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基（jī）於機器人的鍛鑄件基準（zhǔn）製備係統

2017-4-13 來源：北京航空航天大（dà）學作者（zhě）：何小磊，屈新河，彭偉傑

_{摘要：針對（duì）無基準（zhǔn）鍛鑄件毛坯（pī）的數控加工化（huà）率低和廢品（pǐn）率高的（de）問題，提出了一種以毛坯的數字（zì）化模型與（yǔ）CAD模（mó）型（xíng）的配準技術、機（jī）器人調姿技術以及低熔點合金（jīn）澆鑄（zhù）工（gōng）藝的基準製備（bèi）方法。在分析了毛坯（pī）件的結構特點（diǎn）及（jí）傳統加工（gōng）工藝要求的基礎上，建立了以點雲數據向理論模型進行配準對（duì）齊得到旋轉量和（hé）移動量，機器人根據（jù）該旋（xuán）轉量和移動量（liàng）對毛坯件進行調姿，從而使毛坯件處於理（lǐ）論的加工位置，利用低熔（róng）點合（hé）金將毛坯件和澆鑄（zhù）盒固定成（chéng）一個整體，形成以澆鑄盒為毛坯件的加工基準。最後通過實（shí）驗（yàn）論證了此方法的可行性，實現了無基準鍛（duàn）鑄件毛坯（pī）的基（jī）準自（zì）動化製（zhì）備。}

_{關鍵詞：基準製備；配準（zhǔn）對齊；機器人；調姿；低熔點合（hé）金}

_{0.引言（yán）}

_{在傳統的機械生（shēng）產中，通過（guò）對毛坯件整體或者局部的加工得出所需要的成品件，若按照傳統（tǒng）的工藝進行加工定位，則會存在加工時（shí）間長、可靠性差、鍛鑄件毛坯的數控（kòng）化率低等問題。對（duì）一些無基（jī）準的毛（máo）坯件由於缺乏加工基準，則更難對零件進行加工；若毛坯（pī）件的加工基準不準，則會導致餘量加（jiā）工不均勻甚至不足（zú）或超差等問題，嚴重影響（xiǎng）零件的加（jiā）工誤差；隨著鍛鑄件毛坯數量的增加，傳統手工劃線方式越來越不（bú）能滿足實際（jì）生產加工的要求。因此需要利用數控（kòng）加工方式代替傳統手工劃線的方（fāng）式，保證毛坯件的加工部分留有餘（yú）量而非加工（gōng）麵能夠（gòu）保證餘量均勻。因此，如（rú）何保證毛坯件的精確（què）定（dìng）位是無基準毛坯件數控加工的核心問題。}

_{本文所（suǒ）提（tí）出的（de）機器人鍛鑄件基準製備技（jì）術結合了鍛鑄（zhù）件毛坯的點雲數（shù）據向理論模型進行配準對齊技術、機器人調姿技術以及利用低熔點合金澆鑄工藝，從而準確（què）得出澆鑄後毛坯（pī）件在加工坐標（biāo）係（xì）下的位置和姿（zī）態。鍛鑄件毛坯（pī）傳統的加工方式采用手工劃線（xiàn）方式（shì），各個（gè）工序之間加工基準無法統一，導致毛坯件加工的精度較差，漫長才、何世安[1]等針對加工基準統一對加工精（jīng）度的影響進行了研究。蔡澤、張樹生[2]等提出了利用三維工序的投影視圖與當前工序圖的關聯，通過分析加工基準的類型和特點，提出了加工基準的獲（huò）取方法，並且介紹了加工基準的匹配算法。董天毅[3]以輕型汽車SF130傳動箱為例驗證了定位基準（zhǔn）的選擇（zé）對加工質量的影響。針對不同的零部件基準的選（xuǎn）擇也不（bú）盡相同，向文俊[4]針對發動機缸體的基準（zhǔn）選擇進行了研究。蔣利洋[5]等提出了鍛（duàn）鑄件毛坯數（shù）控加工原點定位技術，利（lì）用點雲數據向理論模（mó）型進行配（pèi）準對齊，準確計算出（chū）點雲數據相對於理論（lùn）模型的偏差量。}

_{本文以（yǐ）某類無基準鍛鑄件的基準製備為研究對象，該類（lèi）零件（jiàn）的結構特點為沒有加工基準、部分加工麵不進行加（jiā）工但是要保證餘量均勻。利用點雲數據（jù）向（xiàng）理論模（mó）型（xíng）配準技術、機器人調姿（zī）技術（shù）以及低熔點合金澆（jiāo）鑄（zhù）工藝組成的基準製備係統，將毛坯件調姿（zī）到理論的位置處，並且使調姿後的位置能（néng）夠包圍住理論模型，從而確定毛坯在加工坐標係下的位置和姿（zī）態，以（yǐ）該加工坐標係形成理論模型的刀具軌跡文件，利用該刀具軌跡文件加（jiā）工毛坯（pī）。}

_{1.鍛（duàn）鑄件傳（chuán）統加工缺點}

_{鍛鑄件的傳統加工方（fāng）式存在（zài）以下四個方麵的問題（tí）：}

圖（tú）1 鍛鑄件基準製備總體方案（àn）

_{1）毛坯件進廠之前缺乏科學檢驗（yàn）手段，不能（néng）提前剔除餘量不足的毛坯件，導致在後續的加工中（zhōng）零件報廢，並且浪費前期加工工序所消耗的時間。}

_{2）無基準鍛鑄件缺乏定位基（jī）準，采用傳統手工劃線的方式確定（dìng）零件的加工基準，導致準備時間長、可靠性差、不確定因（yīn）素太多，使最終加工零件的廢品率高。}

_{3）傳統手工（gōng）劃線方式中間的工序繁多，加工周（zhōu）期長、數控化率底。以某類零件為例，20道加工工（gōng）序中其中隻有3道數控加工工序，並且加工周期為55天。}

_{4）鍛鑄件數量（liàng）的劇增，鍛鑄件零件越是（shì）複雜，采用手（shǒu）工劃線的（de）方式工作量也急（jí）劇增加。}

_{2.鍛鑄件基準製備（bèi）係統}

_{基（jī）於機器人的鍛鑄（zhù）件基準製備技術（shù）方法總體分為七個步驟（zhòu），其流程圖如圖1所示。}

_{圖2 毛（máo）坯和三個標準（zhǔn）球的點雲數據}

_{圖3 配準對齊}

_{2）三球（qiú）基準傳（chuán）遞：利用激（jī）光掃（sǎo）描儀獲取毛坯上（shàng）三個標準球的點雲數據（jù）以及澆鑄（zhù）盒角點的點（diǎn）雲數據並且在澆鑄盒（hé）的（de）角點上建立測量坐標係。在測量坐標係下（xià），利用三球（qiú）基準傳遞技術（shù），將機器（qì）人端（duān）三個標準（zhǔn）球（qiú）依次向（xiàng）圖3中三個標準球的（de）點雲數據對齊。}

_{圖4 配準對齊數據和測量（liàng）坐標係下三球數（shù）據}

_{圖5 三（sān）球基（jī）準傳遞}

_{4）通訊控製與機器人調姿：根據（jù）Sockets網絡編程原理，利用服務器-客戶（hù）端模式，在配（pèi）準係統中（zhōng）開發（fā）計算機與機（jī）器人之間（jiān）的通訊控製程序，利用已經開發的通訊控製程序將Te傳（chuán）輸到機器人控製櫃中，此時機器（qì）人將毛坯件放入（rù）澆鑄盒中；}

_{圖6 機器人調姿後零件在澆鑄盒中的位置和姿態}

_{5）澆入低（dī）熔點合（hé）金：機（jī）器人調姿完成之後，向澆鑄盒中澆入低熔點合金，待低熔點合金冷卻之後（hòu），形（xíng）成了以澆鑄盒為零件的加工基準。}

_{3.係統實現的關鍵（jiàn）技術}

_{3.1 毛坯點雲數據與（yǔ）CAD模（mó）型配（pèi）準對齊技術（shù）}

_{該技術的目的是實現掃描點雲與CAD模型的最（zuì）佳相對位姿，對於鍛鑄件毛坯，配準對齊的目的是追求加工餘量均勻分配，那麽最佳擬合對齊算法是個較為（wéi）理想的選擇，最佳擬合對齊首（shǒu）先計算掃描（miáo）點在曲麵模型表麵的匹配點，然後（hòu）運用ICP迭代算（suàn）法[6]，最小化匹（pǐ）配點（diǎn）對的距離偏差，以實（shí）現最（zuì）佳擬合對齊（qí）的目的。}

_{3.1.1 最佳擬合對齊具體的實施流程}

_{1）對配準的點雲數據P1進行精簡（jiǎn），減少參與配準的點（diǎn）雲數量，利用精簡後的點雲數據P形成最大（dà）包圍（wéi）盒Box1，剔除不在包圍盒中（zhōng）的點集，目的是為了提高配準的效率；2）求取曲麵模型中各張曲麵的麵積，並且根據麵積的大小進行排序，按（àn）照采（cǎi）樣的比例提取麵積較大的曲麵集F2參與配準，在保證CAD曲麵模型整體外形信息較為完整的（de）基礎上，減少參（cān）與（yǔ）配準的曲麵個（gè）數，提高了配準的效率；3）點雲P和（hé）曲麵集合F2進行ICP迭代配準算法，實現參（cān）與配準數據的最佳擬合對（duì）齊，進而輸出（chū）最終對齊的（de）變換矩陣M，最後用M對整體的掃描點雲P1進行姿態調整，實現掃描點雲與CAD曲麵模型（xíng）的最佳擬合對齊。}

_{3.1.2 ICP配準算（suàn）法原理分析}

_{原始ICP算法的（de）基本描（miáo）述是在另一個點雲Q中求取（qǔ）與點雲P的最近點（diǎn）（理（lǐ）想狀態下本應（yīng）重（chóng）合（hé）的點），計算相應點的歐式（shì）距離（lí）平方的平均值，然後通過迭代算法，最小（xiǎo）化平均值，這樣不斷更（gèng）新點雲（yún）片間的相對位置，達到點（diǎn）雲片之間配準對齊的效（xiào）果，如圖7所示。}

_{圖7 ICP配準過程示（shì）意（yì）圖}

_{本章中（zhōng）提到的掃描點雲與CAD模型最佳擬合對齊是（shì）利用奇異值分解法、四元組法找出掃描點雲與模（mó）型表麵對應點的變換矩陣，多次迭代直至目標函數滿足一定的（de）精度為（wéi）止（zhǐ）。其目標函數為：}

_{3.2 三球基（jī）準傳遞技術}

_{本文提（tí）到的三球定位基準傳遞方法基本實施的思路如下：先後兩次在不同的坐標係下（xià）獲取三個標準球的球心坐標，使三對球（qiú）心依次重合，反求出旋轉平（píng）移矩陣，並將該變換作用於毛坯掃描（miáo）點雲，使得毛坯掃描點雲從初始的坐標係下（xià）變換（huàn）到了指定的坐標係下。在初始坐標（biāo）係F0下，毛坯掃描點雲集合為Dscan，三個標準球的球心（xīn）坐標（biāo）分別為P1、P2、P3；將毛坯件固定在機器人的末端執行（háng）器上，在測量（liàng）坐標係Fm（通（tōng）常將此時的測量坐標係設置（zhì）為（wéi）加工（gōng）坐標係）下（xià）再次獲取三個標準球的球心坐標Q1、Q2、Q3，通過使P1、P2、P3與Q1、Q2、Q3分別重合，反求出旋轉矩（jǔ）陣R和平移向量T。}

_{圖8 三球基準傳遞示（shì）意圖}

_{1）以坐標係P1、P2、P3為基礎（chǔ）數據，建立以（yǐ）P1作（zuò）為坐標原點的（de）標架（jià）的三個坐標軸。以坐標點Q1、Q2、Q3為基礎（chǔ）數據，建立以Q1作為坐（zuò）標原點的標架的三個坐標軸。}

_{3.實例驗證（zhèng）}

_{針對某類鍛鑄件毛坯，利用鍛鑄件基準製備係統，結合點雲數據向理論模（mó）型的配準（zhǔn）技術、機器人調姿技術以及低熔點合金澆（jiāo）鑄工藝，確（què）定（dìng）該類鍛鑄件與澆鑄盒的相對位（wèi）置，形成以澆鑄盒的外表麵為毛坯件的加工基準，利用數控機床加工該類毛坯（pī）件。}

_{圖9 機器人調姿過程}

_{4.結（jié）論}

_{針對無基準鍛鑄件毛坯缺少加工基（jī）準問題，本文采用機器（qì）人抓取毛坯（pī）件進行調姿使（shǐ）最終調整的位置能夠均勻的包圍住原先設定理論模型的外表麵，利用（yòng）理論模型生成的刀具軌跡文（wén）件加工（gōng）調姿後的毛坯件，是本文研究的核心內容。最後（hòu）利用激光掃描儀再次獲取調姿後毛坯件的（de）點雲數據，並且與（yǔ）理論位置（zhì）進行對比得出最終的（de）位置和姿態滿足精度要求，因此通過實（shí）例驗證了本文無基準鍛鑄件基準製備加工方案的可行性。}

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