陳 凱，黃丙慶

（山東中車同力達(dá)智能機械有限公司，濟南 250022）

基于視覺的發(fā)動機飛輪機器人擰緊系統(tǒng)

陳 凱，黃丙慶

（山東中車同力達(dá)智能機械有限公司，濟南 250022）

針對柔性制造的發(fā)展為飛輪螺栓擰緊帶來的新問題，為了更好地保證發(fā)動機飛輪緊固質(zhì)量，設(shè)計提出一種基于視覺的發(fā)動機飛輪機器人擰緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)相機檢測計算飛輪螺栓的位置，通過機器人帶動擰緊軸實現(xiàn)全自動無人作業(yè)。伺服電機帶動兩根擰緊軸自動變換中心距，通過自動套筒工裝實現(xiàn)套筒自動切換，該設(shè)計滿足了不同型號飛輪的混線生產(chǎn)要求，提升了生產(chǎn)效率，提高了裝配質(zhì)量。

擰緊機；飛輪；工業(yè)相機；機器人

0 引言

發(fā)動機后端帶齒圈的金屬圓盤稱為飛輪（Flywheel），飛輪是發(fā)動機的關(guān)鍵安全件，其功能是調(diào)節(jié)發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速變化，起穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。在目前的發(fā)動機飛輪生產(chǎn)中，已普遍采用定扭矩螺栓擰緊機，然而其自動化程度較低，同時由于市場需求的多樣性，汽車業(yè)由傳統(tǒng)的單品種、大批量生產(chǎn)方式向多品種、中小批量及“變種變量”的生產(chǎn)方式過渡，柔性制造的發(fā)展使得在發(fā)動機飛輪螺栓擰緊工位不同機型的中心距、扭矩等工藝參數(shù)完全不同，但是目前市場上飛輪螺栓擰緊機無法滿足汽車柔性制造流水線的生產(chǎn)要求。

針對柔性制造的發(fā)展為飛輪螺栓擰緊帶來的新問題，為了更好地保證發(fā)動機飛輪緊固質(zhì)量，本文設(shè)計提出一種基于視覺的發(fā)動機飛輪機器人擰緊系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)相機檢測計算飛輪螺栓的位置，通過機器人帶動擰緊軸實現(xiàn)全自動無人作業(yè)。伺服電機帶動兩根擰緊軸自動變換中心距，通過自動套筒工裝實現(xiàn)套筒自動切換，該設(shè)計滿足了不同型號飛輪的混線生產(chǎn)要求，提升了生產(chǎn)效率，提高了裝配質(zhì)量，本設(shè)計通過與玉柴動力合作實現(xiàn)了設(shè)計的生產(chǎn)應(yīng)用。

1 發(fā)動機飛輪擰緊工藝

6A/6B/6J機型柴油發(fā)動機飛輪螺栓最大力矩要求輸出230N.m，分為8螺栓飛輪、7螺栓飛輪兩種產(chǎn)品系列，采用2軸擰緊機分四次對角擰緊。飛輪分布如圖1所示，扭矩與螺栓分布如表1所示。

圖1 8顆螺栓的飛輪實物圖

表1 飛輪擰緊工藝表

2 機器人擰緊系統(tǒng)的機構(gòu)及工作原理

本文提出的機器人擰緊系統(tǒng)主要由機器人系統(tǒng)、承載框架、2軸擰緊系統(tǒng)、伺服變徑機構(gòu)、套筒快換機構(gòu)、相機光源系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成。圖2為本文所介紹的機器人擰緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中機器人系統(tǒng)帶動整個機構(gòu)移動定位，擰緊軸、變徑系統(tǒng)、相機等固定在承載框架上，變徑系統(tǒng)通過伺服電機與絲杠傳動帶動兩根擰緊軸移動，實現(xiàn)擰緊軸中心距變換，當(dāng)需要進行套筒更換時，機器人帶動整個機構(gòu)移動到套筒變換工裝位置上方進行套筒自動更換。

圖2 框架式擰緊機結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程如下：流水線發(fā)動機運轉(zhuǎn)至擰緊工位，首先由舉升定位裝置頂升并定位，機器人系統(tǒng)利用工業(yè)相機檢測系統(tǒng)自動檢測螺栓的相位及角度變換，依次實現(xiàn)每一組螺栓的擰緊；當(dāng)飛輪螺栓的角度相位不同時，機器人能自動調(diào)整擰緊軸的角度，擰緊軸的套筒能自動套入螺栓頭內(nèi)。

3 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)采用基于西門子Profibus總線結(jié)構(gòu)，主要包含：主控PLC（S7-315）、ABB機器人系統(tǒng)、2軸擰緊系統(tǒng)、S120系列伺服系統(tǒng)、RFID讀碼系統(tǒng)、TP1200觸摸屏等電氣元件組成。主控PLC通過Profinet總線與MES系統(tǒng)集成，視覺系統(tǒng)通過以太網(wǎng)總線與機器人系統(tǒng)相連，系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 機器人系統(tǒng)

根據(jù)擰緊工藝要求，本系統(tǒng)選擇采用ABB IRB6640機器人作為擰緊系統(tǒng)移動負(fù)載體，IRB6640是一款高產(chǎn)能且適合各類應(yīng)用的6軸機器人產(chǎn)品，有效載荷235 kg，適合眾多重型工件搬運。

3.2 工業(yè)相機系統(tǒng)

為更有效配合機器人系統(tǒng)帶動擰緊機構(gòu)運動，本文設(shè)計的工業(yè)相機系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)總線連接到機器人控制器中，相機與控制器通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進行通訊。根據(jù)螺栓的尺寸與分布，我們選擇使用200萬像素康奈視IS7000工業(yè)相機作為視覺系統(tǒng)主要元件。

圖4 工業(yè)相機連接圖

3.3 擰緊系統(tǒng)

本文提出的系統(tǒng)軸擰軸采用瑞典阿特拉斯的PowerMACS4000擰緊軸系統(tǒng)，PowerMACS 4000系統(tǒng)是模塊概念型系統(tǒng)，采用了全新的高智能擰緊控制器和工藝組態(tài)軟件，并提供廣泛的外圍設(shè)備支持和通訊接口，根據(jù)飛輪扭矩以及螺栓間距要求，本系統(tǒng)采用350Nm偏置擰緊軸QST62-350COT-T50。

3.4 S120伺服系統(tǒng)

西門子SINAMICS S120可以勝任各個工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中要求苛刻的驅(qū)動任務(wù)，它采用書本型模塊化設(shè)計，內(nèi)部總線型結(jié)構(gòu)，具有定位精度高與運動控制靈活高效等特點。在本系統(tǒng)中選用帶絕對式編碼器伺服電機，在軟件中采用絕對位置系統(tǒng)，這樣可以避免回零操作，提高系統(tǒng)的運行效率，同時通過中心距監(jiān)控保證運行安全。

4 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

本文提出的機器人系統(tǒng)軟件分為PLC系統(tǒng)軟件、機器人系統(tǒng)軟件、相機軟件、MES采集軟件四部分。PLC系統(tǒng)使用西門子TIA博途軟件系統(tǒng)，博途作為西門子一切未來軟件工程組態(tài)包的基礎(chǔ)，可對西門子全集成自動化中所涉及的所有自動化和驅(qū)動產(chǎn)品進行組態(tài)、編程和調(diào)試。在本文提出的系統(tǒng)中，軟件組態(tài)如圖4所示。

4.1 PLC軟件流程設(shè)計

PLC軟件采用STL語言進行編寫。飛輪螺栓擰緊過程可分為發(fā)動機進入擰緊工位→讀取RFID值→根據(jù)產(chǎn)品選擇套筒選擇器選型→機器人自動檢測螺栓的相位→擰緊機套筒認(rèn)帽→開始擰緊→按預(yù)先設(shè)置的程序開始力矩法擰緊→（更換螺栓位置）機器人自動檢測螺栓的相位→擰緊機套筒認(rèn)帽→開始擰緊→依次類推直至全部擰緊。

圖5 系統(tǒng)組態(tài)

4.2 機器人與視覺系統(tǒng)通訊實現(xiàn)

機器人系統(tǒng)與視覺系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議進行通訊，IRB6640機器人編程采用類C語言編程方式，編程簡單，應(yīng)用靈活。本文將視覺系統(tǒng)設(shè)置為Server端，機器人控制作為Client端，機器人程序流程如下：創(chuàng)建Socket→連接Socket→發(fā)送用戶名密碼登陸相機→讀取相機數(shù)據(jù)→關(guān)閉通訊連接。

4.3 視覺定位與計算

任何機器視覺應(yīng)用中的最初一步—通常也是決定該應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵一步是在視覺相機的視野內(nèi)定位物體，該過程也稱為圖案匹配。圖案匹配有時會非常困難，因為許多變量都能影響到物體在視覺系統(tǒng)中的顯示方式。本文介紹的機器人系統(tǒng)視覺系統(tǒng)通過康奈視PatMax技術(shù)識別定位技術(shù)的實現(xiàn)。

圖7為飛輪螺栓在視覺系統(tǒng)中的識別效果圖，相機拍攝圖像后，首先識別特征基準(zhǔn)點，根據(jù)飛輪特點，我們將定位銷設(shè)為識別基準(zhǔn)。設(shè)置螺栓外形特征，通過與螺栓外形相比對確定螺栓在系統(tǒng)中相對基準(zhǔn)點位置坐標(biāo)，計算對角螺栓中心連接線，通過計算連線交點即可

圖6 缸蓋螺栓擰緊過程

圖7 上位機軟件架構(gòu)圖

【】【】確定中心點坐標(biāo)，最后將各個螺栓相對中心點位置坐標(biāo)值發(fā)動到機器人系統(tǒng)中，即可完成對飛輪螺栓的定位識別過程。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計提出了基于視覺的發(fā)動機飛輪機器人擰緊系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及軟硬件實現(xiàn)。本設(shè)計通過與玉柴動力合作實現(xiàn)了設(shè)計的生產(chǎn)應(yīng)用，成功解決了柴油機飛輪生產(chǎn)多品種、中小批量及多品種共線生產(chǎn)的問題，極大地提高了生產(chǎn)線的智能化水平，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的效益。

[1] 李君蘭.面向芯片封裝的機器視覺精密定位系統(tǒng)的研究[D].天津大學(xué),2010.

[2] 陳凱,邊群星.基于以太網(wǎng)總線的全自動汽車U形螺栓擰緊機[J].機床與液壓,2014,(14)：06-08.

[3] PowerMACS 4000Userguide[R].Atlas copco,2013,(09).

[4] ABB RoboticsProduct manualIRC5[R].ABB,3HAC047136-001.

Design and application of diesel engine cylinder head automatic screwing machine

CHEN Kai, HUANG Bing-qing

TP249

：A

：1009-0134(2017)05-0001-03

2017-01-16

陳凱（1981 -），男，山東臨邑人，工學(xué)碩士，研究方向為工廠自動化及應(yīng)用工程研究。