趙 旭

(南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226010)

基于機器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測技術(shù)研究

趙 旭

(南通工貿(mào)技師學(xué)院，江蘇 南通 226010)

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，為機械加工行業(yè)帶來了新的變革，比如最新的在線檢測技術(shù)。本文的研究對象是整體式葉輪的在線檢測，針對葉輪數(shù)控加工中的模型實物比對、測頭位移參數(shù)、機器人機械臂檢測路徑進行了深入的分析，闡述了在線檢測技術(shù)的具體特點及功能，對于利用在線檢測技術(shù)進行檢測時檢測路徑中存在的問題進行了調(diào)整，希望能將在線檢測技術(shù)更好地應(yīng)用于葉輪數(shù)控加工過程中。

葉輪數(shù)控加工；在線檢測技術(shù)；機器人

機械加工制造技術(shù)涉及多個領(lǐng)域，對工業(yè)生產(chǎn)起著非常大的促進作用。制造技術(shù)中很重要的一項內(nèi)容就是在線檢測技術(shù)，其嚴重影響著逆向工程、工業(yè)檢測等領(lǐng)域的發(fā)展。在機械加工制造過程中，對檢測技術(shù)的要求不斷提高，傳統(tǒng)的線下檢測技術(shù)已經(jīng)不能跟上機械加工自動化的發(fā)展步伐，同時線下檢測技術(shù)對于產(chǎn)品的各種機械性能的評估不準確，并且存在著返工修改的問題。在線檢測技術(shù)涉及測量、通信、計算機各個方面，通過在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品進行檢測，將檢測數(shù)據(jù)傳輸給計算機進行分析，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中存在的問題，制定改善方案，能極大推進整個加工流程的效率，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益。

1 葉輪數(shù)控加工在線檢測技術(shù)研究的背景

1.1 葉輪概述

葉輪由葉片與輪盤組成。葉輪的設(shè)計結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其曲率變化較大，在航空、航海、冶金、造紙、化工各個領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，如輪船的水泵、飛機的螺旋槳、各種泵類。在進行葉輪的設(shè)計時，首先依照機械設(shè)計基本原則，根據(jù)其具體的應(yīng)用選擇合適的材料，保證其加工精度符合要求，防止因為加工精度不夠在電機帶動旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的離心力對軸以及軸承造成損害，從而導(dǎo)致的一些機器卡死、密封問題。再根據(jù)其具體的應(yīng)用領(lǐng)域，選擇合適的設(shè)計理念，比如在飛機上參照空氣動力學(xué)進行設(shè)計，在輪船、石油化工方面參照流體力學(xué)進行設(shè)計。

葉輪在具體的設(shè)計時，可以分為兩種：第一種是葉片與輪盤整體設(shè)計，這種設(shè)計通常應(yīng)用于葉片不易磨損或者出現(xiàn)磨損必須換葉輪的設(shè)備，如泵類，先制作出粗坯，再經(jīng)過數(shù)控加工車床進行精加工完成。第二種是葉片與輪盤單獨加工，再通過焊接或者螺桿組合在一起，這種葉輪往往應(yīng)用于容易磨損的設(shè)備，如輪船的水泵，長期受到海水腐蝕，葉片容易磨損，可以拆卸單獨葉片進行更換打磨。如下圖，屬于整體式葉輪。

整體式葉輪在進行數(shù)控加工時，由于葉片之間的相對空間比較小，在設(shè)置自動檢測路徑時難度比較大，極易發(fā)生碰撞等情況造成安全隱患。目前國內(nèi)外廠家大都采用CAD等制圖軟件進行設(shè)計。

圖1 整體式葉輪Fig.1 Integral impeller

1.2 在線檢測技術(shù)

隨著加工要求不斷增高，傳統(tǒng)的檢測手段利用卡尺等測量工具進行檢測，或者利用一些檢測設(shè)備如三坐標測量機進行檢測，檢測效率十分低下。在線檢測技術(shù)則是通過編寫程序操作測頭完成對葉輪的檢測，不僅有非常高的檢測精度，還能極大提高檢測速度，在葉輪的生產(chǎn)過程中有著非常重要的作用。

基于機器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測技術(shù)，通過控制機械臂來控制測頭完成相應(yīng)的測量工作，測頭從產(chǎn)品表面或者坐標信息，通過通信技術(shù)反饋給計算機，計算機對收集到的數(shù)據(jù)進行分析校核，及時調(diào)整加工方案，減少加工誤差的產(chǎn)生，使得制造出來的產(chǎn)品具有更高的精度。應(yīng)用在線檢測技術(shù)對葉輪的數(shù)控加工進行檢測，不僅可以有效解決傳統(tǒng)檢測技術(shù)需要把產(chǎn)品拆下來再裝上去的問題，降低加工時間，還可以降低購買檢測設(shè)備的花費，減少檢測成本，同時能有效避免因為反復(fù)安裝加工導(dǎo)致的加工誤差，極大的提高了加工精度。

但是目前的在線檢測技術(shù)還存在著一些不足，首先是性能方面，過于復(fù)雜的葉輪由于可操作空間過小以及葉輪角度等問題，很難利用測頭去進行檢測。另外，就是這套檢測設(shè)備的本身具有一定的成本，很多中小企業(yè)沒有足夠的資金去進行配備，導(dǎo)致在線檢測技術(shù)的應(yīng)用還不是十分廣泛。

測頭可以根據(jù)接觸方式分為接觸式以及非接觸式，接觸式又可以根據(jù)使用性能分為連續(xù)式以及觸發(fā)式，接觸式測頭的價格相對來說比較低，檢測的精度高，更受生產(chǎn)廠家青睞。非接觸式根據(jù)其性能可以分為主動式和被動式，非接觸式測頭具有檢測速度快的特點，但是其檢測精度沒有接觸式探頭的精度高，很少應(yīng)用于加工精度高的葉輪加工中，而且由于葉輪的曲面變化比較大，很難得到一些覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)，無法全面的對葉輪進行檢測。

2 檢測技術(shù)的結(jié)構(gòu)功能

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

以Renishaw接觸式測頭為例，進行在線檢測技術(shù)的分析。整個檢測系統(tǒng)主要是由計算機終端、空氣壓縮機、測頭以及機械臂所構(gòu)成的一種閉環(huán)檢測系統(tǒng)。利用計算機控制機械臂進而改變檢測測頭的運動軌跡來完成整個加工過程的在線檢測，測頭在與葉輪接觸的瞬間，將三維坐標點反饋給計算機，可以任意測量測頭所能達到的方位。在計算機中建立一個三維坐標體系，利用測頭測量各個點的空間位置分布，將這些點的坐標數(shù)據(jù)反饋到計算機的三維坐標體系中，逐漸形成一個有數(shù)據(jù)構(gòu)建的葉輪模型，再將該模型與CAD制作出來的實物模型進行比對分析，可以分析出葉輪在加工過程中的加工余量以及誤差，及時對產(chǎn)品進行調(diào)整加工，提高最終產(chǎn)品的合格率。硬件關(guān)系圖如下：

圖2 硬件關(guān)系圖Fig.2 Hardware relation schema

A.計算機終端。計算機終端是整個控制系統(tǒng)的核心，利用計算機對相應(yīng)的軟件進行操作,進而控制機械臂完成一系列的動作。同時可以對測頭檢測的數(shù)據(jù)進行分析，及時了解產(chǎn)品加工過程中的問題。

B.空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機可以完美的實現(xiàn)主軸上面刀具以及測頭的自動轉(zhuǎn)換功能，滿足不同的加工測量需求。

C.Renishaw接觸式測頭。測頭不僅能影響到整個測量的精度，還決定了測量系統(tǒng)的效率以及功能。測頭的選擇一定要符合加工的實際需求，按照相應(yīng)的測量程序進行坐標點數(shù)據(jù)的測量以及數(shù)據(jù)采集工作。

D．機械臂?；跈C器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測，對于機械臂的要求也比較高。本文選擇的是六自由度機械臂，機械臂的運動空間以及控制精度直接影響到側(cè)頭的檢測精度，六自由度機械臂運動空間大，能實現(xiàn)多角度、多方位運行，能極大提高檢測的效率。同時六自由度機械臂還配備手持控制器，可以更好地滿足不同的測量需求。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

計算機終端上軟件的設(shè)計對于執(zhí)行在線檢測技術(shù)有著非常重要的作用，是整個檢測技術(shù)的核心。通過對系統(tǒng)軟件的操作，可以完成各種數(shù)據(jù)的分析，還可以命令各種硬件執(zhí)行相應(yīng)的操作。下圖是系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖：

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Systdm software diagram

2.3 功能特點

第一，測量精度高。任何測量工作的最終目的就是保證測量精度的前提下得到準確的測量結(jié)果。利用Renishaw接觸式測頭可以有效地保證整個測量過程中的精度滿足測量要求。同時不需要拆卸，可以有效防止反復(fù)拆卸測量時出現(xiàn)的誤差情況。

第二，測量范圍大。六自由度機械臂，顧名思義該機械臂具有六個自由度，可以沿著X軸、Y軸、Z軸進行平移以及繞著X軸、Y軸、Z軸進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)360°無死角檢測，極大提高了在線檢測的檢測空間。

第三，測量模式多樣化。既可以用于模擬測量，也能用于實際測量。一般在測量前需要對測頭球心位置進行標定，需要用到模擬測量模式，在對產(chǎn)品進行實際檢測時，則可以選擇遠程操控模式，完成檢測內(nèi)容。

第四，測量結(jié)果直觀、簡單。在進行模擬測量時，利用CAD模型選擇要檢測的坐標點，利用測量的數(shù)據(jù)再建立起一個實物模型，與CAD模型進行對比分析，能夠直觀的看出加工余量以及加工誤差。

第五，具有較高的測量效率。在線檢測技術(shù)可以隨時快速的完成對產(chǎn)品的測量，有效提高整個產(chǎn)品的生產(chǎn)速度。同時不用拆卸測量，極大地節(jié)省安裝拆卸時間。

第六，安全性高。機械臂在運動時，當探頭接觸到被測產(chǎn)品，會自動發(fā)出信號，這時機械臂會自動停止運動，從而保護測頭。又因為利用空氣壓縮機，利用氣缸作用實現(xiàn)刀具探頭的轉(zhuǎn)化，可以有效避免更換刀具給操作人員帶來的風(fēng)險。

3 在線檢測系統(tǒng)優(yōu)化

為保證在線檢測技術(shù)更好地滿足生產(chǎn)需求，需要對在線檢測技術(shù)進行優(yōu)化，對機械臂路徑的優(yōu)化是其中最重要的內(nèi)容，不僅可以提高測量的精度，還能避免在測量過程中發(fā)生碰撞，提高檢測效率。對路徑優(yōu)化可以從三方面進行，首先是位置參數(shù)，機械臂控制測頭的移動并不是直接移動到被測點，而是先移動到原始點與被測點的中點某一個定位點，再通過調(diào)整移動到被測點，在探頭從起始點移動到定位點后，確定好詳細的移動路徑，再移動到待測點，在接近待測點時一定要提前設(shè)置好一個減速點，避免探頭移動過快，在慣性的作用下直接碰撞在產(chǎn)品上，對探頭造成損壞。其次是距離參數(shù)，要先設(shè)定好預(yù)接觸距離，與待測點保持在安全的距離范圍內(nèi)，在完成檢測后，先將測頭后退一定的距離，再執(zhí)行下一個檢測任務(wù)。最后是速度參數(shù)，由于測頭的運動過程分為幾個部分，所以要正確選擇機械臂在各個部分的運行速度，不僅可以提高測量效率，還能有效的保證設(shè)備的安全。當然，在線檢測技術(shù)的優(yōu)化不僅僅是在路徑方面，可以從各個角度進行分析優(yōu)化，提高檢測效率。

4 結(jié)語

基于機器人的葉輪數(shù)控加工在線檢測技術(shù)符合現(xiàn)代自動化生產(chǎn)的需求，利用先進的計算機技術(shù)極大提高檢測速度，減少人力物力資源的浪費，不僅可以更加精確的測量出產(chǎn)品的參數(shù)，還可以有效避免傳統(tǒng)檢測技術(shù)反復(fù)拆裝等問題。要將在線檢測技術(shù)廣泛的應(yīng)用于數(shù)控加工行業(yè)，還需要對在線檢測技術(shù)進行優(yōu)化，從測頭、機械臂路徑各個方面去深入研究，進而提高檢測質(zhì)量和檢測效率。

[1] 楊曉東，李海泳，郝樂芳，等. 某葉輪數(shù)控編程及在線測量加工解決方案[J].智能制造，2016，(6)：40-42.

[2] 伊水涌.工業(yè)機器人在數(shù)控多軸加工中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 修春松.整體葉輪數(shù)控精加工編程技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[4] 張鵬飛，閆利慧，張玨.管道機器人驅(qū)動與控制檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010，(26)：15-16.

Research on online detection technology of impeller CNC machining based on the robot

ZHAO Xu

(Nantong Industry and Trade Technician College, Nantong 226010, China)

With the continuous development of computer technology, it has brought new changes to mechanical processing industry, such as the latest online detection technology. The object of the study is online detection of integral impeller. The model object comparison, the probe displacement parameter and the robot arm detection path of the impeller CNC machining were analyzed, the specific characteristics and function of online detection technology were expounded, and the problem of the detection path was adjusted, hoping to better apply online detection technology in the process of impeller CNC machining.

Impeller CNC machining; Online detection technology; Robot

2016-09-23

趙旭(1981-)，男，講師，學(xué)士。

TP274

B

1674-8646(2016)23-0033-03