吳連偉，李文博，欒建偉，王平，代志勇，宋永正

（濰柴動力股份有限公司一號工廠，山東 濰坊 261061）

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(fù)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(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(xué)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(yīng)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。

圖1 UR3,UR5,UR10等協(xié)作機器人

（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(dāng)達到已設(shè)定的力時會立即停止，在風(fēng)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(shè)計開發(fā)應(yīng)用思路

借助協(xié)作機器人，運用視覺引導(dǎo)技術(shù)、RFID技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，設(shè)計開發(fā)基于視覺引導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用視覺引導(dǎo)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(shè)計開發(fā)自適應(yīng)定位機構(gòu)用于發(fā)動機準確預(yù)定位。

（2）空間三維反力抵消機構(gòu)。通過三維仿真模擬，設(shè)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(dǎo)結(jié)構(gòu)

發(fā)動機經(jīng)過預(yù)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)。

圖2 協(xié)作機器人油底殼螺栓智能擰緊裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

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）。

圖3 整體機構(gòu)三維仿真圖

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(dǎo)致機器人報警，為解決擰緊軸反力問題提出并設(shè)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 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(dǎo)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(shè)計制作重力平衡機構(gòu)（圖5）。

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(dāng)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(shè)計三位一體發(fā)動機精確定位機構(gòu)（圖6）。

圖6 定位機構(gòu)

當(dāng)托盤進入工位前止檔氣缸升起，對發(fā)動機托盤進行預(yù)定位。托盤底部帶有定位銷孔，當(dāng)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。

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(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)計出擰緊機構(gòu)，如圖7。

圖7 擰緊機構(gòu)

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”，所謂機器視覺技術(shù)，就是給機器設(shè)備配置上“眼睛”，通過邏輯計算使得機器設(shè)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(dǎo)協(xié)作機器人進行位置補償位置，完成擰緊任務(wù)（如圖8）。

圖8 視覺引導(dǎo)系統(tǒng)

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）。

圖9 RFID電氣通信及控制方式

發(fā)動機信息存入托盤RFID標簽，當(dāng)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(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(dāng)PC接收到應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)備對PC都是透明的。

根據(jù)發(fā)動機的信息設(shè)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(shè)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(yīng)用效果

基于視覺引導(dǎo)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。

圖10 整體效果圖

（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(yīng)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(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。