基于機械手的復雜鍛件毛坯自適應裝夾技術的研究與應用

屈新河，李建偉，郭躍東，余維

(1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院, 北京 100191；2.昌河飛機工業(集團)有限責任公司,江西景德鎮 333000；3.陸裝駐景德鎮地區航空軍代室，江西景德鎮 333000)

0 前言

模鍛件優異的綜合性能備受船舶、汽車、航天、航天等領域青睞，廣泛應用在易受沖擊、變載、疲勞性能要求高的重要場合，它直接關系到產品的整體性能，如：汽車傳動軸、直升機的槳轂零件、坦克的炮筒、飛機的起落架等。模鍛件的共性是：成型后的毛坯與最終產品結構基本接近，且一致性較差。對后續機械加工造成一定的困難，按理論狀態加工，頻繁出現加工部位余量不足、非加工表面到加工表面尺寸不符、加工后零件質量不符等問題，導致產品加工合格率不足10%。因此，為解決復雜鍛件毛坯難以上數控加工這一共性難題，目前主要有2種工藝：一種是手工劃線+普通設備；另一種是數字成型+五軸設備，以上2種工藝都存在不足。前者存在效率低，誤差大，質量風險高，且對技能要求高，無法適應大批量生產；后者加工時必須要通過五軸設備擺軸來適應毛坯裝夾后的姿態，成本投入較大(一臺中型五軸設備400萬以上)，且只是適用銑削加工。針對上述問題，提出一種復雜鍛件毛坯自適應裝夾技術，彌補上述2種工藝的不足。

1 總體思路

利用機械手抓住毛坯，通過掃描或拍照等方式對當前毛坯進行輪廓感知，形成毛坯外形實際數模[1]，并使之與毛坯理論數模進行最佳匹配，從而得出當前毛坯沿工件坐標系所需的調整量，實現毛坯自適應定位。機械手沿調整好的姿態平移至澆鑄容器中，向該容器注入液態低熔點合金，直至冷卻凝固，實現自適應夾緊。最終實現基于機械手的復雜鍛件毛坯自適應裝夾技術整體突破。

上述思路中涉及到機器人應用技術、三維數字成型技術、關節臂測量技術、圖像最佳擬合技術、異構材質金屬結合力技術等，機器人應用技術主要難點是機械坐標系與工具坐標系在工件坐標系重合；三維數字成型技術較為成熟的主要有掃描、拍照等；關節臂測量技術主要用于構建測量點、測量基準面等[2]，成熟穩定；圖像最佳擬合技術主要運用成熟的圖像最佳匹配軟件(PolyWorks軟件)；異構材質金屬結合力技術主要難點是結合力是否能夠承受切削抗力。技術路線如圖1所示。

2 機械手調姿坐標系的構建

2.1 機械手初始坐標系及調姿坐標系分布

針對復雜鍛件毛坯一致性差的問題，擬通過對實際毛坯輪廓分析，余量合理分配，尋求加工時的最佳姿態。為實現以上要求，通過機械來調整鍛件毛坯使之達到加工時最佳姿態。以酷卡機械手為例，其各軸運動方式和機械坐標系(B)、工具坐標(T)兩者坐標重合，沿工具坐標系調整，可達到最佳狀態。重復定位精度約±0.06 mm，絕對定位精度不確定，依據它所在的轉動空間范圍及各運動軸的舒適度，有時可達到±3 mm。

針對半閉環機械手一次調整想得到最佳精度的需求，前提是機械手調姿范圍越小越好。此過程中，做法是讓機械手機械坐標B0和工具坐標T0通過旋轉和平移使之達到理論調整坐標W0(理論毛坯大致幾何中心)，而旋轉后，B0變成B1和工具坐標T0變成T1，即B0坐標系到W0坐標系的3個旋轉量XA1、XB1、XC1和3個移動量TX1、TY1、TZ1，T0坐標系到W0坐標系的3個旋轉量XA2、XB2、XC2和3個移動量TX2、TY2、TZ2如圖2所示。

2.2 機械手機械坐標系B0和T0的構建

利用關節臂測量出機械手T0坐標系原點(法蘭盤端面與圓柱軸線的交點)的3個位置，Q1(X21,Y21,Z21)、Q2(X22,Y22,Z22)、Q3(X23,Y23,Z23)，該值是相對關鍵臂的機械坐標系。測量點的同時，從機械手示教器中依次記錄每一個點坐標，P1(X11,Y11,Z11)、P2(X12,Y12,Z12)、P3(X13,Y13,Z13)，該值是相對機械手的機械坐標系。將后者3個點輸入到前者測量三點環境中，并作為理論點，此時，理論點與對應的測量點不重合，但是機械手的機械坐標系與關鍵臂的機械坐標系重合，而最終顯示關鍵臂的機械坐標系(機械手的機械坐標系默認不顯示),機械手的機械坐標轉換如圖3所示。此時利用軟件的最佳擬合功能，測量點和理論點進行最佳匹配(對應點重合)[3]，此時，關鍵臂的機械坐標系進行了旋轉和平移，與默認機械手的機械坐標系所在位置重合，在此環境下，關節臂所測量出來的任何位置均是相對機械手機械坐標系，以此構建機械手機械坐標系B0。

用關節臂測量機械手第六軸法蘭盤基準孔、輔助基準孔及端面，通過一面兩孔建立一個坐標系，該坐標系是機械手的工具坐標系T0。

2.3 機械手的機械坐標系B1的構建

為確定該空間位置，準備具有定位和夾緊功能的支撐平臺，具有3個相互垂直基準面的澆鑄容器。澆鑄容器固定安裝支撐平臺上，鍛件毛坯連接固定在毛坯夾持機構上，機械手夾持該機構，機械手運動帶動毛坯到達澆鑄容器上方某一固定位置。在2.2節關節臂的機械坐標系與機械手的機械坐標系重合環境下，測量澆鑄容器的3個基準面，在測量系統中構建了機械手的機械坐標系下澆鑄容器的實際位置,輸出并命名為數模A。在CAD軟件中構造一個理論澆鑄容器和毛坯數模(該數模的世界坐標系在毛坯數模的大致幾何中心，即W0)，輸出并命名為數模B。將數模A作為測量值，數模B作為理論值分別導入PolyWorks軟件檢測環境中[4]，通過公共的澆鑄盒3個基準面進行最佳擬合，系統自動輸出B0坐標系到W0坐標系的3個旋轉量XA1、XB1、XC1和3個移動量TX1、TY1、TZ1。

將上述3個旋轉量XA1、XB1、XC1和3個移動量TX1、TY1、TZ16個變量依次輸入到機械手B1坐標系的3個旋轉量C1、B1、A1和3個移動量X1、Y1、Z1中，此時的B1坐標系與W0坐標系重合，從而獲得了機械手機械坐標系B1。

2.4 機械手的工具坐標系T1的構建

在獲取機械手的工具坐標系T0的環境下，用關節臂去探測鍛件毛坯基準面，輸出并命名為數模C。將數模C作為理論值，數模B作為測量值分別導入PolyWorks軟件檢測環境中，通過公共的鍛件毛坯基準面進行最佳擬合，系統自動輸出T0坐標系到W0坐標系的3個旋轉量XA2、XB2、XC2和3個移動量TX2、TY2、TZ2,輸入到機械手工具坐標T1中3個旋轉量C2、B2、A2和3個移動量X2、Y2、Z2中，此時的T1坐標系與W0坐標系重合，從而獲得了機械手工具坐標系T1。

3 鍛件毛坯自適應夾緊

選取長方體合金鋼開展結合力工藝試驗，將毛坯放置在澆鑄容器中，容器高度為40 mm，如圖5所示，此時進行毛坯的自適應夾緊。經過與低熔點合金專業廠家溝通，選用錫鉍合金，主要成分為錫鉍鎘(不含鉛，以確保操作過程中對人體無害)，其化學成分如表1所示。

表1 低溫熔點合金化學成分

該合金的熔點在120 ℃，熔化后向澆鑄容器中注入液態，自然冷卻15 min，用自來水澆洗5 min，進行結合力試驗，具體如圖4所示。

加工參數：轉速800 r/min，切深1.5 mm，切寬20 mm，速度600 mm/min，刀具為直徑20 mm的強力銑刀，設備為DMG160P,機械主軸，虎鉗夾持。

(1)澆鑄深度為40 mm時，切削平穩，表面質量較好，切削聲音正常；

(2)澆鑄深度為30 mm時，切削平穩，表面質量較好，切削聲音正常；

(3)澆鑄深度為25 mm時，切削有輕微振動，表面質量一般，切削有噪聲；

(4)澆鑄深度為20 mm時，切削出現振動，零件松動，停止切削。

4 應用驗證

4.1 環境構建

選用支撐機械手1臺、抓取機械手1臺、輪廓成型儀器1臺，毛坯夾持機構1個、球形接頭鍛件毛坯1個、支撐平臺1個、澆鑄容器1個、計算機1臺、PolyWorks軟件1套，關節臂1臺。其硬件裝配關系(如圖5所示)：輪廓成型儀器安裝在支撐機械手上、鍛件毛坯安裝在毛坯夾持機構上、毛坯夾持機構安裝在抓取機械手上、澆鑄容器安放在支撐平臺上、支撐/抓取機械手和支撐平臺均固定在支撐平面上；軟件安裝：PolyWorks軟件安裝計算機上[5]；功能要求：計算機能夠控制2臺機械手和輪廓成型儀器。

4.2 鍛件毛坯自適應定位及夾緊

根據第2節，利用關節臂來構建球形接頭零件的調姿坐標系[6]，即機械手的T1和B1,利用拍照式輪廓成型儀器對毛坯和澆鑄容器基準面進行感知，獲得實際數模，并與理論毛坯狀態進行最佳擬合，計算出相對調姿坐標系的移動量和旋轉量，傳遞給機械手實施自動調姿[7]。為驗證調整的準確性，連續開展5次裝夾試驗，一次裝夾，毛坯輪廓一次成型后最佳擬合，機械手首次調姿，毛坯輪廓二次成型后最佳擬合,機械手二次調姿，并記錄每次調整后的移動量和旋轉量，如表2所示。

表2 調姿記錄 單位：mm

調姿結束后，將毛坯放置在澆鑄容器中，澆鑄深度30 mm，自然冷卻15 min，后用水冷卻5 min。借助千分表和拉力計(最大490 N)觀察幾個不同方向示數的變化。結果顯示：沿多個方向施加拉力490 N，未見松動。用17.8 N力值的榔頭沿不同方向錘擊澆鑄實體，初步觀察是否有松動。結果顯示：沿任意方向敲擊20次以上，按第3節參數進行切削，效果理想，如圖6所示，最終切削效果如圖7所示。

5 結束語

文中針對模鍛件毛坯一致性差、傳統劃線+普通設備和三維掃描+五軸設備加工基準存在的不足問題，利用現有的關節臂測量技術、機械手應用技術、數字成型技術等，構建一套鍛件毛坯掃描、最佳擬合、調姿的自動化執行單元，并選擇某直升機發動機支架關鍵零件作為應用驗證對象，按照文中研究工藝流程，能夠加工出符合要求的產品，替代過去用五軸調姿或在普遍設備人工調整的方法，效率、質量及成本得到顯著改善，且能夠滿足大批量生產需求，具有很強的工程應用價值，能夠推廣到其他行業關鍵鍛件的高效加工。