（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁省沈阳市 110043）
摘 要：航空发动机机匣零件结构复杂，自动化抛磨工艺一直难以实现。今天，国内工业机器人技术、数字化制造技术、自动化控制技术等先进制造技术不断发展，已具备实施航空发动机机匣自动化磨抛技术的软、硬件条件，通过科学、合理的集成和规划，可以形成一种可实用的自动化磨抛系统初步技术方案。
关键词：航空发动机；机匣；磨抛；机器人
1 系统功能和构成
1.1 系统功能
航空发动机机匣自动化磨抛系统，
1.2 系统配置
本系统由工业机器人、旋转工作台、工具系统、除尘装置、在线/离线编程软件、电气及控制系统、激光视觉定位跟踪及检测系统、安全防护系统等部分组成。虚拟布局模型如图1所示。
在执行机匣抛磨工序过程中，对于单体机匣工件，其抛磨工序可以分成四个主要步骤：
（1）人工将机匣固定至旋转工件台上。
（2）安装在机器人末端的三维扫描仪先进行磨抛前的扫描定位，通过在线监测与校准技术，检测实际工件外型曲面与离线磨抛程序中运动轨迹的偏差，并通过软件系统自动进行关键位置测量，利用测量结果自动计算并校准离线程序运动轨迹，控制磨抛工具调整至正确的工作姿态，机器人带动磨抛工具并跟转台随动完成一端的磨抛作业。
（3）机器人完成加工后，由人工将机匣翻转并重新定位，机器人重复上一步的操作，完成另一端的磨抛作业。
（4）所有工作完成后，由人工完成机匣下料。
3 技术方案说明
3.1 总体方案说明
航空发动机机匣自动化磨抛系统采用先进的机器人柔性加工技术，以磨抛工具为核心，以工业机器人及与机器人同步的旋转工件台为载体，实现航空发动机机匣表面的自动磨抛加工。
系统由工业机器人、旋转工作台、工具系统、除尘装置、在线/离线编程软件、电气及控制系统、激光视觉定位跟踪及检测系统、安全防护系统等部分组成，布局为单机器人单工位（可根据生产需求调整至双工位，旋转工作台布置在机器人两侧，可进行交替作业）。机器人法兰连接处加装力控制装置，通过控制系统实时调整机械臂施加在工件表面的力，实现气动缓冲方式浮动打磨，保证型面磨抛质量。在加工过程中，除尘装置可有效控制粉尘。系统设安全围栏、安全锁，机器人工作时禁止人员入内。当安全锁被打开时，机器人系统停机防止意外发生。机器人自身各关机电机具有过载保护功能，当发生碰撞时会急停，防止损坏设备。系统配备紧急停止按键，当有异常发生时，可以随时紧急停止。
3.2 主要设备说明
3.2.1 ABB机器人
本系统采用ABB公司IRB6700型6轴工业机器人。每个轴臂均采用轻质坚固的材料结构，各轴动力传递平稳，轴驱动均为交流伺服电机驱动，任何一个轴都具有软、硬两种限位装置，机械轴应有自动平衡能力，1～6轴应具备平衡和自锁能力，保证在断电或其他意外停机时不因自重而失控，同时设置手动释放键解除自锁以便于操作。机器人各关节灵活性强，可以保证其最大的工作范围和最佳的作业角度，避免电缆、管线和机器人臂的缠绕。防尘防水等级为IP65。机器人在转臂动作时，具有碰触保护功能，以防碰伤物件和人员。
3.2.2 旋转工作台
旋转工件台经过优化设计后无需特殊防护，可满足打磨工作环境。作为机器人外部轴，其转动可与机器人运动进行联动，使机器人整个磨抛运动轨迹平滑、连续，极大地提高加工质量。旋转精度高，通过伺服电机、减速器控制动力及启停。
3.2.3工具系统
磨抛工具系统由电主轴附件头及不同的工具（刀具）组成，通过连接法兰安装至机器人末端。该装置上设有三维扫描仪，可在加工前完成工件定位校准、寻位及过程跟踪功能。
采用变频器控制电主轴的转速，可任意调整适合工况的转速；气动缓冲方式，缓冲压力范围可调；精密调压阀，缓冲压力可根据实际使用工况进行调整；缓冲压力波动范围很小，可保证切削力近似恒定不变，在加工机匣内壁时采用电主轴加直角角度头安装千叶片或磨片进行每部磨抛。工具系统可通过调整压力、进给速度、转速等参数及优化耗材，保证磨抛质量。
3.2.4 设备控制系统
控制系统可对机器人、定位检测、离线编程、在线检测等进行中央集成控制，通过主控机进行全部功能的操作，实现设备各功能部件联动以及交互作业。
系统采用PLC控制，人机交互采用触摸屏。控制面板应具有中文界面，操作按钮有中文标识。所有电气设备可靠接地，符合安全规范标准，用三相五线制，并配有稳压电源。控制柜防尘防水等级为IP54。电气控制柜采用全封闭式并带有工业空调及空气过滤装置，整机具有完备的各种电气线路保护功能。安全回路中配有安全继电器及安全门锁。
电气控制系统能够修正加工姿态以及工艺参数，实现加工的起始、暂停、切入与切出动作过渡的自动控制，保证切入、切出时不损伤工件。可对自动磨抛系统的状态、运行环境自检，出现异常时能自动报警和停机。具有完善的安全互锁、急停、及报警等功能，出现异常情况时系统能及时报警并显示报警信息，以确保设备安全和人身安全。
控制系统可自动控制除尘装置启动与停止，对除尘状态进行监视与报警。
3.2.5 在线检测与校准系统
通过三维扫描仪和点激光测距传感器，实现对工件的在线校准与精确的加工位置测量。其中三维扫描仪能够实现对工件的整体校准，消除装夹误差及设备整体误差，确保加工路径与工件理论加工部位的一致性。在此基础上，进一步通过点激光测量精确定位加工位置，从而实现对工件变形等原因导致的路径偏差进行校准。基于校准信息，对离线编程程序进行校准，自动实现对打磨起始、暂停以及过渡位置的控制。整个在线过程全自动进行，无需人工干预。具体步骤为：
（1）机匣测量实际停放位置误差校准（校准工件坐标系）。通过激光测距装置，运行离线编程程序进行机匣扫描，分别对工件坐标标定的三个点进行自动测量，从而实现工件坐标系的校准。具体作业流程为机器人运动到一个校准点附近，首先沿X轴方向搜索到该点的X方向位置，然后沿Y轴搜索到Y方向位置，最后运动到X，Y交点位置，读取激光测量值，获取Z方向位置，从而获得该点的X、Y、Z坐标。
（2）机匣实际形状与其设计CAD模型间误差校准。由于机匣制造误差、整体变形的原因，导致工件与其设计CAD模型之间存在偏差，包括局部变形等，系统可对上述偏差进行校准。
3.2.6 安全围栏
设备作业区域带有安全围栏。护栏高度1.7米，护栏设有4个联锁门，门打开机器人即停止工作，阻止无关人员进入工作区，确保人员和工件的安全。围栏选用铝合金材料，防腐耐用。
4 结语
本系统方案可解决航空发动机机匣制造领域的磨抛工艺自动化难题，开辟了航空装备先进制造的新技术方向，大大提高了国内装备制造业的技术水平，将创造巨大的经济效益及社会效益。
参考文献：
[1]郭纪斌.国产工业机器人现状和发展趋势研究[J].中国科技纵横.2015(10):206-206
[2]曹文祥,冯雪梅.工业机器人研究现状及发展趋势[J].机械制造.2011.49(2):41-43
论文作者:窦远,刘赟奕,牛存可
论文发表刊物:《科技中国》2016年11期
论文发表时间:2017/1/5
标签：机器人论文; 工件论文; 系统论文; 在线论文; 离线论文; 加工论文; 作业论文; 《科技中国》2016年11期论文;