六自由度機(jī)器人葉片剖光研究

王剛，趙尚福

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）設(shè)計研究院有限公司，沈陽110142）

0 引 言

汽輪機(jī)是一種利用蒸汽能旋轉(zhuǎn)的機(jī)器。加速后的高溫高壓氣體通過噴嘴噴射到汽輪機(jī)的葉片上，驅(qū)動汽輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)從而驅(qū)動外部設(shè)備。它是熱能、冶金、化工、艦艇動力等領(lǐng)域的重要設(shè)備。葉片是汽輪機(jī)的關(guān)鍵部件，它的精度和表面粗糙度直接影響葉片乃至整個汽輪機(jī)的空氣動力學(xué)性能及效率、力學(xué)特性和整機(jī)質(zhì)量。目前在歐美地區(qū)，為了高效地得到高精度、高表面質(zhì)量的葉片，經(jīng)常使用五軸加工中心和專業(yè)的砂帶磨削機(jī)床。國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)通常手工拋光葉片。近年來，我們也開始使用進(jìn)口五軸機(jī)床來進(jìn)行葉片拋光。傳統(tǒng)的汽輪機(jī)生產(chǎn)工藝限制了汽輪機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也制約了熱能、冶金、化工、艦艇動力等領(lǐng)域的發(fā)展。機(jī)器人是一種自動化設(shè)備，使用機(jī)器人進(jìn)行葉片拋光可以提高拋光工藝的自動化水平，滿足智能制造及工業(yè)4.0的需求[1-2]。

1 六自由度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)

1.1 六自由度機(jī)器人正向運(yùn)動求解

六自由度的機(jī)器人有6個旋轉(zhuǎn)自由度，其相鄰自由度的坐標(biāo)變換的計算見圖1。其中ai是Zi～Zi+1沿Xi軸方向距離; αi是Zi～Zi+1圍繞Xi旋轉(zhuǎn)的角度差; di是Xi-1～Xi沿Zi軸方向的距離;θi是Xi-1～Xi圍繞Zi的角度差?；贒-H理論，坐標(biāo)變換矩陣如下[3-5]：

圖1 六自由度機(jī)器人及坐標(biāo)系

式中：si=sinθi；sij=sin(θi+θj)；ci=cosθi；cij=cos(θi+θj),后文同此。

機(jī)器人末端在全局坐標(biāo)系下的位置變換矩陣如下：

式 中：r11=s1c4s6+s1s4c5c6-c1s23s5c6-c1c23s4s6+c1c23c4c5c6；r12=s1c4c6-s1s4c5s6+c1s23s5c6-c1c23s4c6-c1c23c4c5c6；r13=-s1s4s5-c1s23c5-c1c23c4s5；r21=s1c23c4c5c6-s1s23s5c6-c1s23s5c6-c1c4s6-c1s4c5c6；r22=s1s23s5s6-s1c23c4c5s6-s1c23s4c6-c1c4c6+c1s4c5s6；r23=-s1s23c5-s1c23c4s5+c1s4s5；r31=s23s4s6-s23c4c5c6-c23s5c6；r32=s23s4c6+s23c4c5s6+c23s5s6；r33=s23c4s5-c23c5。

全局坐標(biāo)系下末端的位置和角度如下：

1.2 逆向運(yùn)動求解

逆向運(yùn)動求解如下：

2 汽輪機(jī)葉片拋光

2.1 汽輪機(jī)葉片

汽輪機(jī)葉片由葉身和葉根組成，如圖2所示。葉身部分由進(jìn)氣邊、出氣邊、葉盆邊、葉背邊組成。葉片可以根據(jù)截面的形狀分成兩類。圖2（a）所示的葉片上任意點(diǎn)的葉身截面均相同，圖2（b）所示的葉片上葉身截面隨位置變化。在變截面的葉片中，截面之間存在著扭轉(zhuǎn)。其半精加工的零件由四軸或五軸加工中心完成，然后精加工拋光。葉片的典型材料有1Cr13、2Cr13、2Cr12MoV等[6-7]。

圖2 汽輪機(jī)葉片及機(jī)構(gòu)

2.2 拋光過程進(jìn)給運(yùn)動

汽輪機(jī)葉片拋光進(jìn)給運(yùn)動的方向和坐標(biāo)系如圖3所示。砂帶用來實(shí)現(xiàn)拋光主運(yùn)動，進(jìn)給運(yùn)動由具有6個旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)器人驅(qū)動葉身實(shí)現(xiàn)。通過六自由度機(jī)器人各個自由度的電動機(jī)運(yùn)動擬合成3個線性軸和3個旋轉(zhuǎn)軸。X6為葉身的寬度方向，該方向垂直于砂帶輪的旋轉(zhuǎn)軸。Z6是沿著葉身長度方向的軸向進(jìn)給方向，其平行于砂帶輪的旋轉(zhuǎn)軸。A6是傾斜方向，B6是擺動方向，C6是旋轉(zhuǎn)方向。對于截面一致的葉身，拋光進(jìn)給運(yùn)動只需要X、Y、Z和C等4個軸的運(yùn)動，而對于變截面的葉身則需要全部的6個軸。

圖3 拋光過程坐標(biāo)系

3 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)級應(yīng)用

3.1 拋光機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

由六自由度機(jī)器人和砂帶機(jī)組成的汽輪機(jī)葉片拋光機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如圖4所示。夾具固定在機(jī)器人的末端（執(zhí)行端）可以夾緊或松開葉片。粗加工件和精加工件可以放置在貨架上。上下料的運(yùn)動軌跡和拋光過程進(jìn)給運(yùn)動的軌跡由機(jī)器人實(shí)現(xiàn)[8-11]。

圖4 汽輪機(jī)葉片拋光機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

3.2 氣動夾具

夾具和氣動原理圖如圖5所示，首先應(yīng)保證干燥清潔的工作氣源，氣壓大于0.5 MPa，經(jīng)氣動三聯(lián)件（空氣過濾器、減壓閥和油霧器）將穩(wěn)定的氣源通過換向閥輸送給氣動夾具，氣動夾具的氣缸由換向閥控制，氣缸往復(fù)運(yùn)動可以松開或夾緊工件[12-15]。

圖5 夾具和氣動原理圖

3.3 實(shí)際應(yīng)用

葉片拋光機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用如圖6所示。汽輪機(jī)葉片由氣動夾具固定在六自由度機(jī)器人的末端，進(jìn)給運(yùn)動由機(jī)器人驅(qū)動。砂帶機(jī)實(shí)現(xiàn)拋光過程，值得一提的是，由于六自由度機(jī)器人的定位誤差，要求機(jī)器人末端與砂帶機(jī)之間存在一個彈性環(huán)節(jié)，保證砂帶在拋光的過程中實(shí)時與葉身表面接觸，才能保證拋光的表面質(zhì)量。

圖6 應(yīng)用實(shí)例

實(shí)驗1：600目砂帶，10次拋光，砂帶線速度6 m/s。葉片最終的表面粗糙度為Ra0.4～0.8 μm。

實(shí)驗2：600目砂帶，5次拋光，砂帶線速度15 m/s。葉片最終的表面粗糙度為Ra0.2～0.4 μm。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用D-H模型分析了六自由度機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)特性，推導(dǎo)了正向運(yùn)動和逆向運(yùn)動的求解，提出了用六自由度機(jī)器人進(jìn)行葉片拋光的方法，分析了六自由度機(jī)器人和砂帶機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動，建立了六自由度機(jī)器人及砂帶機(jī)拋光的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，設(shè)計了汽輪機(jī)葉片的夾具和氣動控制原理。最后通過實(shí)驗驗證了本文提出的方法可以實(shí)現(xiàn)葉片拋光的自動化。