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|基于視覺引導的協(xié)作機器人在發(fā)動機裝配機http://www.lyjingtong.com/線的應用
為進一步挖掘和推廣具有原創(chuàng)性先進性的技術(shù)成果，以實際成效推進我省工業(yè)經(jīng)濟加力提速，由山東省總工會、中共山東省委網(wǎng)絡安全和信息化委員會辦公室、山東省科學技術(shù)廳、山東省工業(yè)和信息化廳、山東省人力資源和社會保障廳、共青團山東省委、山東省科學技術(shù)協(xié)會、山東電子學會、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（以下簡稱“大賽”）。為更好的做出大賽項目成果總結(jié)，推動智能制造優(yōu)秀解決方案、典型應用的落地及推廣，經(jīng)研究討論，于2023年3月15日起推出“大賽項目成果巡展”系列推送工作，供有關(guān)方面學習借鑒。
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)秀項目成果展
協(xié)作機器人作為一種新興的機器人解決了人和機器人不能在同一空間同時作業(yè)的問題，在智能制造領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。以發(fā)動機裝配線油底殼螺栓智能擰緊為例，對協(xié)作機器人的選擇模擬、控制通信、視覺引導、機械設計、空間三維反力抵消、重力平衡等進行了多方面探討。創(chuàng)新性的開發(fā)研究空間三維反力抵消和重力平衡機構(gòu)，借助視覺引導技術(shù)，采用倒掛式的應用模式，設計多套程序的數(shù)據(jù)庫邏輯，運用RFID實現(xiàn)多機型 程序的自動調(diào)用，自動匹配發(fā)動機螺栓擰緊程序，實現(xiàn)全機型自動擰緊工藝要求，為協(xié)作機器人在發(fā)動機裝配線的應用提供了一種解決方案。
有了協(xié)作機器人的加入，過去一些復雜到只能通過人工完成的操作，如今可在人與機器的協(xié)作下完成，大幅降低用人成本與勞動強度，因此設計開發(fā)基于視覺引導的協(xié)作機器人油底殼螺栓智能擰緊裝置，主要由視覺引導機構(gòu)、擰緊機構(gòu)、空間三維反力抵消機構(gòu)、RFID、工件定位機構(gòu)、數(shù)據(jù)庫及電氣控制部分組成，具備防錯功能且與線體聯(lián)動，實現(xiàn)技術(shù)新突破。
1 前言
協(xié)作機器人是繼桁架機械手、關(guān)節(jié)機器人之后一種全新的機器人種類，在中、輕重量零件的制造加工、裝配方面優(yōu)勢突出，并且能真正參與到復雜的人機交互、人機協(xié)同作業(yè)中，也是未來的發(fā)展趨勢，助力智能制造的發(fā)展。WZY生產(chǎn)線油底殼自動擰緊工序主要生產(chǎn)H機型、WP10、WD12三大系列，WP10、WD12油底殼擰緊螺栓數(shù)量為12個，H機型油底殼螺栓擰緊數(shù)量為16個，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)作機器人在發(fā)動機油底殼螺栓智能擰緊過程中的應用，采用倒掛式的應用模式，借助視覺引導技術(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構(gòu)，并基于RFID實現(xiàn)多機型程序的自動調(diào)用，建立數(shù)據(jù)庫通訊，自動匹配發(fā)動機螺栓擰緊程序，實現(xiàn)全機型自動擰緊工藝要求。
2 發(fā)動機油底殼作用及協(xié)作機器人介紹
2.1 油底殼作用
油底殼是發(fā)動機的重要組成部分，是發(fā)動機儲存機油的容器，同時收集和儲存流回的機油，散熱并防止機油氧化，同時油底殼底部帶有放油螺塞，保養(yǎng)時從油底殼放油螺塞處放出氧化的機油。
2.2 協(xié)作機器人介紹
1995年美國西北大學愛德華和邁科爾博士提出合作機器人(Collaborative Robot，Cobot)。2009年優(yōu)傲公司推出首款產(chǎn)品UR5（圖1），2015年沈陽新松機器人公司推出七軸柔性協(xié)作機器人，而協(xié)作機器人被廣泛地應用在各個領(lǐng)域，成為中國智能制造2025的一個重要標志。具備以下特點：
（1）輕量化。使機器人更易于控制，提高安全性。
（2）友好性。保證機器人的表面和關(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作行為。
（4）人機協(xié)作。具有敏感的力反饋特性，當達到已設定的力時會立即停止，在風險評估后可不需要安裝保護欄，使人和機器人能協(xié)同工作。
（5）編程方便。對于一些普通操作者和非技術(shù)背景的人員來說，都非常容易進行編程與調(diào)試。
3 設計開發(fā)應用思路
借助協(xié)作機器人，運用視覺引導技術(shù)、RFID技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，設計開發(fā)基于視覺引導的協(xié)作機器人油底殼螺栓智能擰緊裝置（圖2），主要由視覺引導機構(gòu)、擰緊機構(gòu)、空間三維反力抵消機構(gòu)、RFID、工件定位機構(gòu)、數(shù)據(jù)庫及電氣控制部分組成，具備防錯功能且與線體聯(lián)動，實現(xiàn)技術(shù)新突破。由于空間局限，采用協(xié)作機器人倒掛方案，借助RFID識別機型，應用視覺引導機器人準確擰緊，保證裝配的一致性。
3.1 硬件結(jié)構(gòu)
（1）工件定位機構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場位置，專項設計開發(fā)自適應定位機構(gòu)用于發(fā)動機準確預定位。
（2）空間三維反力抵消機構(gòu)。通過三維仿真模擬，設計空間三維反力抵消機構(gòu)，用于抵消擰緊軸擰緊時的反抗力，保證協(xié)作機器人不出現(xiàn)受力報警。
3.2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
（1）RFID機構(gòu)。用于機型識別，判斷機型，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)不同機型實現(xiàn)油底殼螺栓自動擰緊，擰緊數(shù)據(jù)自動保存、上傳。
3.3 視覺引導結(jié)構(gòu)
發(fā)動機經(jīng)過預定位后，通過視覺相機拍照，自動計算偏移尺寸及角度，實現(xiàn)準確定位(圖2)。
4 整體結(jié)構(gòu)及機械部分功能
通過三維軟件模擬仿真，其中機械部分主要由空間三維反力抵消機構(gòu)、重力平衡機構(gòu)、定位機構(gòu)、擰緊機構(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構(gòu)
由于協(xié)作機器人負載較小，擰緊軸在擰緊過程中會產(chǎn)生反力，直接反饋給協(xié)作機器人，導致機器人報警，為解決擰緊軸反力問題提出并設計空間三維反力抵消機構(gòu)（圖4），三軸都可獨立運動，Z軸采用平衡氣缸抵消重力，擰緊軸反力會傳遞給三軸反力抵消機構(gòu)，協(xié)作機器人只需要走坐標即可完成擰緊過程。
圖4 放大圖片
圖4 擰緊軸反力抵消裝置組件
4.2 重力平衡機構(gòu)
由于機器人采用吊裝式安裝，在機器人工作時，極易導致機器人移動過程中報警，因此通過計算擰緊機構(gòu)的負載，設計制作重力平衡機構(gòu)（圖5）。
圖5 放大圖片
圖5 重力平衡機構(gòu)
利用機構(gòu)的支撐力來抵消機器人及擰緊機構(gòu)的重力，當機器人下探擰緊時，使其壓力增大，給機構(gòu)一個向上反作用力，多余的壓力從減壓閥處排除，向上移動則反之，這樣就能夠使機器人在移動時達到一個平衡狀態(tài)。
4.3 三位一體精確定位機構(gòu)
一般在發(fā)動機裝配線上，普遍采用插銷定位或者舉升定位的方式實現(xiàn)托盤二次定位，從而滿足各類定位功能需求，但此種方式只對托盤的定盤起到精確定位的作用，動盤還會存在間隙，因此設計三位一體發(fā)動機精確定位機構(gòu)（圖6）。當托盤進入工位前止檔氣缸升起，對發(fā)動機托盤進行預定位。托盤底部帶有定位銷孔，當發(fā)動機到位后，對托盤進行定位插銷，同時側(cè)面動盤定位機構(gòu)伸出，對動盤進行精確定位，保證視覺拍照時發(fā)動機螺栓孔位置準確。
圖6 放大圖片
圖6 定位機構(gòu)
4.4 擰緊機構(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緊原理設計出擰緊機構(gòu)，如圖7。
5 視覺引導及電氣通信
5.1 視覺引導技術(shù)
視覺技術(shù)，類似如人的一雙“眼睛”，所謂機器視覺技術(shù)，就是給機器設備配置上“眼睛”，通過邏輯計算使得機器設備具備人的視覺功能：能識別物體和定位物體。利用視覺相機進行拍照定位，將協(xié)作機器人與相機標定在同一坐標系，工件到位后，協(xié)作機器人根據(jù)RFID反饋數(shù)值移動到拍照位，相機1、2分別進行拍照，相機計算工件偏移量及偏移角度反饋給PLC，PLC根據(jù)數(shù)值計算引導協(xié)作機器人進行位置補償位置，完成擰緊任務（如圖8）。
5.2 RFID機構(gòu)
通過RFID電子標簽自主識別不同機型的發(fā)動機，對比調(diào)用不同擰緊參數(shù)，能對多種機型實現(xiàn)差異化自動擰緊。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)動機信息存入托盤RFID標簽，當發(fā)動機進入工位，讀寫器將讀取的信息，寫入MES與交換機，通過交換機傳入PLC及數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)綁定，信息綁定成功后進行反饋信號，通過超五類屏蔽線連接到交換機，每個工位通過雙鏈路接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡冗余和高可用。上位機按通訊協(xié)議校驗，從而保證主機與PLC的通信準確無誤，且主機可向PLC寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)單點強近置位和復位的功能。
5.3 電氣通信及控制方式
采用BlandC編寫主機與PLC的通信程序，機器人通訊主要與PLC互通，當PC接收到應答字符ACK后，數(shù)據(jù)通信連通，實現(xiàn)三者PLC-機器人-上位機的數(shù)據(jù)通訊。PC可對PLC內(nèi)各軟設備進行讀、寫和強制ON/OFF操作。除開PLC的計時器和計數(shù)器的設定值采用常數(shù)時，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、輸出以及各軟件設備對PC都是透明的。根據(jù)發(fā)動機的信息設定數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗嫉刂泛蛿?shù)據(jù)長度，保證發(fā)動機信息能夠完整、準確的傳送到設備PLC中。通過通訊代碼及指令控制機械臂沿XYZ軸直線運動，隨臂視覺系統(tǒng)對螺栓進行自動識別，并通過I/O對機械臂完成位置反饋。
6 應用效果
基于視覺引導的協(xié)作機器人油底殼螺栓智能擰緊裝置已在裝配線上成功實施（圖10），實現(xiàn)全系列發(fā)動機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）兩臺協(xié)作機器人聯(lián)合運用，效率提升15.3%。
（2）擰緊數(shù)據(jù)智能匹配，自動上傳，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性。
（3）全自動裝配，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
隨著機器人產(chǎn)業(yè)與人工智能技術(shù)融合，協(xié)作機器人毋庸置疑的成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型和新技術(shù)應用的絕佳平臺，這是實現(xiàn)“中國制造2025”的重要舉措之一。本文闡述了協(xié)作機器人在發(fā)動機油底殼螺栓智能擰緊過程中的應用。采用倒掛式的應用模式，借助視覺引導技術(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構(gòu)，并基于RFID實現(xiàn)多機型程序的自動調(diào)用，建立數(shù)據(jù)庫通訊，自動匹配發(fā)動機螺栓擰緊程序，實現(xiàn)全機型自動擰緊工藝要求，進而提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。
參考文獻：
[1] 屈創(chuàng),王琪.發(fā)動機油底殼四軸螺栓擰緊機的設計[J].組合機床與自動化加工技,2016(12):141-143+147.
[2]MOORECA，PESHKIN M A，COLGATE J E．Design of a 3R cobot using continuous variable transmissions[C]//Proceedings of 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation．Detroit，MI，USA:IEEE，1999:3249-3254．
[3] 霍淑珍,何志超.協(xié)作機器人在智能制造中的應用[J].機床與液壓,2021,49(09):62-66.
[4] 樸松昊，譚慶吉，湯承江，孫福才.工業(yè)機器人技術(shù)基礎[M],中國鐵道出版社,2018.06.
[5] 黃恭偉.螺紋擰緊技術(shù)研究及擰緊機控制系統(tǒng)設計[D].合肥工業(yè)大學,2007.
來源：《中國設備工程》2022.09（上）
