孫振軍， 吳 勇

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司 上海 200241

1 應(yīng)用背景

隨著信息化與制造業(yè)的融合和智能制造的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用［1］。工業(yè)機(jī)器人在大型工件裝配方面，可替代勞動(dòng)者手工作業(yè)完成裝配任務(wù)，并表現(xiàn)出更好的裝配質(zhì)量和更高的裝配效率［2］。目前，工業(yè)機(jī)器人在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配中應(yīng)用較少，很多方面幾乎是空白。隨著人力勞動(dòng)成本的增加、生產(chǎn)人員對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求的提高，以及制造工藝的改變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)制造企業(yè)需要建立自動(dòng)化及智能化裝配系統(tǒng)來(lái)更好地完成整機(jī)裝配作業(yè)。筆者重點(diǎn)介紹工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配中的應(yīng)用。

2 機(jī)器人裝配平臺(tái)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配中，采用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)安裝緊固件方法，結(jié)合視覺(jué)定位和柔性機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人對(duì)大工件的準(zhǔn)確定位和大出力操作。機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的關(guān)鍵技術(shù)包括三維視覺(jué)定位技術(shù)、機(jī)器人狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器人軟件仿真技術(shù)。

基于工業(yè)機(jī)器人為裝配操作中心構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配平臺(tái)，如圖1所示。該平臺(tái)共包括四部分：① 工件定位系統(tǒng)，主要包括平臺(tái)、伺服電機(jī)、回轉(zhuǎn)支承、定位工裝；② 工業(yè)機(jī)器人，包括底座、機(jī)械臂；③ 機(jī)器視覺(jué)定位和誤差補(bǔ)償系統(tǒng)；④執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括螺栓拉伸器。

伺服電機(jī)和回轉(zhuǎn)支承組成了轉(zhuǎn)臺(tái)子系統(tǒng)，通過(guò)編碼器脈沖反饋和伺服驅(qū)動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪轂變槳軸承組件三個(gè)工作面的工件定位。

機(jī)械臂采用六關(guān)節(jié)型，借助機(jī)械臂移動(dòng)范圍大、自由度高的特點(diǎn)，配合視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)輪轂的多點(diǎn)檢測(cè)。機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝有液壓拉伸器和視覺(jué)傳感器。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配平臺(tái)

機(jī)器視覺(jué)由一個(gè)普通二維相機(jī)和一個(gè)十字交叉的激光傳感器組成，由機(jī)械視覺(jué)定位來(lái)補(bǔ)償機(jī)器人的空間位置和方位誤差。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液壓拉伸器，借助高壓泵提供的液壓動(dòng)力，通過(guò)控制拉伸器壓力，進(jìn)而控制螺栓的安裝預(yù)緊力。

3 裝配設(shè)計(jì)難點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人裝配設(shè)計(jì)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配平臺(tái)的關(guān)鍵。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的特點(diǎn)，主要難點(diǎn)包括大型零部件定位、螺栓預(yù)緊力控制和人機(jī)安全策略等。

3.1 大型零部件定位

大型零部件定位精度主要包括加工誤差、裝配誤差和工業(yè)機(jī)器人的定位誤差等。

通過(guò)視覺(jué)補(bǔ)償可以提高工業(yè)機(jī)器人的定位精度。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配的特點(diǎn)，提出了采用二維視覺(jué)定位與三維視覺(jué)定位相結(jié)合的方法。機(jī)器人視覺(jué)標(biāo)定是機(jī)器人離線編程的核心，視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定是機(jī)器人靈活應(yīng)用的關(guān)鍵［3］。筆者不對(duì)視覺(jué)傳感器的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定做研究，而是重點(diǎn)介紹視覺(jué)傳感器外部參數(shù)的測(cè)量和補(bǔ)償方法［4］。

采用浮動(dòng)支承減小裝配時(shí)的反作用力。通過(guò)順從傳感器和機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的柔性化作業(yè)［5］，避免由于螺栓在擰緊時(shí)產(chǎn)生巨大反作用力對(duì)機(jī)器人造成傷害。

3.2 螺栓預(yù)緊力控制

液壓拉伸器在鎖緊或拆卸螺栓時(shí)，螺栓只受拉伸力正向作用，消除了擰緊螺母時(shí)因摩擦而產(chǎn)生力的損耗和螺桿扭力的分解［6］。工業(yè)機(jī)器人與液壓拉伸器建立信息聯(lián)系，保證液壓拉伸器的壓力控制精度，從而控制螺栓預(yù)緊力的精度和離散度。

3.3 人機(jī)安全策略

配置安全光幕、安全掃描區(qū)及安全門(mén)開(kāi)關(guān)等多種安全器件，形成可靠的安全電氣硬線回路，保證工人在作業(yè)面的人身安全。

4 視覺(jué)定位技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配中，要求工業(yè)機(jī)器人識(shí)別安裝平面螺栓孔的位置，并且將螺栓垂直于安裝平面放入螺栓孔內(nèi)。對(duì)于螺栓孔中心點(diǎn)而言，實(shí)際構(gòu)成了一個(gè)由X、Y、Z、Rx、Ry、Rz構(gòu)成的六自由度空間位置點(diǎn)。

視覺(jué)傳感器由一個(gè)普通二維相機(jī)和一個(gè)十字交叉的激光傳感器組成，如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)六自由度的檢測(cè)。激光傳感器在相機(jī)焦平面上投射兩道十字交叉的激光線，利用三角反射原理得到垂直方向的數(shù)據(jù)集。普通二維相機(jī)獲取二維平面數(shù)據(jù)。通過(guò)將二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)相擬合，最終得到一個(gè)六自由度的三維空間坐標(biāo)。

圖2 視覺(jué)傳感器

空間一個(gè)點(diǎn)H相對(duì)于機(jī)械手臂坐標(biāo)原點(diǎn)O的實(shí)際位置為（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz），轉(zhuǎn)換成相機(jī)坐標(biāo)系OXYZp下的位置（Xp，Yp，Zp），R為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，T為位置誤差，則有：

令Rx＝α、Ry＝β、Rz＝γ，計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣：

二維相機(jī)坐標(biāo)位置為 MP（Xp，Yp），Z軸旋轉(zhuǎn)角度Rz＝γ。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償初始位置為當(dāng)前點(diǎn)，T＝0，從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置，實(shí)際移動(dòng)為M（ΔX，ΔY），相機(jī)坐標(biāo)移動(dòng)位置為 MP（ΔXp，ΔYp），Z軸不移動(dòng)，則有：

計(jì)算得到γ，將γ代入得到移動(dòng)位置MP（Xp，Yp），進(jìn)而得到目標(biāo)實(shí)際位置為＝H1（X，Y，Rz）。

5 位置補(bǔ)償技術(shù)

激光傳感器在相機(jī)焦平面上投射兩道十字交叉的激光線，由三角反射原理得到垂直方向的數(shù)據(jù)集［7］。三角反射原理如圖3所示，將激光線由發(fā)射點(diǎn)A投射到物體表面B，經(jīng)過(guò)物體表面漫反射得到投影點(diǎn)E，經(jīng)過(guò)測(cè)得AE的距離，計(jì)算到B點(diǎn)的實(shí)際距離。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，如果B點(diǎn)移動(dòng)到C點(diǎn)，則投影E點(diǎn)將移動(dòng)到F點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算可以得到移動(dòng)距離ZP，如果物體平面與相機(jī)平面夾角為α，那么實(shí)際法向距離Z＝Zpcosα。

假定空間一個(gè)點(diǎn)H相對(duì)于機(jī)械手臂坐標(biāo)原點(diǎn)O的實(shí)際位置為（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz），激光傳感器坐標(biāo)位置為 MP（Xp、Yp），X 軸旋轉(zhuǎn)角度Rx＝α，Y軸旋轉(zhuǎn)角度Ry＝β。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償初始位置為當(dāng)前點(diǎn)，T＝0，從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置，實(shí)際移動(dòng)為M（ΔZ），相機(jī)坐標(biāo)移動(dòng)位置為MP（ΔXp，ΔYp），X和Y軸不移動(dòng)，則有：

圖3 三角反射原理

計(jì)算得到（α，β），將（α，β）代入，得到移動(dòng)位置MP（Xp，Yp），進(jìn)而得到目標(biāo)實(shí)際位置為 H2（Z，Rx，Ry）。

由H1和H2組合成實(shí)際點(diǎn)的位置H＝（X，Y，Z，Rx，Ry，Rz）。

6 狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)

狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人工作狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示［8］，可在中控計(jì)算機(jī)和聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)終端設(shè)備上監(jiān)視機(jī)器人的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

7 軟件仿真技術(shù)

通過(guò)軟件仿真技術(shù)［9］，在計(jì)算機(jī)中模擬機(jī)器人安裝和擰緊的實(shí)際工作過(guò)程，為方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)位置布局、可行性分析、生產(chǎn)節(jié)拍驗(yàn)證等一些列工作提供理論依據(jù)。

8 項(xiàng)目工作流程

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配工作流程如下。

（1）將預(yù)安裝變槳軸承的輪轂吊裝至轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)回到工作位置，啟動(dòng)機(jī)械臂。

（2）粗定位。機(jī)械臂移動(dòng)到指定位置，對(duì)葉片軸承上三個(gè)120°分度角的螺栓孔進(jìn)行拍照，聯(lián)立求出三角形外接圓圓心和法向基準(zhǔn)工作面，并求解單個(gè)螺栓孔的參考位置。

（3）機(jī)械臂拾取螺栓，并通過(guò)動(dòng)態(tài)定位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)最終定位，具體步驟為：① 根據(jù)粗定位接近目標(biāo)點(diǎn)；② 采用二維定位，移動(dòng)到螺栓孔位置；③ 采用三維定位，調(diào)整螺栓垂直于安裝面；④ 將螺栓安裝于螺栓孔。

（4）啟動(dòng)液壓拉伸器，通過(guò)旋入套筒、扣緊螺栓、升壓并擰緊螺母、泄壓并旋出套筒、分離螺栓共五個(gè)步驟完成對(duì)螺栓的緊固。

（5）操作過(guò)程中系統(tǒng)記錄壓力值、保壓時(shí)間，螺母擰緊角度及最終擰緊后的扭矩。

9 平臺(tái)應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配平臺(tái)實(shí)物如圖4所示，目前已成功應(yīng)用于車間實(shí)際裝配操作工序中。

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配平臺(tái)實(shí)物

機(jī)器人平臺(tái)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，通過(guò)可編程序控制器基于輸入輸出信號(hào)直接控制工件定位等。其中拉伸器控制、人機(jī)界面與可編程序控制器通過(guò)工業(yè)Pr ofinet網(wǎng)絡(luò)連接，機(jī)械臂與可編程序控制器通過(guò)Pr ofibus-DP總線連接。視覺(jué)定位直接由機(jī)器人控制器控制。

采用工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)定位和位置補(bǔ)償技術(shù)，提高了工業(yè)機(jī)器臂的運(yùn)行精度。圖6所示為機(jī)械臂定位單個(gè)螺紋孔的位置和方位。通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量分析，平臺(tái)機(jī)械手臂的單方向位置誤差不大于0.3 mm，單方向方位誤差不大于0.04°，安裝500 mm螺栓定位綜合誤差不大于0.92 mm，極限誤差不大于1.2 mm。根據(jù)螺栓孔與螺栓的設(shè)計(jì)直徑間隙3 mm、單邊間隙1.5 mm，平臺(tái)機(jī)械臂的精度完全滿足螺栓的安裝要求。通過(guò)機(jī)械臂的浮動(dòng)支承裝置，消除定位誤差產(chǎn)生的安裝應(yīng)力，保證了機(jī)械臂的安全運(yùn)行。

圖5 機(jī)器人平臺(tái)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 機(jī)械臂定位螺栓孔位置和方位

10 結(jié)論和展望

風(fēng)力發(fā)電是再生能源的主要形式，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)是全球眾多國(guó)家解決能源和環(huán)境問(wèn)題的重要手段。應(yīng)用了工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承裝配平臺(tái)解決了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安裝中存在的大累積誤差、多自由度定位和重載等弊端。應(yīng)用中，視覺(jué)定位和位置補(bǔ)償技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。這一平臺(tái)提高了變槳軸承的裝配質(zhì)量，降低了工序?qū)θ说囊蕾囆?，以及工人的勞?dòng)強(qiáng)度，解決了因人員疲勞引發(fā)的安全隱患和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等一系列問(wèn)題［10］，為工業(yè)機(jī)器人在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配中的應(yīng)用提供了參考。