孫 彬,杜虎兵,王建華,李 兵

(1.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,西安 710021;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體,是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。隨著“中國制造2025”的來臨,制造業(yè)智能化的代表——工業(yè)機(jī)器人,正逐漸代替人力大規(guī)模應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,其發(fā)展質(zhì)量和水平很大程度上代表著一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)達(dá)程度[1-3]。RV(Rotate Vector)減速器(封閉差動(dòng)式擺線針輪行星減速器),如圖1所示,具有較高的疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命,并且回差和傳動(dòng)精度穩(wěn)定,不會(huì)隨著使用時(shí)間的增長而顯著降低,又具有體積小、重量輕、壽命長、傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器[4-6]。

圖1 RV減速器

目前全球的RV減速器75%的市場份額被兩家日本公司(Nabtesco公司和Harmonic Drive公司)壟斷,隨著國內(nèi)人力成本增加企業(yè)轉(zhuǎn)型緊迫的要求,機(jī)器人用RV減速器的研發(fā)制造已被提升到國家戰(zhàn)略層面,研究減速器關(guān)鍵部件的檢測并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場,為提高其制造質(zhì)量是一件利國利民的強(qiáng)基工程[7-9]。目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在RV減速器傳動(dòng)精度方面。Blanche利用純幾何學(xué)方法研究了擺線針輪行星減速器的回轉(zhuǎn)精度[10-11];Boguski B研究了制造誤差對各行星輪負(fù)載分擔(dān)及運(yùn)行軌道的實(shí)驗(yàn)測量等對減速器精度的影響[12];國內(nèi)以大連交通大學(xué)李立行、何衛(wèi)東為代表的學(xué)者[13-14],從上世紀(jì)80年代初,就開始針對研究RV 減速器傳動(dòng)精度的研究,在理論及應(yīng)用方面都有很大的突破。然而針對RV減速器零部件的加工制造精度研究卻少之又少,其中奚鷹提出在減速器制造裝配誤差中,曲軸偏心距和偏心距誤差對RV減速器傳動(dòng)精度有較大影響,并建立了曲軸偏心距和偏心距誤差影響的數(shù)學(xué)模型。

圖2 擺線輪

擺線輪(圖2)作為工業(yè)機(jī)器人RV減速器中的核心部件,它的精度影響著整個(gè)RV減速器的性能,其加工質(zhì)量和檢測效率直接制約著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。現(xiàn)階段對擺線輪質(zhì)量保證的檢測手段主要是線下手工抽檢,不僅效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,而且可靠性較低;若使用三坐標(biāo)測量機(jī)或圓度儀等高精度設(shè)備檢測,成本高且效率低下,不滿足線上逐件檢測的要求。因此考慮到國內(nèi)強(qiáng)大需求,如某企業(yè)年產(chǎn)數(shù)6萬臺(tái)套的產(chǎn)量,檢測要求:位置度測量節(jié)拍<10 s,位置度測量誤差小于2 μm,孔徑及圓度最大測量誤差均小于 1 μm。對檢測要求不僅精度高穩(wěn)定可靠而且要求一次裝夾完成多參數(shù)檢測、速度快效率高等,那么有必要對其在線檢測技術(shù)進(jìn)行深入研究并實(shí)施工程應(yīng)用。針對RV減速器量化生產(chǎn)的線上檢測要求,研究擺線輪的綜合檢測技術(shù)及方案,并開發(fā)在線檢測裝置,為工業(yè)機(jī)器人提供可靠的質(zhì)量保證具有重要意義。

1 被測參數(shù)評定模型

根據(jù)某企業(yè)RV機(jī)器人減速器數(shù)字化生產(chǎn)線的需要,某型號擺線輪的主要檢測項(xiàng)目分別是圓周等分的3個(gè)軸承安裝孔的孔組位置度誤差、孔內(nèi)徑及圓度誤差,要求測量精度達(dá)到微米量級,測量節(jié)拍小于1 min。下面分別對擺線輪的被測參數(shù)評定模型進(jìn)行論述。

1.1 位置度檢測

位置度是指被測要素的實(shí)際位置偏移理想位置的程度,理想位置相對于基準(zhǔn)或幾何圖框確定。位置度誤差直接影響零部件的裝配質(zhì)量,必須對加工的零件位置度誤差進(jìn)行檢查,以確保零件質(zhì)量[15-17]。在工業(yè)機(jī)器人RV減速器關(guān)鍵零件擺線輪的加工生產(chǎn)過程中,其軸承安裝孔的尺寸和位置都會(huì)存在一定的加工制造誤差,從而產(chǎn)生了孔組位置度誤差,這對減速器的裝配以及機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生影響。考慮到擺線輪曲柄軸孔的偏心誤差對RV減速器的裝配以及傳動(dòng)精度有重要的影響,對擺線輪上軸承安裝孔的孔組位置度在線檢測必不可少。

圖3 電感傳感器及分布示意圖

根據(jù)被測要素以中心孔作為定位基準(zhǔn),采用了量程大、精度高的杠桿式電感位移傳感器來采集數(shù)據(jù),傳感器的分布如圖3所示。在中心孔導(dǎo)向套的截面上每隔120°的方向上分布一支傳感器(M1～M3),在圓周分布的3個(gè)導(dǎo)向套的同一截面內(nèi)每隔90°的方向上各分布一支傳感器(M4～M15),共計(jì)15支位移傳感器。其中,傳感器M1M4M6、M2M8M10、M3M12M14的測頭所在直線分別互成120°。傳感器M5M7的測頭方向與M4M6的測頭方向垂直;傳感器M9M11的測頭方向與M8M10的測頭方向垂直;傳感器M13M15的測頭方向與M12M14的測頭方向垂直。

位置度檢測使用傳感器多,數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,執(zhí)行過程可用以下步驟描述:

①分別在位置度測量部分上放上擺線輪的標(biāo)定件和實(shí)測件,分別獲得15支傳感器的數(shù)據(jù),并計(jì)算每支傳感器標(biāo)定值與實(shí)測值的差值ΔS1,ΔS2,ΔS3,…,ΔS15:

(1)

②使用三坐標(biāo)測量機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行標(biāo)定,測得擺線輪圓周均布的3個(gè)軸承安裝孔與中心孔的孔心距分別為d|01|、d|02|、d|03|。如圖4標(biāo)定件各孔圓心分別如圖中O、1、2、3,實(shí)測件各孔圓心分別如圖中O′、1′、2′、3′。

圖4 標(biāo)定件及實(shí)測件各孔圓心

將各孔心距在位置度測量部分傳感器行成的坐標(biāo)系下進(jìn)行換算,得到中心孔圓心的坐標(biāo)O(X0,Y0)為:

(2)

圓周分布軸承安裝孔1的圓心坐標(biāo)(X1,Y1)為:

(3)

圓周分布軸承安裝孔2的圓心坐標(biāo)(X2,Y2)為:

(4)

圓周分布軸承安裝孔3的圓心坐標(biāo)(X3,Y3)為:

X3=-d|03|×sin30°Y3=-d|03|×cos30°

(5)

③參照圖3中傳感器的分布方向,在位置度測量部分傳感器行成的坐標(biāo)系下,通過中心導(dǎo)向套的1、2、3號傳感器實(shí)測值與標(biāo)定值之差ΔS1,ΔS2,ΔS3,可得到標(biāo)定件與實(shí)測件的中心孔的孔心坐標(biāo)偏差量:

(6)

那么,通過圓周導(dǎo)向套的4、5、6、7號傳感器實(shí)測值與標(biāo)定值之差ΔS4、ΔS5、ΔS6、ΔS7,可得到標(biāo)定件與實(shí)測件軸承安裝孔1的孔心坐標(biāo)偏差量:

(7)

再通過圓周導(dǎo)向套的8、9、10、11號傳感器實(shí)測值與標(biāo)定值之差ΔS8、ΔS9、ΔS10、ΔS11,可得到標(biāo)定件與實(shí)測件軸承安裝孔2的孔心坐標(biāo)偏差量:

(8)

然后通過圓周導(dǎo)向套的12、13、14、15號傳感器實(shí)測值與標(biāo)定值之差ΔS12、ΔS13、ΔS14、ΔS15,可得到標(biāo)定件與實(shí)測件軸承安裝孔3的孔心坐標(biāo)偏差量:

(9)

④參照圖5,在得到實(shí)測件各孔心坐標(biāo)后,將d|1′0|、d|2′0|、d|3′0|中最接近標(biāo)準(zhǔn)孔心距(63 mm)的作為基準(zhǔn)參照,例如當(dāng)|d|1′0|-63| mm最小時(shí),將O′1′所在直線及O′(P0)作為基準(zhǔn),擬合出圓周均布的3個(gè)孔圓心的理想位置P1、P2、P3,可通過圓周3個(gè)軸承安裝孔孔心的理想位置與實(shí)際位置之間的坐標(biāo)偏差求得形成的公差帶f1、f2、f3,即得出圓周分布的軸承安裝孔的位置度誤差。

圖5 位置度公差帶擬合示意圖

(10)

(11)

(5)在得出P1、P2、P3的坐標(biāo)后,分別與實(shí)測件孔心1′、2′與3′行成的公差帶即為各孔的位置度,評定公式表示為:

(12)

1.2 內(nèi)徑檢測

內(nèi)徑是指擺線輪圓周分布的3個(gè)軸承安裝孔的內(nèi)徑。圓度是指孔的橫截面接近理論圓的程度,即孔中最大半徑與最小半徑的差值。在加工過程中,由于機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)不平衡、刀具與主軸之間的受力、材料應(yīng)變等諸多因素,回轉(zhuǎn)類零件不可避免地會(huì)產(chǎn)生圓度誤差,直接影響回轉(zhuǎn)類零件的互換性和配合精度,加劇互配件的磨損、震動(dòng)等,降低了使用性能和壽命[18-19],故零件孔的圓度誤差需得到有效的控制,根據(jù)被測要素的特征,課題采用氣動(dòng)測量方式。根據(jù)比較測量需要,設(shè)計(jì)制造出軸承安裝孔兩個(gè)校對規(guī),其尺寸分別等于孔徑公差的最大和最小極限。測量前先校對標(biāo)準(zhǔn)件,計(jì)算獲得測量直線的斜率,然后對被測工件進(jìn)行測量并獲得壓力值,如下式:

(13)

(14)

式中:D1、D2為標(biāo)準(zhǔn)件1和2的孔徑值(mm);P1、P2為標(biāo)準(zhǔn)件1和2標(biāo)定時(shí)的測量壓力(kPa);k為測量直線的斜率值(mm/kPa);b為測量直線橫截距(mm);

測量過程中,氣動(dòng)傳感器采集到壓力信號后,通過以下公式計(jì)算出被測孔的直徑值。

D=K×P+b

(15)

式中:D為被測工件的直徑(mm);P為實(shí)測時(shí)的傳感器壓力值(kPa)。

為滿足生產(chǎn)線快速高效的要求,配備浮動(dòng)機(jī)構(gòu)以及氣缸等部件,實(shí)現(xiàn)對3個(gè)孔內(nèi)徑的自動(dòng)化測量:精密轉(zhuǎn)臺(tái)開始轉(zhuǎn)動(dòng),尋找初始設(shè)定位置并停止,垂直移動(dòng)氣缸帶動(dòng)浮動(dòng)氣測頭向下運(yùn)動(dòng)至第1個(gè)測量孔,測量完畢后退回初始位置,精密轉(zhuǎn)臺(tái)依次精確旋轉(zhuǎn)120°氣測頭依次實(shí)現(xiàn)對其余兩個(gè)孔的檢測,整個(gè)測量過程節(jié)拍<40 s,滿足生產(chǎn)線上的檢測要求,測量方案示意如圖6所示。

圖6 孔內(nèi)徑測量方案示意圖

1.3 圓度檢測

目前圓度誤差評定有4種常用的方法:最小二乘法、最小區(qū)域法、最大內(nèi)接圓法和最小外接圓法。課題研制的設(shè)備需要在生產(chǎn)車間在線使用,實(shí)現(xiàn)對擺線輪圓周分布軸承安裝孔內(nèi)徑及圓度的快速高效測量。內(nèi)徑在加工中已經(jīng)使用了主動(dòng)測量裝置,因此其尺寸一致性較好,考慮到效率和節(jié)拍要求,本文采用一種近似圓度測量的工程應(yīng)用方法。即獲取一個(gè)截面的兩個(gè)垂直方向的直徑,將兩個(gè)直徑近似作為包容該截面實(shí)際輪廓中的最大和最小同心圓的直徑。采取最小區(qū)域評定法,可得出行星架及擺線輪軸承安裝孔的圓度誤差近似為:

f=|(D1-D2)/2|

(16)

式中:D1、D2為氣測頭得出的被測工件中同一截面上的兩個(gè)直徑數(shù)據(jù)。

圖7 擺線輪檢測裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擺線輪在線測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是由Z軸立柱、精密回轉(zhuǎn)平臺(tái)、位置度測量部分及電器柜組成,如圖7所示,運(yùn)動(dòng)部位主要包括回轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、浮動(dòng)測頭的垂直上下移動(dòng),在位置度采用靜態(tài)測量,無需運(yùn)動(dòng)部件。

位置度測量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由傳感器導(dǎo)向套、基板、支架等組成,其中關(guān)鍵設(shè)計(jì)是基板上的導(dǎo)向套以及導(dǎo)向套上傳感器測頭的開孔位置,需使得其開孔位置滿足位置度的測量方案傳感器的分布方向,其三維建模和實(shí)物圖分別如圖8所示。

圖8 位置度測量部分機(jī)械結(jié)構(gòu)(以中心孔為基準(zhǔn))

圖9 Z軸立柱機(jī)械結(jié)構(gòu)

參照以中心孔為測量基準(zhǔn)時(shí)的設(shè)計(jì)方案為,在中心孔導(dǎo)向套的某一截面上每隔120°的方向上設(shè)置一個(gè)圓形開口,在圓周分布的3個(gè)導(dǎo)向套,在導(dǎo)向套的同一截面內(nèi)每隔90°的方向上設(shè)置一個(gè)圓形開口,共固定15支位移傳感器,傳感器測頭分布圖參照圖3。

孔徑測量主要包括:Z軸立柱(圖9)是浮動(dòng)氣測頭的安裝軸,其作用是帶動(dòng)浮動(dòng)氣測頭實(shí)現(xiàn)垂直方向的移動(dòng),完成對擺線輪軸承安裝孔內(nèi)徑的測量,Z軸立柱主要是由Z軸支架、固定導(dǎo)軌、浮動(dòng)機(jī)構(gòu)及氣測頭、氣缸、連接件及緩沖座等組成。Z軸支架的行程設(shè)計(jì)為500 mm,使工件與被測件之間有足夠的空間,方便工件的取放;由于氣測頭與被測孔的間隙很小,浮動(dòng)機(jī)構(gòu)作用是在轉(zhuǎn)臺(tái)定位出現(xiàn)微小偏差的情況下,使氣測頭能通過倒角的過渡順利進(jìn)入被測孔;緩沖座是使氣測頭在進(jìn)入被測孔的過程更加平穩(wěn),另外在意外情況下,起到保護(hù)氣缸及氣測頭的作用;氣測頭測量精度為0.001 mm。

2.2 電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的電氣部分包括硬件和軟件設(shè)計(jì),其中硬件由研華工控機(jī)、PCI-1730運(yùn)動(dòng)控制卡及端子板、英國雷尼紹RESM圓光柵、伺服電機(jī)(130LCX-2A)及高精度脈寬調(diào)速裝置、SMC氣缸及電磁閥、磁性接近開關(guān)等組成控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),如圖10所示。控制系統(tǒng)采用閉環(huán)反饋控制,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控測量設(shè)備的狀態(tài)。氣缸的精確運(yùn)動(dòng)位置由電磁閥與接近開關(guān)控制,轉(zhuǎn)臺(tái)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)由軟件讀取圓光柵讀數(shù)并配合電機(jī)實(shí)現(xiàn)。為了保護(hù)操作人員及各測量部分件的安全,電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中需設(shè)置急停功能,實(shí)時(shí)讀取各氣缸接近開關(guān)及電機(jī)狀態(tài),判斷當(dāng)前狀態(tài)是否正常,配合控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠檢測。

圖10 控制系統(tǒng)框圖

檢測系統(tǒng)的軟件是在Windows平臺(tái)下,利用Microsoft Visual Studio 2010中的C++編程工具進(jìn)行開發(fā)。C++繼承了C語言功能強(qiáng)、效率高、易學(xué)易用的特點(diǎn),加之其利用面向?qū)ο蟮目梢暬绦蛟O(shè)計(jì),運(yùn)用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集。圖11是本系統(tǒng)的主界面,測量時(shí)在每個(gè)工件檢測之前輸入其型號(或編號),按下自動(dòng)測量按鈕,各運(yùn)動(dòng)部件就會(huì)按規(guī)劃好的動(dòng)作順序自動(dòng)測量完成,并進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)保存。

圖11 軟件主界面

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)擺線輪被測環(huán)境,測量機(jī)在線檢測時(shí)的誤差源主要有標(biāo)準(zhǔn)件誤差、轉(zhuǎn)臺(tái)定位誤差、溫度誤差、測量機(jī)測量誤差等;前兩者由機(jī)械加工精度來保證,通過第三方檢測確定為定量誤差,可以通過軟件進(jìn)行消除;考慮到車間恒溫特征,溫度誤差可以忽略;而測量機(jī)的測量誤差主要由傳感器采樣引起,通過軟件算法進(jìn)行抑制。實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在軟件界面設(shè)置誤差修正參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù),測量前使用擺線輪標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行對標(biāo)。然后對被測擺線輪工件進(jìn)行多次測量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證本檢測系統(tǒng)的測量重復(fù)性精度,并與三坐標(biāo)測量機(jī)對此被測件的檢測結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證本測量系統(tǒng)的可靠性,圖12中用不同線型標(biāo)示出各個(gè)孔的10次的位置度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從與三坐標(biāo)機(jī)的測量結(jié)果對比的情況可以看出,孔1的測量誤差≤1 μm;孔2的測量誤差≤3 μm;孔3的測量誤差≤3 μm。即從實(shí)際的測量結(jié)果來看,總體的測量誤差在3 μm以內(nèi),滿足小于3 μm的測量要求,說明測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖12 擺線輪各孔位置度30次實(shí)驗(yàn)結(jié)果

接著用氣動(dòng)測量方式對擺線輪孔徑尺寸進(jìn)行測量及比對,從表1中的對比可以看出,與三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行對比,測量誤差均小于0.001 mm,滿足測量精度要求(小于0.002 mm),說明本測量系統(tǒng)的測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。對于圓度誤差,與三坐標(biāo)測量機(jī)的結(jié)果進(jìn)行對比后,可得到測量誤差仍均小于 1 μm,滿足測量精度要求(小于0.002 mm),進(jìn)一步說明測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠,測量節(jié)拍<1 min/件,滿足在線檢測要求。

表1 某擺線輪各孔10次實(shí)測數(shù)據(jù)對比 單位:mm

4 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人RV減速器具有傳動(dòng)比大、高傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率高、體積小、剛度高等特點(diǎn),特別適用于工業(yè)機(jī)器人及其他精密伺服傳動(dòng)系統(tǒng)。為了改善我國的工業(yè)機(jī)器人RV減速器高度依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀,對關(guān)鍵部件進(jìn)行在線檢測技術(shù)研究,建立具有自主產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人減速器生產(chǎn)線,對于推動(dòng)我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提高基礎(chǔ)裝備制造競爭力具有重要的意義。論文提出了一種采用多傳感器測量系統(tǒng)對孔組位置度進(jìn)行在線快速檢測的方法,實(shí)現(xiàn)了位置度測量節(jié)拍<10 s,并與三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,最大測量誤差小于3 μm,孔徑及圓度最大測量誤差均小于1 μm。成功研制出在線檢測設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于某企業(yè)機(jī)器人減速器生產(chǎn)線上,實(shí)現(xiàn)了對擺線輪軸承安裝孔的內(nèi)徑、圓度和位置度的自動(dòng)化檢測,實(shí)現(xiàn)整機(jī)測量節(jié)拍均小于1 min,滿足了RV減速器生產(chǎn)線的年產(chǎn)6萬套的在線檢測需求。

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