山東省第七屆智能制造大賽（工業(yè)4.0）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽|基于視覺引導(dǎo)的協(xié)作機(jī)器人在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配機(jī)http://lyjingtong.com/線的應(yīng)用

為進(jìn)一步挖掘和推廣具有原創(chuàng)性先進(jìn)性的技術(shù)成果，以實(shí)際成效推進(jìn)我省工業(yè)經(jīng)濟(jì)加力提速，由山東省總工會(huì)、中共山東省委網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)辦公室、山東省科學(xué)技術(shù)廳、山東省工業(yè)和信息化廳、山東省人力資源和社會(huì)保障廳、共青團(tuán)山東省委、山東省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、山東電子學(xué)會(huì)、濰坊市人民政府共同發(fā)起主辦山東省第七屆智能制造大賽（工業(yè)4.0）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（以下簡(jiǎn)稱“大賽”）。為更好的做出大賽項(xiàng)目成果總結(jié)，推動(dòng)智能制造優(yōu)秀解決方案、典型應(yīng)用的落地及推廣，經(jīng)研究討論，于2023年3月15日起推出“大賽項(xiàng)目成果巡展”系列推送工作，供有關(guān)方面學(xué)習(xí)借鑒。

山東省第七屆智能制造大賽（工業(yè)4.0）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽優(yōu)秀項(xiàng)目成果展

協(xié)作機(jī)器人作為一種新興的機(jī)器人解決了人和機(jī)器人不能在同一空間同時(shí)作業(yè)的問題，在智能制造領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。以發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線油底殼螺栓智能擰緊為例，對(duì)協(xié)作機(jī)器人的選擇模擬、控制通信、視覺引導(dǎo)、機(jī)械設(shè)計(jì)、空間三維反力抵消、重力平衡等進(jìn)行了多方面探討。創(chuàng)新性的開發(fā)研究空間三維反力抵消和重力平衡機(jī)構(gòu)，借助視覺引導(dǎo)技術(shù)，采用倒掛式的應(yīng)用模式，設(shè)計(jì)多套程序的數(shù)據(jù)庫邏輯，運(yùn)用RFID實(shí)現(xiàn)多機(jī)型 程序的自動(dòng)調(diào)用，自動(dòng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊程序，實(shí)現(xiàn)全機(jī)型自動(dòng)擰緊工藝要求，為協(xié)作機(jī)器人在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的應(yīng)用提供了一種解決方案。

有了協(xié)作機(jī)器人的加入，過去一些復(fù)雜到只能通過人工完成的操作，如今可在人與機(jī)器的協(xié)作下完成，大幅降低用人成本與勞動(dòng)強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)開發(fā)基于視覺引導(dǎo)的協(xié)作機(jī)器人油底殼螺栓智能擰緊裝置，主要由視覺引導(dǎo)機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)、空間三維反力抵消機(jī)構(gòu)、RFID、工件定位機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫及電氣控制部分組成，具備防錯(cuò)功能且與線體聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)新突破。

 1 前言

       協(xié)作機(jī)器人是繼桁架機(jī)械手、關(guān)節(jié)機(jī)器人之后一種全新的機(jī)器人種類，在中、輕重量零件的制造加工、裝配方面優(yōu)勢(shì)突出，并且能真正參與到復(fù)雜的人機(jī)交互、人機(jī)協(xié)同作業(yè)中，也是未來的發(fā)展趨勢(shì)，助力智能制造的發(fā)展。WZY生產(chǎn)線油底殼自動(dòng)擰緊工序主要生產(chǎn)H機(jī)型、WP10、WD12三大系列，WP10、WD12油底殼擰緊螺栓數(shù)量為12個(gè)，H機(jī)型油底殼螺栓擰緊數(shù)量為16個(gè)，螺栓頭部大小為M13，支撐塊M13，扭力要求為：29～49N·m。

        本論文主要論述了協(xié)作機(jī)器人在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓智能擰緊過程中的應(yīng)用，采用倒掛式的應(yīng)用模式，借助視覺引導(dǎo)技術(shù)，創(chuàng)新性的開發(fā)研究空間三維反力抵消和重力平衡機(jī)構(gòu)，并基于RFID實(shí)現(xiàn)多機(jī)型程序的自動(dòng)調(diào)用，建立數(shù)據(jù)庫通訊，自動(dòng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊程序，實(shí)現(xiàn)全機(jī)型自動(dòng)擰緊工藝要求。

    2 發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼作用及協(xié)作機(jī)器人介紹

       2.1 油底殼作用

       油底殼是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，是發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)存機(jī)油的容器，同時(shí)收集和儲(chǔ)存流回的機(jī)油，散熱并防止機(jī)油氧化，同時(shí)油底殼底部帶有放油螺塞，保養(yǎng)時(shí)從油底殼放油螺塞處放出氧化的機(jī)油。

       2.2 協(xié)作機(jī)器人介紹

       1995年美國(guó)西北大學(xué)愛德華和邁科爾博士提出合作機(jī)器人(Collaborative Robot，Cobot)。2009年優(yōu)傲公司推出首款產(chǎn)品UR5（圖1），2015年沈陽新松機(jī)器人公司推出七軸柔性協(xié)作機(jī)器人，而協(xié)作機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，成為中國(guó)智能制造2025的一個(gè)重要標(biāo)志。具備以下特點(diǎn)：

        （1）輕量化。使機(jī)器人更易于控制，提高安全性。

        （2）友好性。保證機(jī)器人的表面和關(guān)節(jié)是光滑且平整的，無尖銳的轉(zhuǎn)角或者易夾傷操作人員的縫隙。

       （3）感知能力。感知周圍的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化改變自身的動(dòng)作行為。

       （4）人機(jī)協(xié)作。具有敏感的力反饋特性，當(dāng)達(dá)到已設(shè)定的力時(shí)會(huì)立即停止，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后可不需要安裝保護(hù)欄，使人和機(jī)器人能協(xié)同工作。

       （5）編程方便。對(duì)于一些普通操作者和非技術(shù)背景的人員來說，都非常容易進(jìn)行編程與調(diào)試。

     3 設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用思路

       借助協(xié)作機(jī)器人，運(yùn)用視覺引導(dǎo)技術(shù)、RFID技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)基于視覺引導(dǎo)的協(xié)作機(jī)器人油底殼螺栓智能擰緊裝置（圖2），主要由視覺引導(dǎo)機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)、空間三維反力抵消機(jī)構(gòu)、RFID、工件定位機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫及電氣控制部分組成，具備防錯(cuò)功能且與線體聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)新突破。由于空間局限，采用協(xié)作機(jī)器人倒掛方案，借助RFID識(shí)別機(jī)型，應(yīng)用視覺引導(dǎo)機(jī)器人準(zhǔn)確擰緊，保證裝配的一致性。

       3.1 硬件結(jié)構(gòu)

       （1）工件定位機(jī)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置，專項(xiàng)設(shè)計(jì)開發(fā)自適應(yīng)定位機(jī)構(gòu)用于發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確預(yù)定位。

        （2）空間三維反力抵消機(jī)構(gòu)。通過三維仿真模擬，設(shè)計(jì)空間三維反力抵消機(jī)構(gòu)，用于抵消擰緊軸擰緊時(shí)的反抗力，保證協(xié)作機(jī)器人不出現(xiàn)受力報(bào)警。

        3.2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       （1）RFID機(jī)構(gòu)。用于機(jī)型識(shí)別，判斷機(jī)型，讀取MES信息。

       （2）數(shù)據(jù)庫及電氣控制部分。自主開發(fā)數(shù)據(jù)庫，通過讀取MES信息，根據(jù)不同機(jī)型實(shí)現(xiàn)油底殼螺栓自動(dòng)擰緊，擰緊數(shù)據(jù)自動(dòng)保存、上傳。

        3.3 視覺引導(dǎo)結(jié)構(gòu)

        發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過預(yù)定位后，通過視覺相機(jī)拍照，自動(dòng)計(jì)算偏移尺寸及角度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位(圖2)。

     4 整體結(jié)構(gòu)及機(jī)械部分功能

       通過三維軟件模擬仿真，其中機(jī)械部分主要由空間三維反力抵消機(jī)構(gòu)、重力平衡機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)四部分組成，主體結(jié)構(gòu)采用龍門框架可調(diào)結(jié)構(gòu)，便于后期精度調(diào)整，托盤定位采用帶阻尼停止器，減少托盤撞擊帶來的精度偏移（圖3）。

       4.1 空間三維反力抵消機(jī)構(gòu)

       由于協(xié)作機(jī)器人負(fù)載較小，擰緊軸在擰緊過程中會(huì)產(chǎn)生反力，直接反饋給協(xié)作機(jī)器人，導(dǎo)致機(jī)器人報(bào)警，為解決擰緊軸反力問題提出并設(shè)計(jì)空間三維反力抵消機(jī)構(gòu)（圖4），三軸都可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，Z軸采用平衡氣缸抵消重力，擰緊軸反力會(huì)傳遞給三軸反力抵消機(jī)構(gòu)，協(xié)作機(jī)器人只需要走坐標(biāo)即可完成擰緊過程。

圖4 放大圖片

圖4 擰緊軸反力抵消裝置組件

       4.2 重力平衡機(jī)構(gòu)

       由于機(jī)器人采用吊裝式安裝，在機(jī)器人工作時(shí)，極易導(dǎo)致機(jī)器人移動(dòng)過程中報(bào)警，因此通過計(jì)算擰緊機(jī)構(gòu)的負(fù)載，設(shè)計(jì)制作重力平衡機(jī)構(gòu)（圖5）。 

圖5 放大圖片

圖5 重力平衡機(jī)構(gòu)

       利用機(jī)構(gòu)的支撐力來抵消機(jī)器人及擰緊機(jī)構(gòu)的重力，當(dāng)機(jī)器人下探擰緊時(shí)，使其壓力增大，給機(jī)構(gòu)一個(gè)向上反作用力，多余的壓力從減壓閥處排除，向上移動(dòng)則反之，這樣就能夠使機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。

       4.3 三位一體精確定位機(jī)構(gòu)

       一般在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上，普遍采用插銷定位或者舉升定位的方式實(shí)現(xiàn)托盤二次定位，從而滿足各類定位功能需求，但此種方式只對(duì)托盤的定盤起到精確定位的作用，動(dòng)盤還會(huì)存在間隙，因此設(shè)計(jì)三位一體發(fā)動(dòng)機(jī)精確定位機(jī)構(gòu)（圖6）。當(dāng)托盤進(jìn)入工位前止檔氣缸升起，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)托盤進(jìn)行預(yù)定位。托盤底部帶有定位銷孔，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到位后，對(duì)托盤進(jìn)行定位插銷，同時(shí)側(cè)面動(dòng)盤定位機(jī)構(gòu)伸出，對(duì)動(dòng)盤進(jìn)行精確定位，保證視覺拍照時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓孔位置準(zhǔn)確。

圖6 放大圖片

圖6 定位機(jī)構(gòu)

       4.4 擰緊機(jī)構(gòu)原理

       用來擰緊螺栓的執(zhí)行件是擰緊軸，其擰緊扭矩T(N·m)需克服螺紋間的摩擦力矩和支撐面間的摩擦力矩，從而產(chǎn)生預(yù)緊力F(N)：T=K·d·F×10-3式中，d是螺紋公稱直徑(mm)，擰緊扭矩系數(shù)K一般取0.2，綜合計(jì)算得出，擰緊軸需輸出扭矩30N·m，伸縮軸伸縮量50mm?；跀Q緊原理設(shè)計(jì)出擰緊機(jī)構(gòu)，如圖7。

    5 視覺引導(dǎo)及電氣通信

       5.1 視覺引導(dǎo)技術(shù)

       視覺技術(shù)，類似如人的一雙“眼睛”，所謂機(jī)器視覺技術(shù)，就是給機(jī)器設(shè)備配置上“眼睛”，通過邏輯計(jì)算使得機(jī)器設(shè)備具備人的視覺功能：能識(shí)別物體和定位物體。利用視覺相機(jī)進(jìn)行拍照定位，將協(xié)作機(jī)器人與相機(jī)標(biāo)定在同一坐標(biāo)系，工件到位后，協(xié)作機(jī)器人根據(jù)RFID反饋數(shù)值移動(dòng)到拍照位，相機(jī)1、2分別進(jìn)行拍照，相機(jī)計(jì)算工件偏移量及偏移角度反饋給PLC，PLC根據(jù)數(shù)值計(jì)算引導(dǎo)協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行位置補(bǔ)償位置，完成擰緊任務(wù)（如圖8）。

       5.2 RFID機(jī)構(gòu)

       通過RFID電子標(biāo)簽自主識(shí)別不同機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)比調(diào)用不同擰緊參數(shù)，能對(duì)多種機(jī)型實(shí)現(xiàn)差異化自動(dòng)擰緊。RFID中間件采用B/S架構(gòu)，開發(fā)語言為C#，數(shù)據(jù)庫為SQL，控制方式采用博途TIA-Portal-V16編程軟件控制程序自主開發(fā)，信息流的傳遞方式（圖9）。發(fā)動(dòng)機(jī)信息存入托盤RFID標(biāo)簽，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工位，讀寫器將讀取的信息，寫入MES與交換機(jī)，通過交換機(jī)傳入PLC及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，信息綁定成功后進(jìn)行反饋信號(hào)，通過超五類屏蔽線連接到交換機(jī)，每個(gè)工位通過雙鏈路接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余和高可用。上位機(jī)按通訊協(xié)議校驗(yàn)，從而保證主機(jī)與PLC的通信準(zhǔn)確無誤，且主機(jī)可向PLC寫數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)強(qiáng)近置位和復(fù)位的功能。

       5.3 電氣通信及控制方式

       采用BlandC編寫主機(jī)與PLC的通信程序，機(jī)器人通訊主要與PLC互通，當(dāng)PC接收到應(yīng)答字符ACK后，數(shù)據(jù)通信連通，實(shí)現(xiàn)三者PLC-機(jī)器人-上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。PC可對(duì)PLC內(nèi)各軟設(shè)備進(jìn)行讀、寫和強(qiáng)制ON/OFF操作。除開PLC的計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器的設(shè)定值采用常數(shù)時(shí)，文件寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2N系列PLC的所有開關(guān)量輸入、輸出以及各軟件設(shè)備對(duì)PC都是透明的。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的信息設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗嫉刂泛蛿?shù)據(jù)長(zhǎng)度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)信息能夠完整、準(zhǔn)確的傳送到設(shè)備PLC中。通過通訊代碼及指令控制機(jī)械臂沿XYZ軸直線運(yùn)動(dòng)，隨臂視覺系統(tǒng)對(duì)螺栓進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并通過I/O對(duì)機(jī)械臂完成位置反饋。

    6 應(yīng)用效果

       基于視覺引導(dǎo)的協(xié)作機(jī)器人油底殼螺栓智能擰緊裝置已在裝配線上成功實(shí)施（圖10），實(shí)現(xiàn)全系列發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓智能擰緊，節(jié)省人力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，并提高生產(chǎn)效率。

       （1）兩臺(tái)協(xié)作機(jī)器人聯(lián)合運(yùn)用，效率提升15.3%。

       （2）擰緊數(shù)據(jù)智能匹配，自動(dòng)上傳，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性。

       （3）全自動(dòng)裝配，避免人工擰緊穩(wěn)定性較差等因素造成的擰緊扭矩不到位問題，降低裝配返工率。

     7 結(jié)語

       隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與人工智能技術(shù)融合，協(xié)作機(jī)器人毋庸置疑的成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型和新技術(shù)應(yīng)用的絕佳平臺(tái)，這是實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”的重要舉措之一。本文闡述了協(xié)作機(jī)器人在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼螺栓智能擰緊過程中的應(yīng)用。采用倒掛式的應(yīng)用模式，借助視覺引導(dǎo)技術(shù)，創(chuàng)新性的開發(fā)研究空間三維反力抵消和重力平衡機(jī)構(gòu)，并基于RFID實(shí)現(xiàn)多機(jī)型程序的自動(dòng)調(diào)用，建立數(shù)據(jù)庫通訊，自動(dòng)匹配發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓擰緊程序，實(shí)現(xiàn)全機(jī)型自動(dòng)擰緊工藝要求，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。

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       來源：《中國(guó)設(shè)備工程》2022.09（上）