的毛刺、批鋒，一般還要經過人工打磨清理后才能進行后續工藝處理。人工打磨會產生嚴重的粉塵污染和噪聲污染，對操作工人身體健康有較大影響。而且由于大型鑄造毛坯件一般外形尺寸偏差較大，鑄造殘余較多，毛刺批鋒的位置、尺寸情況復雜，運用一般自動化技術難以處理。

為解決以上問題，研發了大型船用螺旋槳機器人磨削系統。該設備是一種大型螺旋槳鑄造毛坯件機器人自動清理設備。本文針對大、中型復雜曲面銑削加工及研磨拋光研發的智能磨削機器人系統，系統配備工業機器人、力/位混合控制裝置、視覺裝置、離線軌跡規劃系統和雙面研磨拋光技術，沿行走滑臺移動，攜帶具備自動換刀功能的電主軸配合回轉主軸箱變位功能對槳葉曲面進行銑削加工及研磨拋光。成功地解決手工打磨加工一致性和精度差等問題，改善工人的操作環境及提高生產效率。

1 系統結構

該設備由工業機器人、PLC控制系統、自動上下料滑臺、大功率電主軸、3D視覺系統、專用磨具、自動刀具庫、排屑機、除塵器、外防護板房等部分組成，如圖1所示。工作時，由上下料滑臺將放置好的待處理鑄造毛坯件送入封閉的防護板房內，機器人帶動3D視覺系統對毛坯件進行掃描，辨識記錄毛坯件毛刺批鋒的位置、尺寸信息，并根據所得信息自動生成機器人打磨路徑，然后機器人帶動電主軸按照程序自動生成的路徑，選用不同的專用磨具，完成鑄造毛坯件的打磨清理工作。該套設備自動化程度高，適應性強，只需簡單調整即可適應相似類型不同型號的螺旋槳毛坯件。整個毛坯件的打磨清理工作都在封閉防護板房內完成，可有效隔離噪聲，打磨過程中產生的碎屑和粉塵通過排屑機、除塵器等設備進行過濾回收再利用，可以顯著提高工廠自動化程度、改善工廠環境，降低工人勞動強度，節約企業生產成本。

圖1 系統示意圖

2 關鍵性技術

2.1 機器人視覺系統

三維激光掃描儀工作過程中，使用非接觸的三維激光測量設備獲取螺旋槳曲面上點的三坐標值。掃描儀對螺旋槳的表面完成掃描測量，得到的大量表面點的三維數據是進行三維建模的主要依據。獲取數據后需要進行預處理，對離散數據進行預處理包括對原始數據的評估和數據濾波。處理測量不到位、不準確和重復的問題，數據濾波可以去掉測量中存在的瑕疵，取得優化后的測量數據[1]。然后進行點云分割，是對預處理的數據按照交互方式、自動方式和人工介入的方式，同時依據曲面形體特征，截取數據型面，為曲面重構做準備。特征型面的截取方向和密度根據曲面類型和精度要求而定。最后曲面重構，得到重構物體表面的一個簡潔和精確的近似。通過圖像處理系統即可快速完成三維點云數據噪聲處理、特征檢測、數據簡化、參數化和曲面重建等工作[1]，如圖2所示。

圖2 三維激光維掃描儀系統

系統由高分辨率工業攝像頭、高精度激光測距儀和圖像處理器組成，可為機器人提供目標信息并對目標進行非接觸式測量。利用視覺計算出進給信息并進行末端糾偏找正，工件無需精確定位。采用高精度三激光維掃描儀與機器人結合技術。機器人攜帶三維激光掃描儀（圖3），可以對船用螺旋槳曲面進行快速掃描，從而取得螺旋槳表面的云點，根據弦長離散法處理三維信息缺失，完成掃描缺失區域的包容計算，通過重新規劃掃描路徑，機器人加激光三維掃描儀的方式，可以提高掃描效率與質量[2]。利用機器人運動的平穩性和可操作性，完成被測曲面的有效掃描工作，使用機器人結合三維激光維掃描儀能快速準確的取得三維點云坐標值，螺旋槳實物的圖形圖像數據經過系統處理，可以快速得到螺旋槳的三維模型圖。同時因機器人加載三維掃描儀的運動平穩，減少了掃描過程中產生的沖擊和震動等問題，位置定位精準，提高了三維激光掃描的精度。

圖3 激光掃描儀

2.2 離線軌跡規劃系統

用激光測量作為視覺自動識別確定工件的精確位置和公差，利用視覺軟件、三維模型重構技術、高級算法實現智能生成機器人所要加工的程序，對每個工件在加工之前用激光測定工件的模型、尺寸、公差等實際情況進行實時計算，在線實現動態自適應修正加工的各種坐標、參數引導機器人進行加工。改系統在平面和空間打磨、拋光領域中是尖端、先進的應用系統。

具體過程是通過使用三維激光維掃描儀取得的三維點云坐標，得到螺旋槳葉片面的云點數據；把經過處理得到的數據保存為igs格式文件，利用UG三維軟件繪制螺旋槳的三維模型。在機器人磨削加工的過程中，采用離線編程，軌跡規劃是根據磨削工作的實際需要，得出機器人的運動路徑。由于離線編程的軌跡點精確，而且編程速度快，規劃時間短，能夠完成復雜軌跡的編程，這里采取離線編程的方式完成，離線編程方式是首先規劃好機器人的加工路徑，通過掃描螺旋槳取得的數據導入UG后取得三維模型，通過軟件分析處理加工數據，得到刀位信息文件，讀取該文件后進行優化處理，得到機器人路徑文件，完成螺旋槳需要的加工軌跡規劃，提高了設備使用率，顯著提供了工作質量和工作效率[3]，具體規劃過程如圖4所示。

圖4 機器人加工路徑規劃

2.3 雙機器人加工系統

大型螺旋槳葉片是復雜的自由曲面零件（圖5），其磨削加工較為復雜。根據GB12916-2010國家標準和ISO484-1、ISO12916-2010國際標準，螺旋槳加工的精度等級可分為1、2、3、S四個等級，加工精度中的S級螺旋槳精度標準最高，界面厚度誤差0.5 mm，局部螺距誤差±1.5%，界面螺距誤差±1.0%，槳葉夾角誤差0.25°[4]。由于螺旋槳的性能指標直接影響了船舶運行過程中的穩定性、承載性、動能性、聲噪性等問題，所以對精度的要求顯得尤為重要。

針對螺旋槳葉片型面結構復雜、表面精整加工后尺寸精度難以把控的特點，創新性地提出了運用雙機器人磨削系統對螺旋槳表面進行打磨，提高了加工工作的靈活性、適應性。系統配備2套工業專用銑削機器人，對稱布置在曲面零件兩側，實現雙面同時加工及研磨拋光等功能，適應區域廣泛，效率更高，如圖6所示。

圖5 大型螺旋槳

圖6 雙機器人加工

2.4 機器人滑臺系統

機器人滑臺采用鑄件床身、高精線軌、伺服及全閉環控制系統，滿足機器人直線運動高精定位及重復定位精度，如圖7所示。通過PLC的高性能、高靈活性、高適應性等特點，實現機器人滑臺的左右滑動。進而確保機器人運動中的平穩性和精確性。通過三相異步電動機轉動轉換成滾珠絲杠的水平運動，完成機器人沿導軌的前進與后退移動，閉環伺服系統的優點是精度高、速度快[5]。

圖7 機器人滑臺

2.5 回轉變位機構

回轉變位機構參考臥式車床結構，獨特的結構設計，實現零件裝卡、定位、旋轉定位、承重等功能；如圖8和圖9所示，回轉變位機構參考臥式車床結構，主軸控制箱控制中心軸的旋轉，使螺旋槳按照設計的要求轉動一定的角度，這樣被磨削葉片可以達到工作指定位置，支撐架安裝在導軌上，通過絲杠，可以向左向右運動，推動卡盤，對螺旋槳進行夾緊與固定。卡盤對螺旋槳起到抓夾與固定的作用，類似車床機頭卡盤，根據螺旋槳漿榖的直徑進行調節。適合多種漿榖直徑的要求。

圖8 回轉變位機構實物圖

圖9 回轉變位機構示意圖

2.6 自動換刀裝置

機器人末端工具配備了力/位混合控制裝置、視覺裝置、工具快換裝置、自動換刀裝置。帶有刀庫和刀具交換裝置的自動換刀系統，是加工的重要組成部分。自動換刀系統是整機的重要關鍵部，配置工具快換裝置、自動換刀裝置能大大縮短螺旋槳的磨削時間。自動換刀裝置一般由3個部分組成，分別是刀庫、控制裝置，通過換刀機器人對新舊刀具進行交換。機器人能自動完成對刀具的裝卸工作[6]。自動換刀裝置減少了裝夾時間、減少工件周轉、搬運和存放時間。砂輪的自動更換技術可以使磨削加工具有高效性、高精度性、高復合性等特點。系統所具有磨削工具的自動交換或自動選擇的機能，選取了使用自動換刀刀柄形式的更換砂輪技術，設備設計包括手爪立臥轉換機構、伸縮機構、旋轉機構、升降機構以及其導向裝置等配套系統等，如圖10所示。

圖10 自動換刀裝置

3 結束語

工業機器人與智能制造是當下的先進生產力，是經濟持續發展的發動機。鑄造行業是我國的基礎工業，近年來產量規模不斷增大，但是在鑄件清理方面，我國的大型鑄件打磨清理領域完全采用人工作業方式。在大型鑄件打磨清理領域“機器換人”迫在眉睫。本文針對大、中型復雜曲面加工及研磨拋光研發的智能磨削機器人系統，成功地解決手工打磨加工一致性和精度差等問題，改善工人的操作環境及提高生產效率；6軸工業機器人配備力/位混合控制裝置、視覺裝置、離線軌跡規劃系統和雙面研磨拋光技術，沿行走滑臺移動，攜帶具備自動換刀功能的電主軸配合回轉主軸箱變位功能對槳葉曲面進行加工。加工后產品完全滿足大型復雜曲面的自動化打磨要求。