吳洪武，楊 溢，鄺欲光，瞿成桃，李 君

（1.德爾瑪（珠海）焊接自動(dòng)化技術(shù)有限公司，廣東珠海 519000；2.珠海漢迪自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)得到蓬勃發(fā)展，風(fēng)機(jī)安裝已從陸上延伸到海洋［1］，盡管發(fā)展迅速，但受限于國(guó)內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)水平，尤其是沒有兼具大作業(yè)半徑、大負(fù)載、小體積的輕便型機(jī)器人，同時(shí)輔助機(jī)器人作業(yè)的視覺識(shí)別系統(tǒng)也不成熟，國(guó)內(nèi)大部分風(fēng)機(jī)企業(yè)普遍采用人工作業(yè)方法［2］，即人工手持電動(dòng)扳手進(jìn)行輪轂與槳葉軸承的螺栓擰緊工作。

隨著國(guó)外自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，尤其是機(jī)器人技術(shù)和視覺技術(shù)的日趨成熟，國(guó)外風(fēng)機(jī)輪轂裝配已由傳統(tǒng)作業(yè)方法轉(zhuǎn)變?yōu)榘胱詣?dòng)化作業(yè)方法［3］，機(jī)器人承擔(dān)了螺栓擰緊的主要工作，操作人員僅需進(jìn)行設(shè)備定位、操控機(jī)器人動(dòng)作、防止干涉碰撞等輔助性工作，雖然各作業(yè)流程之間仍未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化動(dòng)作，但至少減少了50%的作業(yè)人數(shù)和降低了70%的勞動(dòng)強(qiáng)度。

隨著國(guó)外自動(dòng)化技術(shù)和產(chǎn)品的大力引進(jìn)，以及國(guó)內(nèi)人工成本的增加，人們對(duì)降低勞動(dòng)強(qiáng)度的渴望日趨強(qiáng)烈［4］，未來幾年，國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)企業(yè)將逐步采用半自動(dòng)化或者全自動(dòng)化淘汰現(xiàn)有的傳統(tǒng)作業(yè)方法，基于此發(fā)展趨勢(shì)，擬設(shè)計(jì)一種裝配專用工裝，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)輪轂與槳葉軸承裝配過程的全自動(dòng)化，本文從裝配工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手［5］，綜合機(jī)器人技術(shù)及其他自動(dòng)化技術(shù)，攻克了全自動(dòng)化作業(yè)過程中出現(xiàn)的各運(yùn)動(dòng)單元之間協(xié)同動(dòng)作、視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)單元協(xié)同動(dòng)作、螺栓擰緊過程中反作用力避免傳遞至機(jī)器人手臂等諸多難題，設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了模擬仿真運(yùn)動(dòng)，從理論上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，確保了作業(yè)過程中不會(huì)產(chǎn)生干涉與碰撞，同時(shí)計(jì)算出了整個(gè)作業(yè)時(shí)間，自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先，達(dá)到了降低施工人員數(shù)量和成本、降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率的目的。

1 傳統(tǒng)作業(yè)方法

風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率有1.5 MW、3 MW、5 WM、10 WM等多個(gè)規(guī)格，不同裝機(jī)功率對(duì)應(yīng)的輪轂球徑大小也不同，功率越大，輪轂球徑越大，輪轂球徑從2 m 多到6 m 多不等［6］，不同輪轂大小對(duì)應(yīng)的裝配人員數(shù)量、電動(dòng)扳手的規(guī)格、輪轂螺栓數(shù)量、螺栓擰緊力矩及擰緊次數(shù)、裝配梯子等都不同［7］。

以10 MW風(fēng)機(jī)輪轂裝配為例，10 MW風(fēng)機(jī)輪轂球徑6.5 m，螺栓安裝面直徑5.8 m，輪轂螺栓數(shù)量為180 顆，每顆螺栓規(guī)格為M42，根據(jù)工藝要求，需要分4 次逐步加力最終緊固，擰緊力分別為1 500 N·m、2 500 N·m、3 500 N·m、4 500 N·m（不同風(fēng)機(jī)廠10 MW風(fēng)機(jī)輪轂參數(shù)均有不同，以上數(shù)據(jù)僅供參考），根據(jù)輪轂球徑大小，需要搭建3 層梯子平臺(tái)進(jìn)行裝配作業(yè)，每層平臺(tái)有2 名作業(yè)人員，共計(jì)6 人，每人攜帶一把15 kg重量的電動(dòng)扳手進(jìn)行螺栓擰緊作業(yè)，由于電動(dòng)扳手重量較重，需在輪轂上安裝扳手懸掛裝置，以減小人員手持扳手負(fù)重力，完成上述螺栓的最終擰緊工作［8］，包括梯子平臺(tái)的搭建和拆除、扳手懸掛裝置的安裝和拆除、4 次螺栓擰緊等時(shí)間，合計(jì)需要約24 h，傳統(tǒng)作業(yè)方法如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)人工裝配輪轂

2 裝配專用工裝

10 MW風(fēng)機(jī)輪轂專用工裝具有軌道行走、平移、尋位、升降、旋轉(zhuǎn)等多種功能，通過控制系統(tǒng)與機(jī)器人聯(lián)動(dòng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)裝配作業(yè)過程中的全自動(dòng)化和無人化，裝配作業(yè)過程中僅需1人在機(jī)旁監(jiān)控即可，基本無勞動(dòng)強(qiáng)度，該工裝組成部分及主要功能介紹如下。

2.1 工裝組成部分

本工裝主要由行走機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、固定裝置、尋位裝置、升降機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，工裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 專用裝配工裝結(jié)構(gòu)

2.1.1 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪、行走輪、工裝底座組成，伺服電機(jī)通過減速機(jī)減速增扭后，減速機(jī)輸出端齒輪與行走輪上齒輪嚙合，經(jīng)過二次減速增扭后，驅(qū)動(dòng)行走輪在鋪設(shè)的軌道上精確行走。

2.1.2 平移機(jī)構(gòu)

平移機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪齒條組成，伺服電機(jī)通過減速機(jī)減速增扭后，減速機(jī)輸出端齒輪與工裝底座上齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)工裝在橫向位置的精確平移。

2.1.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪、回轉(zhuǎn)軸承組成，伺服電機(jī)通過減速機(jī)減速增扭后，減速機(jī)輸出端齒輪與回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)齒圈嚙合，實(shí)現(xiàn)工裝的精確回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

2.1.4 固定裝置

固定裝置由4 個(gè)氣缸組成，氣缸頂緊固定架，實(shí)現(xiàn)工裝的固定。

2.1.5 尋位裝置

尋位裝置由一套二維視覺系統(tǒng)組成，該視覺系統(tǒng)掃描到平面內(nèi)的定位點(diǎn)后，將位置坐標(biāo)反饋給信息處理中心，實(shí)現(xiàn)工裝的尋位功能。

2.1.6 升降系統(tǒng)

升降系統(tǒng)由4 套升降機(jī)構(gòu)組成，每套升降機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪齒條組成，伺服電機(jī)通過減速機(jī)減速增扭后，通過減速機(jī)輸出端齒輪與升降節(jié)臂上的齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)工裝節(jié)臂的精確伸縮，4 套升降機(jī)構(gòu)可以獨(dú)立動(dòng)作，也可以根據(jù)需要通過控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

2.1.7 擰緊機(jī)構(gòu)

擰緊機(jī)構(gòu)主要由機(jī)器人、電動(dòng)扳手、緩沖裝置組成，六軸機(jī)器人通過緩沖裝置與電動(dòng)扳手相連，完成螺栓的擰緊工作。

（1）電動(dòng)扳手

根據(jù)輪轂裝配扭矩要求，電動(dòng)扳手選用加拿大某進(jìn)口品牌，如圖3 所示，該扳手扭矩范圍為2 034～10 000 N·m，采用控制器驅(qū)動(dòng)，配合自帶反作用墊圈使用，可實(shí)現(xiàn)扭矩精確選擇。

圖3 電動(dòng)扳手

（2）緩沖裝置

該緩沖裝置如圖4 所示，主要用于抵消電動(dòng)扳手在擰緊螺栓的過程中，反作用力傳遞到機(jī)器人手臂上，損壞機(jī)器人，該緩沖器內(nèi)圈與電動(dòng)扳手相連，外圈與機(jī)器人手臂相連，擰緊作業(yè)過程中，內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)30°的情況下，可承受最大10 000 N·m的扭矩，可完全消除電動(dòng)扳手作業(yè)時(shí)對(duì)機(jī)器人手臂的沖擊，具有良好的緩沖效果。

圖4 電動(dòng)扳手緩沖器

（3）機(jī)器人

選用某品牌六軸機(jī)器人，如圖5 所示，該機(jī)器人作業(yè)半徑可達(dá)3 540 mm，手腕處最大負(fù)載可達(dá)100 kg，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，重復(fù)定位精度可達(dá)±0.05 mm，滿足螺栓的裝配精度要求。

圖5 機(jī)器人

2.2 工裝主要功能

要實(shí)現(xiàn)輪轂裝配過程中的全自動(dòng)化，必須解決兩大問題：（1）工裝自動(dòng)尋位定心的問題，因?yàn)檩嗇灧胖梦恢妹看味加衅?，而工裝軌道是固定的，因此需要進(jìn)行尋位固定，以便讓工裝上方的機(jī)器人每次都處于輪轂中心正下方；（2）機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別螺栓孔位置的問題，經(jīng)過自動(dòng)尋位定心后，機(jī)器人與輪轂的位置基本固定不變，但輪轂上孔位有加工誤差，需要讓機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別調(diào)整。

2.2.1 工裝尋位固定功能

實(shí)現(xiàn)該功能需要通過行走機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、尋位裝置、固定裝置及控制系統(tǒng)共同完成，風(fēng)機(jī)輪轂放置在運(yùn)輸?shù)鬃?，底座放置離地一定高度的墊塊上，運(yùn)輸?shù)鬃路矫嫔嫌? 處標(biāo)記點(diǎn)A 和B（A 和B 連線通過運(yùn)輸?shù)鬃鶊A心且對(duì)稱，運(yùn)輸?shù)鬃鶊A心與輪轂底孔圓心同心），如圖6 所示，具體操作流程如下。

圖6 工裝尋位功能

（1）通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，工裝行走至運(yùn)輸?shù)鬃鶚?biāo)記點(diǎn)A附近，此時(shí)尋位裝置可識(shí)別到點(diǎn)A 的位置坐標(biāo)，將此坐標(biāo)記錄并回傳。

（2）工裝控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)繼續(xù)行走至點(diǎn)B附近，尋位裝置識(shí)別點(diǎn)B的位置坐標(biāo)，記錄并回傳。

（3）通過A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出輪轂孔中心坐標(biāo)以及AB連線與行走方向的角度α，將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)計(jì)算出機(jī)器人小車下方行走X軸及Y軸各需要移動(dòng)的距離，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)前后、平移機(jī)構(gòu)左右移動(dòng)，使工裝行駛至輪轂底孔中心正下方。

（4）控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度α，并驅(qū)動(dòng)固定裝置的4 個(gè)氣缸往上伸出撐緊，使工裝和輪轂運(yùn)輸?shù)鬃斁o固定，完成尋位及固定動(dòng)作。

2.2.2 機(jī)器人尋位調(diào)整功能

實(shí)現(xiàn)該功能需要通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)共同完成，同時(shí)第一次機(jī)器人需要進(jìn)行示教，示教過后方可進(jìn)行螺栓擰緊工作，主要步驟如下。

（1）機(jī)器人示教

①機(jī)器人示教第一個(gè)螺絲孔時(shí)，操作員需要在旁邊觀看，如圖7 所示，精確標(biāo)定第一個(gè)孔的位置，并記錄保存機(jī)器人作業(yè)時(shí)的位置參數(shù)。

圖7 機(jī)器人示教

②完成第一個(gè)孔的標(biāo)定后，機(jī)器人通過三維視覺系統(tǒng)識(shí)別第二個(gè)孔X／Y／Z的位置，此時(shí)操作員可通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控及在輪轂外側(cè)觀察機(jī)器人姿態(tài)，利用視覺識(shí)別的X／Y／Z 值，手動(dòng)控制機(jī)器人完成第二個(gè)孔的位置標(biāo)定，以此類推，按裝配順序要求完成全部180 個(gè)螺絲孔的位置標(biāo)定。

③示教完成后，全部螺絲孔的作業(yè)順序及位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至控制系統(tǒng)。

（2）螺栓擰緊作業(yè)

①機(jī)器人示教完成后，對(duì)于不同的風(fēng)機(jī)輪轂，螺栓孔位存在加工誤差時(shí)，通過機(jī)器人手臂上的三維視覺系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別并將位置偏差反饋給控制系統(tǒng)（孔位偏差在±20 mm 范圍內(nèi)均可識(shí)別），控制系統(tǒng)控制機(jī)器人手臂進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整到位。

②工裝控制系統(tǒng)控制機(jī)器人及電動(dòng)扳手進(jìn)行擰緊作業(yè)，作業(yè)順序按照示教順序進(jìn)行，在作業(yè)過程中，工裝升降機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)協(xié)同作業(yè)，確保機(jī)器人手臂對(duì)所有螺栓孔全覆蓋，操作人員通過機(jī)旁監(jiān)控畫面監(jiān)控，如圖8 所示，確保作業(yè)正常。

圖8 機(jī)器人擰緊作業(yè)

③完成上述全部180 個(gè)螺栓第一道擰緊后，回至初始位，完成剩余3 道螺栓的擰緊，至此，全部擰緊工作結(jié)束，工裝退出輪轂，通過仿真分析計(jì)算，采用本工裝后，整個(gè)作業(yè)過程合計(jì)約16 h。

3 結(jié)束語

本裝配專用工裝的設(shè)計(jì)，解決了10 MW風(fēng)機(jī)輪轂與槳葉軸承螺栓裝配過程中最關(guān)鍵的各工序之間如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化銜接的問題，使風(fēng)機(jī)輪轂螺栓裝配真正實(shí)現(xiàn)了全過程完全自動(dòng)化。通過仿真模擬運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算得出，使用該專用工裝后，作業(yè)人數(shù)從傳統(tǒng)的6 人減少至1 人，降低了用人成本；高強(qiáng)度工作全部由機(jī)器人完成，人員僅需要輔助查看監(jiān)控畫面，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；作業(yè)時(shí)間從傳統(tǒng)的24 h縮短至16 h，提高了作業(yè)效率。本工裝的設(shè)計(jì)到達(dá)了預(yù)期的效果，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。